El sistema climático de la Tierra es un sistema complejo con cinco componentes que interactúan: la atmósfera (aire), la hidrosfera (agua), la criosfera (hielo y permafrost), la litosfera (capa rocosa superior de la Tierra) y la biosfera (seres vivos). [1] : 1451 El clima es la caracterización estadística del sistema climático. [1] : 1450 Representa el clima promedio , típicamente durante un período de 30 años, y está determinado por una combinación de procesos, como las corrientes oceánicas y los patrones de viento. [2] [3] La circulación en la atmósfera y los océanos transporta calor desde las regiones tropicales a las regiones que reciben menos energía del Sol . La radiación solar es la principal fuerza impulsora de esta circulación. El ciclo del agua también mueve energía por todo el sistema climático. Además, ciertos elementos químicos se mueven constantemente entre los componentes del sistema climático. Dos ejemplos de estos ciclos bioquímicos son los ciclos del carbono y del nitrógeno .
El sistema climático puede cambiar debido a la variabilidad interna y a fuerzas externas . Estas fuerzas externas pueden ser naturales, como las variaciones en la intensidad solar y las erupciones volcánicas, o causadas por los seres humanos. La acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera, emitidos principalmente por las personas que queman combustibles fósiles , está causando el cambio climático . La actividad humana también libera aerosoles refrescantes , pero su efecto neto es mucho menor que el de los gases de efecto invernadero. [1] : 1451 Los cambios pueden verse amplificados por procesos de retroalimentación en los diferentes componentes del sistema climático.
La atmósfera envuelve la Tierra y se extiende cientos de kilómetros desde la superficie. Está compuesta principalmente de nitrógeno inerte (78%), oxígeno (21%) y argón (0,9%). [4] Algunos gases traza en la atmósfera, como el vapor de agua y el dióxido de carbono , son los gases más importantes para el funcionamiento del sistema climático, ya que son gases de efecto invernadero que permiten que la luz visible del Sol penetre hasta la superficie, pero bloquean parte de la radiación infrarroja que emite la superficie de la Tierra para equilibrar la radiación solar. Esto hace que aumenten las temperaturas superficiales. [5]
El ciclo hidrológico es el movimiento del agua a través del sistema climático. El ciclo hidrológico no sólo determina los patrones de precipitación , sino que también influye en el movimiento de la energía a través del sistema climático. [6]
La hidrosfera propiamente dicha contiene toda el agua líquida de la Tierra, la mayor parte de la cual se encuentra en los océanos del mundo. [7] El océano cubre el 71% de la superficie de la Tierra a una profundidad promedio de casi 4 kilómetros (2,5 millas), [8] y el contenido de calor del océano es mucho mayor que el calor retenido por la atmósfera. [9] [10] Contiene agua de mar con un contenido de sal de aproximadamente el 3,5% en promedio, pero esto varía espacialmente. [8] El agua salobre se encuentra en los estuarios y algunos lagos, y la mayor parte del agua dulce , el 2,5% de toda el agua, se encuentra en hielo y nieve. [11]
La criosfera contiene todas las partes del sistema climático donde el agua es sólida. Esto incluye el hielo marino , las capas de hielo , el permafrost y la capa de nieve . Debido a que hay más tierra en el hemisferio norte en comparación con el hemisferio sur , una parte más grande de ese hemisferio está cubierta de nieve. [12] Ambos hemisferios tienen aproximadamente la misma cantidad de hielo marino. La mayor parte del agua congelada está contenida en las capas de hielo de Groenlandia y la Antártida , que tienen un promedio de unos 2 kilómetros (1,2 millas) de altura. Estas capas de hielo fluyen lentamente hacia sus márgenes. [13]
La corteza terrestre , específicamente las montañas y los valles, da forma a los patrones de viento globales: vastas cadenas montañosas forman una barrera para los vientos e impactan dónde y cuánto llueve. [14] [15] La tierra más cercana al océano abierto tiene un clima más moderado que la tierra más alejada del océano. [16] Para el propósito de modelar el clima , la tierra a menudo se considera estática ya que cambia muy lentamente en comparación con los otros elementos que componen el sistema climático. [17] La posición de los continentes determina la geometría de los océanos y, por lo tanto, influye en los patrones de circulación oceánica. Las ubicaciones de los mares son importantes para controlar la transferencia de calor y humedad en todo el mundo y, por lo tanto, para determinar el clima global. [18]
Por último, la biosfera también interactúa con el resto del sistema climático. La vegetación suele ser más oscura o más clara que el suelo que hay debajo, de modo que una mayor o menor cantidad del calor del sol queda atrapada en las zonas con vegetación. [19] La vegetación es buena para atrapar el agua, que luego es absorbida por sus raíces. Sin vegetación, esta agua se habría escurrido hacia los ríos más cercanos u otros cuerpos de agua. El agua absorbida por las plantas se evapora, lo que contribuye al ciclo hidrológico. [20] La precipitación y la temperatura influyen en la distribución de las diferentes zonas de vegetación. [21] La asimilación de carbono del agua de mar por el crecimiento de pequeños fitoplancton es casi tanta como la de las plantas terrestres de la atmósfera. [22] Aunque técnicamente los humanos son parte de la biosfera , a menudo se los trata como componentes separados del sistema climático de la Tierra, la antroposfera , debido al gran impacto humano en el planeta. [19]
El sistema climático recibe energía del Sol y, en mucha menor medida, del núcleo de la Tierra, así como de la energía de las mareas de la Luna. La Tierra emite energía al espacio exterior de dos formas: refleja directamente una parte de la radiación del Sol y emite radiación infrarroja como radiación de cuerpo negro . El equilibrio de la energía entrante y saliente, y el paso de la energía a través del sistema climático, determina el balance energético de la Tierra . Cuando el total de energía entrante es mayor que la energía saliente, el desequilibrio energético de la Tierra es positivo y el sistema climático se está calentando. Si sale más energía, el desequilibrio energético es negativo y la Tierra experimenta un enfriamiento. [24]
A los trópicos llega más energía que a las regiones polares y la diferencia de temperatura subsiguiente impulsa la circulación global de la atmósfera y los océanos . [25] El aire se eleva cuando se calienta, fluye hacia los polos y se hunde nuevamente cuando se enfría, regresando al ecuador. [26] Debido a la conservación del momento angular , la rotación de la Tierra desvía el aire hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur, formando así células atmosféricas distintas. [27] Los monzones , cambios estacionales en el viento y la precipitación que ocurren principalmente en los trópicos, se forman debido al hecho de que las masas terrestres se calientan más fácilmente que el océano. La diferencia de temperatura induce una diferencia de presión entre la tierra y el océano, impulsando un viento constante. [28]
El agua del océano que tiene más sal tiene una mayor densidad y las diferencias de densidad juegan un papel importante en la circulación oceánica . La circulación termohalina transporta calor desde los trópicos a las regiones polares. [29] La circulación oceánica también está impulsada por la interacción con el viento. El componente salino también influye en la temperatura del punto de congelación . [30] Los movimientos verticales pueden hacer subir agua más fría a la superficie en un proceso llamado surgencia , que enfría el aire de arriba. [31]
El ciclo hidrológico o ciclo del agua describe cómo se mueve constantemente entre la superficie de la Tierra y la atmósfera. [32] Las plantas evapotranspiran y la luz solar evapora el agua de los océanos y otros cuerpos de agua, dejando atrás la sal y otros minerales. El agua dulce evaporada luego vuelve a caer sobre la superficie. [33] La precipitación y la evaporación no se distribuyen uniformemente en todo el planeta, ya que en algunas regiones, como los trópicos, hay más lluvia que evaporación y en otras, más evaporación que lluvia. [34] La evaporación del agua requiere cantidades sustanciales de energía, mientras que durante la condensación se libera mucho calor. Este calor latente es la principal fuente de energía en la atmósfera. [35]
Los elementos químicos, vitales para la vida, se reciclan constantemente a través de los diferentes componentes del sistema climático. El ciclo del carbono es directamente importante para el clima ya que determina las concentraciones de dos importantes gases de efecto invernadero en la atmósfera: CO 2 y metano . [36] En la parte rápida del ciclo del carbono, las plantas absorben dióxido de carbono de la atmósfera mediante la fotosíntesis ; este es luego reemitido por la respiración de los seres vivos. [37] Como parte del ciclo lento del carbono, los volcanes liberan CO 2 al desgasificarse, liberando dióxido de carbono de la corteza y el manto de la Tierra. [38] Como el CO 2 en la atmósfera hace que la lluvia sea un poco ácida , esta lluvia puede disolver lentamente algunas rocas, un proceso conocido como meteorización . Los minerales que se liberan de esta manera, transportados al mar, son utilizados por los seres vivos cuyos restos pueden formar rocas sedimentarias , llevando el carbono de regreso a la litosfera. [39]
El ciclo del nitrógeno describe el flujo de nitrógeno activo. Como el nitrógeno atmosférico es inerte, los microorganismos primero tienen que convertirlo en un compuesto de nitrógeno activo en un proceso llamado fijación del nitrógeno , antes de que pueda usarse como un componente básico en la biosfera. [40] Las actividades humanas desempeñan un papel importante en los ciclos del carbono y del nitrógeno: la quema de combustibles fósiles ha desplazado el carbono de la litosfera a la atmósfera, y el uso de fertilizantes ha aumentado enormemente la cantidad de nitrógeno fijado disponible. [41]
El clima varía constantemente, en escalas de tiempo que van desde las estaciones hasta la vida de la Tierra. [42] Los cambios causados por los propios componentes y dinámicas del sistema se denominan variabilidad climática interna . El sistema también puede experimentar fuerzas externas de fenómenos externos al sistema (por ejemplo, un cambio en la órbita de la Tierra). [43] Los cambios más prolongados, generalmente definidos como cambios que persisten durante al menos 30 años, se denominan cambios climáticos , [44] aunque esta frase generalmente se refiere al cambio climático global actual . [45] Cuando el clima cambia, los efectos pueden acumularse entre sí, y propagarse en cascada a través de las otras partes del sistema en una serie de retroalimentaciones climáticas (por ejemplo, cambios en el albedo ), produciendo muchos efectos diferentes (por ejemplo, aumento del nivel del mar ). [46]
Los componentes del sistema climático varían continuamente, incluso sin presiones externas (forzamiento externo). Un ejemplo en la atmósfera es la Oscilación del Atlántico Norte (NAO), que funciona como un sube y baja de la presión atmosférica. Las Azores portuguesas suelen tener alta presión, mientras que a menudo hay una presión más baja sobre Islandia . [48] La diferencia de presión oscila y esto afecta los patrones climáticos en toda la región del Atlántico Norte hasta Eurasia central . [49] Por ejemplo, el clima en Groenlandia y Canadá es frío y seco durante una NAO positiva. [50] Las diferentes fases de la oscilación del Atlántico Norte pueden mantenerse durante varias décadas. [51]
El océano y la atmósfera también pueden trabajar juntos para generar espontáneamente una variabilidad climática interna que puede persistir durante años o décadas. [52] [53] Ejemplos de este tipo de variabilidad incluyen El Niño-Oscilación del Sur , la oscilación decenal del Pacífico y la Oscilación Multidecenal del Atlántico . Estas variaciones pueden afectar la temperatura superficial media global al redistribuir el calor entre el océano profundo y la atmósfera; [54] [55] pero también al alterar la distribución de las nubes, el vapor de agua o el hielo marino, lo que puede afectar el presupuesto energético total de la Tierra. [56] [57]
Los aspectos oceánicos de estas oscilaciones pueden generar variabilidad en escalas temporales centenarias debido a que el océano tiene cientos de veces más masa que la atmósfera y, por lo tanto, una inercia térmica muy alta. Por ejemplo, las alteraciones de los procesos oceánicos, como la circulación termohalina, desempeñan un papel clave en la redistribución del calor en los océanos del mundo. Comprender la variabilidad interna ayudó a los científicos a atribuir el cambio climático reciente a los gases de efecto invernadero. [58]
En escalas de tiempo largas, el clima está determinado principalmente por la cantidad de energía que hay en el sistema y hacia dónde va. Cuando el presupuesto energético de la Tierra cambia, el clima lo sigue. Un cambio en el presupuesto energético se denomina forzamiento. Cuando el cambio es causado por algo externo a los cinco componentes del sistema climático, se denomina forzamiento externo . [59] Los volcanes, por ejemplo, son el resultado de procesos profundos dentro de la Tierra que no se consideran parte del sistema climático. Las acciones humanas, los cambios fuera del planeta, como la variación solar y los asteroides entrantes, también son externos a los cinco componentes del sistema climático. [1] : 1454
El valor principal para cuantificar y comparar los forzamientos climáticos es el forzamiento radiativo .
El Sol es la principal fuente de energía que llega a la Tierra y es el motor de la circulación atmosférica. [60] La cantidad de energía que llega desde el Sol varía en escalas de tiempo más cortas, incluido el ciclo solar de 11 años [61] y en escalas de tiempo más largas. [62] Si bien el ciclo solar es demasiado pequeño para calentar y enfriar directamente la superficie de la Tierra, sí influye directamente en una capa superior de la atmósfera, la estratosfera , que puede tener un efecto en la atmósfera cerca de la superficie. [63]
Las ligeras variaciones en el movimiento de la Tierra pueden causar grandes cambios en la distribución estacional de la luz solar que llega a la superficie de la Tierra y en cómo se distribuye por todo el globo, aunque no en la luz solar promedio global y anual. Los tres tipos de cambio cinemático son las variaciones en la excentricidad de la Tierra , los cambios en el ángulo de inclinación del eje de rotación de la Tierra y la precesión del eje de la Tierra. Juntos, estos producen ciclos de Milankovitch , que afectan el clima y son notables por su correlación con los períodos glaciales e interglaciales . [64]
Los gases de efecto invernadero atrapan el calor en la parte inferior de la atmósfera al absorber la radiación de onda larga . En el pasado de la Tierra, muchos procesos contribuyeron a las variaciones en las concentraciones de gases de efecto invernadero. Actualmente, las emisiones de los seres humanos son la causa del aumento de las concentraciones de algunos gases de efecto invernadero, como el CO 2 , el metano y el N 2 O . [65] El contribuyente dominante al efecto invernadero es el vapor de agua (~50%), y las nubes (~25%) y el CO 2 (~20%) también desempeñan un papel importante. Cuando aumentan las concentraciones de gases de efecto invernadero de larga duración, como el CO 2 , aumentan la temperatura y el vapor de agua. En consecuencia, el vapor de agua y las nubes no se consideran fuerzas externas, sino retroalimentación. [66]
La erosión de los carbonatos y silicatos elimina el carbono de la atmósfera. [67]
Las partículas líquidas y sólidas en la atmósfera, llamadas colectivamente aerosoles , tienen diversos efectos sobre el clima. Algunas dispersan principalmente la luz solar, enfriando el planeta, mientras que otras absorben la luz solar y calientan la atmósfera. [68] Los efectos indirectos incluyen el hecho de que los aerosoles pueden actuar como núcleos de condensación de nubes , estimulando la formación de nubes. [69] Las fuentes naturales de aerosoles incluyen la espuma marina , el polvo mineral , los meteoritos y los volcanes . Aún así, los humanos también contribuyen [68] ya que una actividad humana, como la combustión de biomasa o combustibles fósiles, libera aerosoles a la atmósfera. Los aerosoles contrarrestan algunos de los efectos de calentamiento de los gases de efecto invernadero emitidos hasta que vuelven a caer a la superficie en unos pocos años o menos. [70]
Aunque técnicamente los volcanes son parte de la litosfera, que es parte del sistema climático, el vulcanismo se define como un agente forzante externo. [71] En promedio, solo hay varias erupciones volcánicas por siglo que influyen en el clima de la Tierra durante más de un año al expulsar toneladas de SO 2 a la estratosfera . [72] [73] El dióxido de azufre se convierte químicamente en aerosoles que causan enfriamiento al bloquear una fracción de la luz solar a la superficie de la Tierra. Las pequeñas erupciones afectan la atmósfera solo sutilmente. [72]
Los cambios en la cobertura terrestre, como el cambio de la cobertura hídrica (por ejemplo , el aumento del nivel del mar , el secado de lagos y las inundaciones repentinas ) o la deforestación , en particular a través del uso humano de la tierra, pueden afectar el clima. La reflectividad del área puede cambiar, haciendo que la región capte más o menos luz solar. Además, la vegetación interactúa con el ciclo hidrológico, por lo que la precipitación también se ve afectada. [74] Los incendios forestales liberan gases de efecto invernadero a la atmósfera y liberan carbono negro , que oscurece la nieve, lo que facilita su derretimiento. [75] [76]
Los distintos elementos del sistema climático responden a las fuerzas externas de distintas maneras. Una diferencia importante entre los componentes es la velocidad con la que reaccionan a una fuerza. La atmósfera suele responder en un plazo de un par de horas o semanas, mientras que las profundidades oceánicas y las capas de hielo tardan siglos o milenios en alcanzar un nuevo equilibrio. [80]
La respuesta inicial de un componente a una fuerza externa puede verse atenuada por retroalimentaciones negativas y potenciada por retroalimentaciones positivas . Por ejemplo, una disminución significativa de la intensidad solar conduciría rápidamente a una disminución de la temperatura en la Tierra, lo que permitiría que la capa de hielo y nieve se expandiera. La nieve y el hielo adicionales tienen un albedo o reflectividad más altos y, por lo tanto, reflejan más radiación solar de regreso al espacio antes de que pueda ser absorbida por el sistema climático en su conjunto; esto, a su vez, hace que la Tierra se enfríe aún más. [81]
Medios relacionados con el sistema climático en Wikimedia Commons