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Contenido de calor del océano

El contenido de calor del océano (OHC) ha ido aumentando durante décadas a medida que el océano ha ido absorbiendo la mayor parte del exceso de calor resultante de las emisiones de gases de efecto invernadero de las actividades humanas. [1] El gráfico muestra el OHC calculado para una profundidad de agua de 700 y 2000 metros.

El contenido de calor oceánico (OHC) o la absorción de calor oceánico (OHU) es la energía absorbida y almacenada por los océanos . Para calcular el contenido de calor oceánico, es necesario medir la temperatura del océano en muchos lugares y profundidades diferentes. La integración de la densidad superficial de un cambio en la energía entálpica sobre una cuenca oceánica o todo el océano da la absorción total de calor oceánico. [2] Entre 1971 y 2018, el aumento del contenido de calor oceánico representó más del 90% del exceso de energía de la Tierra debido al calentamiento global . [3] [4] El principal impulsor de este aumento fue causado por los humanos a través de sus crecientes emisiones de gases de efecto invernadero . [5] : 1228  Para 2020, aproximadamente un tercio de la energía agregada se había propagado a profundidades por debajo de los 700 metros. [6] [7]

En 2023, los océanos del mundo volvieron a ser los más calientes de la historia y superaron el récord máximo anterior de 2022. [8] Las cinco observaciones de calor oceánico más altas a una profundidad de 2000 metros ocurrieron en el período 2019-2023. El Pacífico Norte, el Atlántico Norte, el Mediterráneo y el Océano Austral registraron sus observaciones de calor más altas en más de sesenta años de mediciones globales. [9] El contenido de calor del océano y el aumento del nivel del mar son indicadores importantes del cambio climático . [10]

El agua del océano puede absorber mucha energía solar porque el agua tiene una capacidad térmica mucho mayor que los gases atmosféricos. [6] Como resultado, los primeros metros del océano contienen más energía que toda la atmósfera de la Tierra . [11] Desde antes de 1960, los buques y estaciones de investigación han muestreado las temperaturas de la superficie del mar y las temperaturas a mayor profundidad en todo el mundo. Desde 2000, una red en expansión de casi 4000 flotadores robóticos Argo ha medido las anomalías de temperatura o el cambio en el contenido de calor del océano. Con la mejora de la observación en las últimas décadas, se ha analizado que el contenido de calor del océano superior ha aumentado a un ritmo acelerado. [12] [13] [14] La tasa neta de cambio en los 2000 metros superiores de 2003 a 2018 fue+0,58 ± 0,08 W/m2 ( o una ganancia energética media anual de 9,3  zettajulios ). Es difícil medir las temperaturas con precisión durante largos períodos cubriendo al mismo tiempo suficientes áreas y profundidades. Esto explica la incertidumbre de las cifras. [10]

Los cambios en la temperatura de los océanos afectan en gran medida a los ecosistemas oceánicos y terrestres. Por ejemplo, existen múltiples impactos en los ecosistemas costeros y las comunidades que dependen de sus servicios ecosistémicos . Los efectos directos incluyen variaciones en el nivel del mar y el hielo marino , cambios en la intensidad del ciclo del agua y la migración de la vida marina. [15]

Cálculos

Definición

Gráfico de diferentes termoclinas (profundidad versus temperatura del océano ) según las estaciones y la latitud

El contenido de calor del océano es un término utilizado en oceanografía física para describir un tipo de energía que se almacena en el océano. Se define en coordinación con una formulación particular de la ecuación termodinámica de estado del agua de mar. TEOS-10 es una norma internacional aprobada en 2010 por la Comisión Oceanográfica Intergubernamental . [16]

El cálculo del contenido de calor del océano está estrechamente alineado con el de la entalpía en la superficie del océano, también llamada entalpía potencial . De este modo, los cambios de OHC se pueden comparar más fácilmente con los intercambios de calor del agua de mar con hielo, agua dulce y aire húmedo. [17] [18] El OHC siempre se informa como un cambio o como una "anomalía" en relación con una línea de base. Los valores positivos también cuantifican la absorción de calor del océano (OHU) y son útiles para diagnosticar dónde se destina la mayor parte de las ganancias de energía planetaria del calentamiento global.

Para calcular el contenido de calor del océano, se requieren mediciones de la temperatura del océano a partir de parcelas de muestra de agua de mar recogidas en muchos lugares y profundidades diferentes. [19] La integración de la densidad superficial del calor del océano sobre una cuenca oceánica, o sobre todo el océano, da el contenido de calor total del océano. Por lo tanto, el contenido de calor total del océano es una integral de volumen del producto de la temperatura, la densidad y la capacidad térmica sobre la región tridimensional del océano para la que hay datos disponibles. [20] La mayor parte de las mediciones se han realizado a profundidades inferiores a unos 2000 m (1,25 millas). [21]

La densidad superficial del contenido de calor del océano entre dos profundidades se calcula como una integral definida: [2] [20]

donde es la capacidad calorífica específica del agua de mar , h2 es la profundidad inferior, h1 es la profundidad superior, es el perfil de densidad del agua de mar in situ y es el perfil de temperatura conservador . se define a una única profundidad h0 generalmente elegida como la superficie del océano. En unidades del SI , tiene unidades de julios por metro cuadrado (J·m −2 ).

En la práctica, la integral se puede aproximar mediante la suma utilizando una secuencia uniforme y de buen comportamiento de datos in situ, que incluya la temperatura (t), la presión (p), la salinidad (s) y su densidad correspondiente (ρ). La temperatura conservadora son valores traducidos en relación con la presión de referencia (p0) en h0. En cálculos anteriores se ha utilizado un sustituto conocido como temperatura potencial . [22]

Las mediciones de temperatura en función de la profundidad del océano generalmente muestran una capa superior mixta (0-200 m), una termoclina (200-1500 m) y una capa oceánica profunda (>1500 m). Estas profundidades límite son solo aproximaciones aproximadas. La luz solar penetra hasta una profundidad máxima de unos 200 m; los 80 m superiores de los cuales son la zona habitable para la vida marina fotosintética que cubre más del 70% de la superficie de la Tierra. [23] La acción de las olas y otras turbulencias superficiales ayudan a igualar las temperaturas en toda la capa superior.

A diferencia de las temperaturas superficiales , que disminuyen con la latitud, las temperaturas de las profundidades oceánicas son relativamente frías y uniformes en la mayoría de las regiones del mundo. [24] Alrededor del 50% de todo el volumen oceánico se encuentra a profundidades inferiores a los 3000 m (1,85 millas), y el océano Pacífico es la división oceánica más grande y profunda de las cinco. La termoclina es la transición entre las capas superiores y profundas en términos de temperatura, flujos de nutrientes, abundancia de vida y otras propiedades. Es semipermanente en los trópicos, variable en las regiones templadas (a menudo más profunda durante el verano) y poco profunda o inexistente en las regiones polares. [25]

Medidas

La distribución global de flotantes activos en la matriz Argo [26]

Las mediciones del contenido de calor del océano presentan dificultades, especialmente antes del despliegue de los flotadores perfiladores Argo . [21] Debido a la escasa cobertura espacial y la mala calidad de los datos, no siempre ha sido fácil distinguir entre las tendencias de calentamiento global a largo plazo y la variabilidad climática . Ejemplos de estos factores que complican el proceso son las variaciones causadas por El Niño-Oscilación del Sur o los cambios en el contenido de calor del océano causados ​​por grandes erupciones volcánicas . [10]

Argo es un programa internacional de flotadores robóticos de perfilación que se implementa en todo el mundo desde principios del siglo XXI. [27] Las 3000 unidades iniciales del programa se habían ampliado a casi 4000 unidades para el año 2020. Al comienzo de cada ciclo de medición de 10 días, un flotador desciende a una profundidad de 1000 metros y se deja llevar por la corriente durante nueve días. Luego desciende a 2000 metros y mide la temperatura, la salinidad (conductividad) y la profundidad (presión) durante un último día de ascenso a la superficie. En la superficie, el flotador transmite el perfil de profundidad y los datos de posición horizontal a través de relés satelitales antes de repetir el ciclo. [28]

A partir de 1992, los altímetros de la serie de satélites TOPEX/Poseidon y Jason han observado la formación de OHC verticalmente integrada, que es un componente importante del aumento del nivel del mar. [29] Desde 2002, GRACE y GRACE-FO han monitoreado de forma remota los cambios en los océanos mediante gravimetría . [30] La asociación entre Argo y las mediciones satelitales ha producido mejoras continuas en las estimaciones de OHC y otras propiedades oceánicas globales. [26]

Causas de la absorción de calor

El oceanógrafo Josh Willis analiza la capacidad térmica del agua , realiza un experimento para demostrar la capacidad térmica utilizando un globo de agua y describe cómo la capacidad del agua para almacenar calor afecta el clima de la Tierra.

La absorción de calor del océano representa más del 90% de la absorción total de calor planetario, principalmente como consecuencia de los cambios provocados por el hombre en la composición de la atmósfera de la Tierra. [11] [31] Este alto porcentaje se debe a que las aguas en la superficie del océano y debajo de ella, especialmente la turbulenta capa mixta superior, exhiben una inercia térmica mucho mayor que la corteza continental expuesta del planeta, las regiones polares cubiertas de hielo o los propios componentes atmosféricos. Un cuerpo con gran inercia térmica almacena una gran cantidad de energía debido a su capacidad térmica volumétrica y transmite energía de manera efectiva de acuerdo con su coeficiente de transferencia de calor . La mayor parte de la energía adicional que ingresa al planeta a través de la atmósfera es absorbida y retenida por el océano. [32] [33] [34]

Inventario de calor de la Tierra (acumulación de energía) en ZJ para los componentes del sistema climático de la Tierra en relación con 1960 y de 1960 a 2018. La parte superior del océano (0–300 m, línea azul claro, y 0–700 m, sombreado azul claro) representa la mayor cantidad de ganancia de calor. [3]

La absorción de calor planetario o el contenido de calor representan toda la energía añadida o eliminada del sistema climático. [35] Puede calcularse como una acumulación a lo largo del tiempo de las diferencias observadas (o desequilibrios ) entre la radiación total entrante y saliente. Los cambios en el desequilibrio se han estimado desde la órbita terrestre mediante CERES y otros instrumentos remotos , y se han comparado con estudios in situ de los cambios en el inventario de calor en los océanos, la tierra, el hielo y la atmósfera. [3] [36] [37] Obtener resultados completos y precisos de cualquiera de los dos métodos de contabilidad es un desafío, pero de diferentes maneras que los investigadores consideran en su mayoría independientes entre sí. [36] Se cree que los aumentos en el contenido de calor planetario para el período bien observado de 2005 a 2019 superan las incertidumbres de medición. [31]

Desde la perspectiva del océano, la irradiancia solar ecuatorial más abundante es absorbida directamente por las aguas superficiales tropicales de la Tierra e impulsa la propagación general del calor hacia los polos. La superficie también intercambia energía que ha sido absorbida por la troposfera inferior a través de la acción del viento y las olas. Con el tiempo, un desequilibrio sostenido en el presupuesto energético de la Tierra permite un flujo neto de calor hacia o desde una mayor profundidad del océano a través de la conducción térmica , el hundimiento y el afloramiento . [38] [39] Las liberaciones de OHC a la atmósfera ocurren principalmente a través de la evaporación y permiten el ciclo del agua planetario . [40] Las liberaciones concentradas en asociación con las altas temperaturas de la superficie del mar ayudan a impulsar ciclones tropicales , ríos atmosféricos , olas de calor atmosféricas y otros eventos climáticos extremos que pueden penetrar tierra adentro. [9] [41] En conjunto, estos procesos permiten que el océano sea el reservorio térmico más grande de la Tierra que funciona para regular el clima del planeta; actuando como sumidero y fuente de energía. [32]

Las temperaturas del aire en la superficie de las masas terrestres han aumentado más rápido que la temperatura de la superficie del mar .

Desde la perspectiva de las regiones cubiertas de tierra y hielo, su porción de absorción de calor se ve reducida y retrasada por la inercia térmica dominante del océano. Aunque el aumento promedio de la temperatura de la superficie terrestre ha superado la de la superficie del océano debido a la menor inercia (menor coeficiente de transferencia de calor) de la tierra sólida y el hielo, las temperaturas aumentarían más rápidamente y en mayor cantidad sin el océano completo. [32] También se han realizado mediciones de la rapidez con la que el calor se mezcla con el océano profundo para cerrar mejor los balances energéticos oceánicos y planetarios. [42]

Observaciones y cambios recientes

Numerosos estudios independientes realizados en los últimos años han encontrado un aumento multidecenal del contenido de calor del océano en las regiones superiores que ha comenzado a penetrar en regiones más profundas. [3] [21] El océano superior (0–700 m) se ha calentado desde 1971, mientras que es muy probable que el calentamiento haya ocurrido a profundidades intermedias (700–2000 m) y es probable que las temperaturas del océano profundo (por debajo de los 2000 m) hayan aumentado. [5] : 1228  La absorción de calor resulta de un desequilibrio persistente del calentamiento en el presupuesto energético de la Tierra que es causado fundamentalmente por el aumento antropogénico de los gases de efecto invernadero atmosféricos . [43] : 41  Hay un nivel muy alto de confianza en que el aumento del contenido de calor del océano en respuesta a las emisiones antropogénicas de dióxido de carbono es esencialmente irreversible en escalas de tiempo humanas. [5] : 1233 

Mapa de la anomalía del calor del océano en los 700 metros superiores para el año 2020 versus el promedio de 1993-2020. [44] Algunas regiones acumularon más energía que otras debido a impulsores del transporte como los vientos y las corrientes.

Los estudios basados ​​en las mediciones de Argo indican que los vientos de la superficie del océano , especialmente los vientos alisios subtropicales en el océano Pacífico , cambian la distribución vertical del calor del océano. [45] Esto da como resultado cambios en las corrientes oceánicas y un aumento del vuelco subtropical , que también está relacionado con el fenómeno de El Niño y La Niña . Dependiendo de las fluctuaciones de la variabilidad natural estocástica, durante los años de La Niña alrededor de un 30% más de calor de la capa superior del océano se transporta al océano más profundo. Además, los estudios han demostrado que aproximadamente un tercio del calentamiento observado en el océano se está produciendo en la capa oceánica de 700 a 2000 metros. [46]

Los estudios de modelos indican que las corrientes oceánicas transportan más calor a capas más profundas durante los años de La Niña, tras los cambios en la circulación del viento. [47] [48] Los años con mayor absorción de calor del océano se han asociado con fases negativas de la oscilación interdecadal del Pacífico (IPO). [49] Esto es de particular interés para los científicos del clima que utilizan los datos para estimar la absorción de calor del océano .

El contenido de calor del océano superior en la mayoría de las regiones del Atlántico Norte está dominado por la convergencia del transporte de calor (un lugar donde se encuentran las corrientes oceánicas), sin grandes cambios en la relación entre la temperatura y la salinidad. [50] Además, un estudio de 2022 sobre el calentamiento antropogénico en el océano indica que el 62% del calentamiento de los años entre 1850 y 2018 en el Atlántico Norte a lo largo de 25°N se mantiene en el agua por debajo de los 700 m, donde se almacena un porcentaje importante del calor excedente del océano. [51]

Un estudio de 2015 concluyó que los aumentos del contenido de calor del océano en el Océano Pacífico fueron compensados ​​por una distribución abrupta de OHC en el Océano Índico. [52]

Aunque los 2000 m superiores de los océanos han experimentado un calentamiento en promedio desde la década de 1970, la tasa de calentamiento de los océanos varía regionalmente: el Atlántico Norte subpolar se calienta más lentamente y el Océano Austral absorbe una cantidad desproporcionadamente grande de calor debido a las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero. [5] : 1230 

El calentamiento de las profundidades oceánicas por debajo de los 2000 m ha sido mayor en el Océano Austral en comparación con otras cuencas oceánicas. [5] : 1230 

Impactos

El calentamiento de los océanos es una de las razones del blanqueamiento de los corales [53] y contribuye a la migración de especies marinas . [54] Las olas de calor marinas son regiones de temperaturas del agua elevadas de forma persistente y potencialmente mortales. [55] La redistribución de la energía interna del planeta por la circulación atmosférica y las corrientes oceánicas produce variabilidad climática interna , a menudo en forma de oscilaciones irregulares , [56] y ayuda a sostener la circulación termohalina global . [57] [58]

El aumento de OHC representa el 30-40% del aumento global del nivel del mar desde 1900 hasta 2020 debido a la expansión térmica . [59] [60] También es un acelerador del derretimiento del hielo marino , los icebergs y los glaciares de marea . La pérdida de hielo reduce el albedo polar , amplificando los desequilibrios energéticos regionales y globales. [61] El retroceso de hielo resultante ha sido rápido y generalizado en el hielo marino del Ártico , [62] y dentro de los fiordos del norte como los de Groenlandia y Canadá . [63] Los impactos en el hielo marino antártico y las vastas plataformas de hielo antártico que terminan en el océano Austral han variado según la región y también están aumentando debido al calentamiento de las aguas. [64] [65] La ruptura de la plataforma de hielo Thwaites y sus vecinos de la Antártida occidental contribuyó con aproximadamente el 10% del aumento del nivel del mar en 2020. [66] [67]

El océano también funciona como sumidero y fuente de carbono, con un papel comparable al de las regiones terrestres en el ciclo del carbono de la Tierra . [68] [69] De acuerdo con la dependencia de la temperatura de la ley de Henry , las aguas superficiales que se calientan son menos capaces de absorber los gases atmosféricos, incluido el oxígeno, y las crecientes emisiones de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero de la actividad humana. [70] [71] Sin embargo, la tasa en la que el océano absorbe dióxido de carbono antropogénico se ha triplicado aproximadamente desde principios de la década de 1960 hasta finales de la década de 2010; una escala proporcional al aumento del dióxido de carbono atmosférico. [72]

El calentamiento de las profundidades del océano tiene el potencial adicional de derretir y liberar parte de los enormes depósitos de hidrato de metano congelado que se han acumulado naturalmente allí. [73]

Véase también

Referencias

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