A lo largo de la historia climática de la Tierra ( Paleoclima ), su clima ha fluctuado entre dos estados primarios: el de invernadero y el de glaciar . [1] Ambos estados climáticos duran millones de años y no deben confundirse con los períodos glaciales e interglaciares mucho más pequeños , que ocurren como fases alternas dentro de un período de glaciar (conocido como edad de hielo ) y tienden a durar menos de 1 millón de años. [2] Hay cinco períodos de glaciar conocidos en la historia climática de la Tierra, a saber, las glaciaciones huroniana , criogénica , andino-sahariana (también conocida como Paleozoico temprano), paleozoico tardío y cenozoico tardío . [1]
Se cree que los principales factores implicados en los cambios del paleoclima son la concentración de gases atmosféricos de efecto invernadero como el dióxido de carbono (CO 2 ) y, de forma menos importante, el metano ( CH 4 ), los cambios en la órbita de la Tierra , los cambios a largo plazo en la constante solar y los cambios oceánicos y orogénicos derivados de la dinámica de las placas tectónicas . [3] Los períodos de invernadero y de glaciar han desempeñado un papel clave en la evolución de la vida en la Tierra al forzar directa e indirectamente la adaptación y el recambio biótico en varias escalas espaciales a lo largo del tiempo. [4] [5]
Una "Tierra de efecto invernadero" es un período durante el cual no existen glaciares continentales en ninguna parte del planeta. [6] Además, los niveles de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero (como vapor de agua y metano ) son altos, y las temperaturas superficiales del mar (TSM) varían de 28 °C (82,4 °F) en los trópicos a 0 °C (32 °F) en las regiones polares . [7] La Tierra ha estado en un estado de invernadero durante aproximadamente el 85% de su historia. [6]
El estado no debe confundirse con un hipotético efecto invernadero descontrolado , que es un punto de inflexión irreversible que corresponde al efecto invernadero descontrolado en curso en Venus . [8] El IPCC afirma que "un 'efecto invernadero descontrolado', análogo al de Venus, parece no tener prácticamente ninguna posibilidad de ser inducido por actividades antropogénicas ". [9]
Existen varias teorías sobre cómo se puede formar un efecto invernadero en la Tierra. Los indicadores geológicos del clima indican que existe una fuerte correlación entre un estado de invernadero y niveles elevados de CO2 . [ 1] Sin embargo, es importante reconocer que los niveles elevados de CO2 se interpretan como un indicador del clima de la Tierra, en lugar de como un factor independiente. En cambio, es probable que otros fenómenos hayan desempeñado un papel clave en la influencia del clima global al alterar las corrientes oceánicas y atmosféricas [10] y aumentar la cantidad neta de radiación solar absorbida por la atmósfera de la Tierra. [11] Dichos fenómenos pueden incluir, entre otros, los cambios tectónicos que dan lugar a la liberación de gases de efecto invernadero (como CO2 y CH4 ) a través de la actividad volcánica , [12] Los volcanes emiten cantidades masivas de CO2 y metano a la atmósfera cuando están activos, lo que puede atrapar suficiente calor para causar un efecto invernadero. En la Tierra, las concentraciones atmosféricas de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono (CO2 ) y el metano (CH4 ) son más altas, atrapando la energía solar en la atmósfera a través del efecto invernadero. El metano, el principal componente del gas natural, es responsable de más de una cuarta parte del calentamiento global actual. Es un contaminante formidable con un potencial de calentamiento global 80 veces mayor que el CO2 en los 20 años posteriores a su introducción en la atmósfera. Un aumento en la constante solar aumenta la cantidad neta de energía solar absorbida por la atmósfera terrestre [11] , y los cambios en la oblicuidad y excentricidad de la Tierra aumentan la cantidad neta de radiación solar absorbida por la atmósfera terrestre [11] .
La Tierra se encuentra ahora en un estado de casa de hielo, y las capas de hielo están presentes en ambos polos simultáneamente. [6] Los indicadores climáticos indican que las concentraciones de gases de efecto invernadero tienden a disminuir durante una Tierra de casa de hielo. [13] De manera similar, las temperaturas globales también son más bajas en condiciones de casa de hielo. [14] La Tierra fluctúa entonces entre períodos glaciales e interglaciales, y el tamaño y la distribución de las capas de hielo continentales fluctúan dramáticamente. [15] La fluctuación de las capas de hielo da como resultado cambios en las condiciones climáticas regionales que afectan el rango y la distribución de muchas especies terrestres y oceánicas. [4] [5] [16] En escalas que van desde miles a cientos de millones de años, el clima de la Tierra ha pasado de intervalos cálidos a fríos dentro de rangos de sustento de vida. Ha habido tres períodos de glaciación en el Eón Fanerozoico (Ordovícico, Carbonífero y Cenozoico), cada uno de los cuales duró decenas de millones de años y llevó el hielo hasta el nivel del mar en latitudes medias. Durante estos intervalos de "invernadero" fríos, los niveles del mar eran generalmente más bajos, los niveles de CO2 en la atmósfera eran más bajos, la fotosíntesis neta y el enterramiento de carbono eran más bajos, y el vulcanismo oceánico era menor que durante los intervalos de "invernadero" alternativos. Las transiciones de los intervalos de "invernadero" del Fanerozoico a los intervalos de invernadero coincidieron con crisis bióticas o eventos de extinción catastrófica, lo que indica una retroalimentación complicada entre la biosfera y la hidrosfera. [39]
Los períodos glaciales e interglaciales tienden a alternarse de acuerdo con la oscilación solar y climática hasta que la Tierra finalmente regresa a un estado de invernadero. [15]
El estado actual de la Tierra, conocido como la Edad de Hielo Cuaternaria , comenzó hace aproximadamente 2,58 millones de años. [17] Sin embargo, en la Antártida existe una capa de hielo desde hace aproximadamente 34 millones de años. [17] La Tierra se encuentra ahora en un período interglaciar clemente que comenzó hace aproximadamente 11.800 años. [17] Es probable que la Tierra entre en otro período interglaciar, como el Eemiense , que ocurrió hace entre 130.000 y 115.000 años, durante el cual se pueden observar evidencias de bosques en el Cabo Norte, Noruega, e hipopótamos en los ríos Rin y Támesis. [16] Se espera que la Tierra continúe la transición entre períodos glaciales e interglaciares hasta el cese de la Edad de Hielo Cuaternaria y luego entre en otro estado de invernadero.
Está bien establecido que existe una fuerte correlación entre los niveles bajos de CO2 y un estado de congelación. [18] Sin embargo, eso no significa que la disminución de los niveles atmosféricos de CO2 sea un factor principal de una transición al estado de congelación. [11] [18] Más bien, puede ser un indicador de otros procesos solares, geológicos y atmosféricos en funcionamiento. [18] [10] [11]
Los posibles impulsores de los anteriores estados de glaciares incluyen el movimiento de las placas tectónicas y la apertura y el cierre de las puertas oceánicas. [19] Parecen desempeñar un papel crucial en llevar a la Tierra a un estado de glaciar, ya que los cambios tectónicos dan como resultado el transporte de agua fría y profunda, que circula hacia la superficie del océano y ayuda al desarrollo de la capa de hielo en los polos. [7] Los ejemplos de cambios en las corrientes oceánicas como resultado de la dinámica de las placas tectónicas incluyen la apertura de la Puerta de Tasmania hace 36,5 millones de años, que separó Australia y la Antártida, [20] [21] y la apertura del Pasaje de Drake hace 32,8 millones de años por la separación de Sudamérica y la Antártida , [21] ambos se cree que permitieron el desarrollo de la capa de hielo antártica . El cierre del istmo de Panamá y de la vía marítima de Indonesia hace aproximadamente 3 a 4 millones de años también puede contribuir al actual estado de glaciar de la Tierra. [22] Uno de los impulsores propuestos de la Edad de Hielo del Ordovícico fue la evolución de las plantas terrestres. Bajo ese paradigma, el rápido aumento de la biomasa fotosintética eliminó gradualmente el CO2 de la atmósfera y lo reemplazó con niveles crecientes de O2 , lo que indujo un enfriamiento global. [23] Uno de los impulsores propuestos de la Edad de Hielo del Cuaternario es la colisión del subcontinente indio con Eurasia para formar el Himalaya y la meseta tibetana . [17] Bajo ese paradigma, el levantamiento continental resultante reveló cantidades masivas de roca de silicato no meteorizada CaSiO
3, que reaccionó con CO 2 para producir CaCO
3(cal) y SiO
2(sílice). El CaCO
3Finalmente fue transportado al océano y absorbido por el plancton, que luego murió y se hundió hasta el fondo del océano, lo que eliminó eficazmente el CO2 de la atmósfera. [17]
Dentro de los estados de la cámara de hielo se encuentran los períodos " glaciales " e " interglaciales " que hacen que las capas de hielo se acumulen o retrocedan. Las principales causas de los períodos glaciares e interglaciales son las variaciones en el movimiento de la Tierra alrededor del Sol . [24] Los componentes astronómicos, descubiertos por el geofísico serbio Milutin Milanković y ahora conocidos como ciclos de Milankovitch , incluyen la inclinación axial de la Tierra, la excentricidad orbital (o forma de la órbita ) y la precesión (o bamboleo) de la rotación de la Tierra . La inclinación del eje tiende a fluctuar de 21,5° a 24,5° y viceversa cada 41.000 años en el eje vertical. El cambio en realidad afecta la estacionalidad en la Tierra, ya que un cambio en la radiación solar golpea ciertas áreas del planeta con mayor frecuencia en una inclinación mayor, y una inclinación menor crea un conjunto más uniforme de estaciones en todo el mundo. Los cambios se pueden ver en los núcleos de hielo, que también contienen evidencia de que durante las épocas glaciales (en la extensión máxima de las capas de hielo), la atmósfera tenía niveles más bajos de dióxido de carbono. Esto puede deberse al aumento o la redistribución del equilibrio ácido - base con iones de bicarbonato y carbonato que se ocupan de la alcalinidad . Durante un período de glaciar, solo el 20% del tiempo se pasa en épocas interglaciales o más cálidas. [24] Las simulaciones de modelos sugieren que el estado climático interglacial actual continuará durante al menos otros 100.000 años debido a las emisiones de CO 2 , incluida la desglaciación completa del hemisferio norte. [25]
Una "Tierra bola de nieve" es exactamente lo opuesto a una Tierra de efecto invernadero, en la que la superficie de la Tierra está completamente congelada. Sin embargo, una Tierra bola de nieve técnicamente no tiene capas de hielo continentales como durante el estado de invernadero. Se ha afirmado que la "Gran Edad de Hielo Infracámbrica " fue la anfitriona de un mundo así, y en 1964, el científico W. Brian Harland presentó su descubrimiento de indicios de glaciares en las latitudes bajas (Harland y Rudwick). Esto se convirtió en un problema para Harland debido a la idea de la "Paradoja de la Bola de Nieve Desbocada" (una especie de efecto Bola de Nieve ) según la cual una vez que la Tierra entra en la ruta de convertirse en una Tierra bola de nieve, nunca podría salir de ese estado. Sin embargo, Joseph Kirschvink propuso una solución a la paradoja en 1992. Dado que los continentes estaban entonces apiñados en las latitudes bajas y medias, había menos agua oceánica disponible para absorber la mayor cantidad de energía solar que llegaba a los trópicos, y también hubo un aumento de las precipitaciones porque una mayor cantidad de tierra expuesta a una mayor energía solar podría haber causado una erosión química, que contribuiría a la eliminación de CO 2 de la atmósfera. Ambas condiciones podrían haber causado una caída sustancial en los niveles atmosféricos de CO 2 que resultó en temperaturas de enfriamiento y un aumento del albedo del hielo (reflectividad del hielo de la radiación solar entrante), lo que aumentaría aún más el enfriamiento global (una retroalimentación positiva). Ese podría haber sido el mecanismo para entrar en el estado de Tierra Bola de Nieve. Kirschvink explicó que la forma de salir del estado de Tierra Bola de Nieve podría estar relacionada nuevamente con el dióxido de carbono. Una posible explicación es que durante la Tierra Bola de Nieve, la actividad volcánica no se detendría sino que acumularía CO 2 atmosférico . Al mismo tiempo, la capa de hielo global evitaría la erosión química (en particular la hidrólisis ), responsable de la eliminación de CO 2 de la atmósfera. Por lo tanto, el CO2 se acumuló en la atmósfera. Una vez que la acumulación atmosférica de CO2 alcanzó un umbral, la temperatura aumentaría lo suficiente para que las capas de hielo comenzaran a derretirse. Eso, a su vez, reduciría el efecto albedo del hielo, lo que a su vez reduciría aún más la capa de hielo y permitiría una salida de la Tierra Bola de Nieve. Al final de la Tierra Bola de Nieve, antes de que se restableciera el "termostato" de equilibrio entre la actividad volcánica y la erosión química que se reanudaba lentamente, el CO2en la atmósfera se había acumulado lo suficiente para causar que las temperaturas alcanzaran un pico de hasta 60 °C, empujando a la Tierra a un breve estado de invernadero húmedo. Alrededor del mismo período geológico de la Tierra Bola de Nieve (se debate si fue la causa o el resultado de la Tierra Bola de Nieve), estaba ocurriendo el Gran Evento de Oxigenación (GOE). El evento conocido como la Explosión Cámbrica siguió y produjo los comienzos de organismos bilaterales populosos, así como una mayor diversidad y movilidad en la vida multicelular. [26] Sin embargo, algunos biólogos afirman que una Tierra bola de nieve completa no podría haber sucedido ya que la vida fotosintética no habría sobrevivido bajo muchos metros de hielo sin luz solar . Sin embargo, se ha observado que la luz solar penetra metros de hielo en la Antártida [ cita requerida ] . La mayoría de los científicos [ cita requerida ] ahora creen que una Tierra Bola de Nieve "dura", una completamente cubierta de hielo, es probablemente imposible. Sin embargo, se considera posible una "Tierra bola de nieve", con puntos de apertura cerca del ecuador .
Estudios recientes pueden haber complicado nuevamente la idea de una Tierra bola de nieve. En octubre de 2011, un equipo de investigadores franceses anunció que el dióxido de carbono durante la última especulación sobre la "Tierra bola de nieve" podría haber sido menor que lo que se afirmó originalmente, lo que plantea un desafío para averiguar cómo la Tierra salió de su estado y si se produjo una Tierra bola de nieve o una Tierra bola de nieve. [27]
El Eoceno , que tuvo lugar entre hace 56,0 y 33,9 millones de años, fue el período de temperaturas más cálidas de la Tierra en 100 millones de años. [28] Sin embargo, el período de "superinvernadero" se había convertido finalmente en un período de invernadero a finales del Eoceno. Se cree que la disminución del CO 2 causó el cambio, pero los mecanismos de retroalimentación positiva pueden haber contribuido al enfriamiento.
El mejor registro disponible de una transición de un período de invernadero a uno de invernadero en el que existió vida vegetal es el del período Pérmico , que ocurrió hace unos 300 millones de años. Una transición importante tuvo lugar hace 40 millones de años y provocó que la Tierra pasara de ser un planeta húmedo y helado en el que las selvas tropicales cubrían los trópicos a un lugar cálido, seco y ventoso en el que poco podía sobrevivir. La profesora Isabel P. Montañez de la Universidad de California en Davis , que ha investigado el período de tiempo, descubrió que el clima era "altamente inestable" y que estaba "marcado por caídas y subidas del dióxido de carbono". [29]
La transición del Eoceno al Oligoceno fue la más reciente y ocurrió hace aproximadamente 34 millones de años. Provocó un enfriamiento global rápido, la glaciación de la Antártida y una serie de eventos de extinción biótica. El evento de recambio de especies más dramático asociado con este período es el Gran Golpe de Estado , un período en el que se sustituyó a las especies de mamíferos europeos arborícolas y foliáceos por especies migratorias procedentes de Asia. [30]
La paleoclimatología es una rama de la ciencia que intenta comprender la historia de las condiciones de invernadero y de hielo a lo largo del tiempo geológico. El estudio de los núcleos de hielo , la dendrocronología , los sedimentos oceánicos y lacustres ( varvas ), la palinología ( paleobotánica ), el análisis isotópico (como la datación radiométrica y el análisis de isótopos estables) y otros indicadores climáticos permiten a los científicos crear modelos de los presupuestos energéticos pasados de la Tierra y el clima resultante. Un estudio ha demostrado que los niveles atmosféricos de dióxido de carbono durante la era Pérmica oscilaron entre 250 partes por millón , que está cerca de los niveles actuales, hasta 2000 partes por millón. [29] Los estudios sobre sedimentos lacustres sugieren que el Eoceno de "invernadero" o "superinvernadero" estaba en un "estado permanente de El Niño " después de que el calentamiento de 10 °C del océano profundo y las temperaturas superficiales de alta latitud apagaran El Niño- Oscilación del Sur del Océano Pacífico . [31] Se ha sugerido una teoría para el Máximo Térmico del Paleoceno-Eoceno sobre la disminución repentina de la composición isotópica de carbono del depósito de carbono inorgánico global en 2,5 partes por millón. [32] Una hipótesis planteada para esta caída de isótopos fue el aumento de los hidratos de metano , cuyo detonante sigue siendo un misterio. El aumento del metano atmosférico , que resulta ser un gas de efecto invernadero potente pero de corta duración, aumentó las temperaturas globales en 6 °C con la ayuda del dióxido de carbono, menos potente. [ cita requerida ]
En la actualidad, la Tierra se encuentra en un estado climático de invernadero. Hace unos 34 millones de años, comenzaron a formarse capas de hielo en la Antártida ; las capas de hielo en el Ártico no comenzaron a formarse hasta hace 2 millones de años. [33] Algunos procesos que pueden haber llevado al actual invernadero pueden estar relacionados con el desarrollo de las montañas del Himalaya y la apertura del Pasaje de Drake entre América del Sur y la Antártida, pero las simulaciones de modelos climáticos sugieren que la apertura temprana del Pasaje de Drake jugó solo un papel limitado, y la constricción posterior de las vías marítimas de Tetis y América Central es más importante para explicar el enfriamiento cenozoico observado. [34] Los científicos han tratado de comparar las transiciones pasadas entre el invernadero y el de hielo, y viceversa, para comprender qué tipo de estado climático tendrá la Tierra a continuación.
Sin la influencia humana en la concentración de gases de efecto invernadero, el próximo estado climático sería un período glacial . Los cambios previstos en el forzamiento orbital sugieren que, en ausencia del calentamiento global provocado por el hombre , el próximo período glacial comenzaría al menos dentro de 50.000 años [35] (ver ciclos de Milankovitch ), pero las emisiones de gases de efecto invernadero antropogénicos en curso significan que el próximo estado climático será un período de efecto invernadero en la Tierra. [33] El hielo permanente es en realidad un fenómeno raro en la historia de la Tierra y ocurre solo en coincidencia con el efecto invernadero, que ha afectado a aproximadamente el 20% de la historia de la Tierra.
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