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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 estado absorbiendo la mayor parte del exceso de calor resultante de las emisiones de gases de efecto invernadero procedentes 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 del océano (OHC) o la absorción de calor del océano (OHU) es la energía absorbida y almacenada por los océanos . Para calcular el contenido de calor del océano, es necesario medir la temperatura del océano en muchos lugares y profundidades diferentes. La integración de la densidad de área de un cambio en la energía entálpica sobre una cuenca oceánica o un océano entero da el consumo total de calor del océano. [2] Entre 1971 y 2018, el aumento del contenido de calor de los océanos representó más del 90% del exceso de energía de la Tierra procedente del calentamiento global . [3] [4] El principal impulsor de este aumento fue el forzamiento antropogénico a través del aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero . [5] : 1228  Para 2020, aproximadamente un tercio de la energía agregada se había propagado a profundidades inferiores a 700 metros. [6] [7]

En 2023, los océanos del mundo volvieron a ser los más calientes según el récord histórico y superaron el máximo récord anterior de 2022. [8] Las cinco observaciones de mayor calor del océano 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 calorífica mucho mayor que los gases atmosféricos. [6] Como resultado, los pocos metros superiores del océano contienen más energía que toda la atmósfera de la Tierra . [11] Desde antes de 1960, buques y estaciones de investigación han tomado muestras de las temperaturas de la superficie del mar y de las temperaturas a mayor profundidad en todo el mundo. Desde el año 2000, una red en expansión de casi 4.000 flotadores robóticos Argo ha medido 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 de la parte superior del océano 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/m 2 (o ganancia de energía media anual de 9,3  zettajulios ). Es difícil medir temperaturas durante períodos prolongados con suficiente precisión y cubriendo suficientes áreas y profundidades. Esto explica la incertidumbre en las cifras. [10]

Los cambios en la temperatura del océano afectan en gran medida a los ecosistemas en los océanos y en la tierra. 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 almacenada en el océano. Se define en coordinación con una formulación particular de la ecuación termodinámica de estado del agua de mar. TEOS-10 es un estándar internacional aprobado en 2010 por la Comisión Oceanográfica Intergubernamental . [dieciséis]

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 hacen más fácilmente comparables a los intercambios de calor del agua de mar con hielo, agua dulce y aire húmedo. [17] [18] La 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 hacia dónde se dirige la mayor parte de las ganancias de energía planetaria derivadas del calentamiento global.

Para calcular el contenido de calor del océano, se requieren mediciones de la temperatura del océano a partir de muestras de agua de mar recolectadas en muchos lugares y profundidades diferentes. [19] La integración de la densidad de área del calor del océano sobre una cuenca oceánica, o todo el océano, da el contenido total de calor del océano. Por tanto, el contenido calorífico total del océano es una integral de volumen del producto de la temperatura, la densidad y la capacidad calorífica en la región tridimensional del océano para la cual 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 de área 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 SI , tiene unidades de julios por metro cuadrado (J·m −2 ).

En la práctica, la integral se puede aproximar mediante suma utilizando una secuencia de datos in situ fluida y de buen comportamiento; incluyendo temperatura (t), presión (p), salinidad (s) y su correspondiente densidad (ρ). Las temperaturas conservadoras 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 versus profundidad del océano generalmente muestran una capa mixta superior (0–200 m), una termoclina (200–1500 m) y una capa oceánica profunda (>1500 m). Estas profundidades de los límites son sólo aproximaciones aproximadas. La luz del sol penetra hasta una profundidad máxima de unos 200 m; cuyos 80 m superiores 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 del océano son relativamente frías y uniformes en la mayoría de las regiones del mundo. [24] Aproximadamente el 50% de todo el volumen del océano se encuentra a profundidades inferiores a 3000 m (1,85 millas), siendo el Océano Pacífico la mayor y más profunda de las cinco divisiones oceánicas. La termoclina es la transición entre las capas superior y profunda 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 profundo o inexistente en las regiones polares. [25]

Mediciones

La distribución global de flotadores activos en el conjunto 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 las cosas 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 perfilado desplegados en todo el mundo desde principios del siglo XXI. [27] Las 3.000 unidades iniciales del programa se habían ampliado a casi 4.000 unidades en el año 2020. Al comienzo de cada ciclo de medición de 10 días, un flotador desciende a una profundidad de 1.000 metros y flota allí con la corriente durante nueve días. Luego desciende a 2000 metros y mide la temperatura, la salinidad (conductividad) y la profundidad (presión) durante el último día de ascenso a la superficie. En la superficie, el flotador transmite los datos del perfil de profundidad y la 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/Poseidón y posteriores de Jason han observado OHC verticalmente integrado, que es un componente importante del aumento del nivel del mar. [29] Desde 2002, GRACE y GRACE-FO han monitoreado remotamente los cambios oceánicos utilizando 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 calorífica del agua , realiza un experimento para demostrar la capacidad calorífica 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 de los océanos 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 terrestre. [11] [31] Este alto porcentaje se debe a que las aguas en y debajo de la superficie del océano, especialmente la turbulenta capa superior mixta, 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 calorífica volumétrica y transmite energía eficazmente según 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 a 300 m, línea azul claro y 0 a 700 m, sombreado azul claro) representa para obtener la mayor cantidad de ganancia de calor. [3]

El consumo de calor planetario o el contenido de calor representa toda la energía agregada o eliminada del sistema climático. [35] Puede calcularse como una acumulación en el tiempo de las diferencias (o desequilibrios ) observados entre la radiación total entrante y saliente. CERES y otros instrumentos remotos han estimado los cambios en el desequilibrio desde la órbita terrestre , y los han comparado con estudios in situ de cambios en el inventario de calor en los océanos, la tierra, el hielo y la atmósfera. [3] [36] [37] Lograr resultados completos y precisos con cualquiera de los métodos contables 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 durante el bien observado período 2005-2019 superan las incertidumbres de las mediciones. [31]

Desde la perspectiva del océano, la irradiancia solar ecuatorial más abundante es directamente absorbida 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 oceánica a través de conducción térmica , surgencia y surgencia . [38] [39] Las liberaciones de OHC a la atmósfera se producen principalmente a través de la evaporación y permiten el ciclo planetario del agua . [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 fenómenos meteorológicos extremos que pueden penetrar tierra adentro. [9] [41] En conjunto, estos procesos permiten que el océano sea el depósito térmico más grande de la Tierra que funciona para regular el clima del planeta; actuando como sumidero y fuente de energía. [32]

La temperatura del aire en la superficie de las masas terrestres ha aumentado más rápidamente que la temperatura de la superficie del mar .

Desde la perspectiva de las regiones terrestres y cubiertas de hielo, su porción de absorción de calor se reduce y retrasa debido a la inercia térmica dominante del océano. Aunque el aumento promedio de la temperatura de la superficie terrestre ha excedido el 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 medida sin el océano lleno. [32] También se han realizado mediciones de la rapidez con la que el calor se mezcla con las profundidades del océano para cerrar mejor los presupuestos de energía oceánica y planetaria. [42]

Observaciones y cambios recientes

Numerosos estudios independientes en los últimos años han encontrado un aumento de varias décadas en el OHC de las regiones superiores del océano que ha comenzado a penetrar a regiones más profundas. [3] [21] La parte superior del océano (0–700 m) se ha calentado desde 1971, aunque es muy probable que el calentamiento haya ocurrido a profundidades intermedias (700–2000 m) y que las temperaturas de las profundidades del océano (por debajo de 2000 m) hayan aumentó. [5] : 1228  La absorción de calor resulta de un desequilibrio de calentamiento persistente en el presupuesto energético de la Tierra que es causado fundamentalmente por el aumento antropogénico de los gases de efecto invernadero atmosféricos . [43] : 41  Existe una confianza muy alta 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 frente al promedio de 1993-2020. [44] Algunas regiones acumularon más energía que otras debido a los impulsores del transporte, como los vientos y las corrientes.

Los estudios basados ​​en 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 entre 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 estocásticas de la variabilidad natural, durante los años de La Niña, alrededor de un 30% más de calor de la capa superior del océano se transporta hacia las profundidades del océano. Además, los estudios han demostrado que aproximadamente un tercio del calentamiento observado en el océano tiene lugar en la capa oceánica de 700 a 2000 metros. [46]

Los estudios con modelos indican que las corrientes oceánicas transportan más calor a capas más profundas durante los años de La Niña, tras cambios en la circulación del viento. [47] [48] Los años con una 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 de temperatura y 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 un porcentaje importante del exceso de calor del océano se almacena. [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 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 con temperaturas del agua persistentemente elevadas y que ponen en peligro la vida. [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 entre el 30% y el 40% del aumento mundial del nivel del mar entre 1900 y 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 tanto regionales como globales. [61] El retroceso del 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 sobre el hielo marino antártico y las vastas plataformas de hielo antárticas 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 contribuyeron alrededor del 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 , el calentamiento de las aguas superficiales es menos capaz de absorber los gases atmosféricos, incluido el oxígeno, y las crecientes emisiones de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero procedentes de la actividad humana. [70] [71] Sin embargo, la velocidad a 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 del vasto almacén de depósitos de hidrato de metano congelados que se han acumulado naturalmente allí. [73]

Ver también

Referencias

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