Retroalimentación de la nube

Tipo de mecanismo de retroalimentación del cambio climático

La retroalimentación de las nubes es un tipo de retroalimentación del cambio climático , donde la frecuencia general de las nubes , la altura y la fracción relativa de los diferentes tipos de nubes se alteran debido al cambio climático , y estos cambios luego afectan el balance energético de la Tierra . ^{[1] : 2224} Por sí solas, las nubes ya son una parte importante del sistema climático , ya que consisten en vapor de agua , que actúa como un gas de efecto invernadero y, por lo tanto, contribuye al calentamiento; al mismo tiempo, son brillantes y reflejan el Sol, lo que provoca enfriamiento. ^[2] Las nubes a bajas altitudes tienen un efecto de enfriamiento más fuerte, y las de grandes altitudes tienen un efecto de calentamiento más fuerte. En conjunto, las nubes hacen que la Tierra sea más fría de lo que hubiera sido sin ellas. ^{[3] : 1022}

Si el cambio climático hace que la cobertura de nubes de bajo nivel se vuelva más extendida, entonces estas nubes aumentarán el albedo planetario y contribuirán al enfriamiento, haciendo que la retroalimentación general de las nubes sea negativa (una que desacelera el calentamiento). Pero si las nubes se vuelven más altas y más delgadas debido al cambio climático, entonces la retroalimentación neta de las nubes será positiva y acelerará el calentamiento, ya que las nubes serán menos reflectantes y atraparán más calor en la atmósfera. ^[2] Estos procesos han sido representados en todos los modelos climáticos principales desde la década de 1980 en adelante. ^{[4] [5] [6]} Las observaciones y los resultados de los modelos climáticos ahora brindan una alta confianza en que la retroalimentación general de las nubes sobre el cambio climático es positiva. ^{[7] : 95}

Sin embargo, algunos tipos de nubes son más difíciles de observar, por lo que los modelos climáticos tienen menos datos sobre ellas y hacen diferentes estimaciones sobre su papel. Por lo tanto, los modelos pueden simular la retroalimentación de las nubes como muy positiva o solo débilmente positiva, y estos desacuerdos son la razón principal por la que los modelos climáticos pueden tener diferencias sustanciales en la respuesta climática transitoria y la sensibilidad climática . ^{[3] : 975} En particular, una minoría de los modelos del Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados Fase 6 (CMIP6) han sido noticia antes de la publicación del Sexto Informe de Evaluación (AR6) del IPCC debido a sus altas estimaciones de la sensibilidad climática de equilibrio . ^{[8] [9]} Esto había ocurrido porque estimaron la retroalimentación de las nubes como altamente positiva. ^{[10] [11]} Pronto se descubrió que esos modelos en particular contradecían tanto las observaciones como la evidencia paleoclimática , ^{[12] [13]} y el AR6 utilizó una estimación más realista basada en la mayoría de los modelos y esta evidencia del mundo real en su lugar. ^{[7] : 93  [14]}

Una de las razones por las que ha sido más difícil encontrar un valor exacto de la retroalimentación de las nubes en comparación con los otros es porque los humanos afectan a las nubes de otra manera importante además del calentamiento de los gases de efecto invernadero. Las pequeñas partículas atmosféricas de sulfato , o aerosoles , se generan debido a la misma contaminación del aire con alto contenido de azufre que también causa la lluvia ácida , pero también son muy reflectantes, hasta el punto de que sus concentraciones en la atmósfera causan reducciones en la luz solar visible conocida como oscurecimiento global . ^[15] Estas partículas afectan a las nubes de múltiples maneras, principalmente haciéndolas más reflectantes. Esto significa que los cambios en las nubes causados ​​por los aerosoles pueden confundirse con una evidencia de retroalimentación negativa de las nubes, y separar los dos efectos ha sido difícil. ^[16]

Descripción general

Detalles de cómo las nubes interactúan con la radiación de onda corta y onda larga a diferentes alturas atmosféricas ^[17]

Las nubes tienen dos efectos principales en el balance energético de la Tierra : reflejan la radiación de onda corta de la luz solar hacia el espacio debido a su alto albedo , pero el vapor de agua contenido en su interior también absorbe y reemite la radiación de onda larga enviada por la superficie de la Tierra a medida que se calienta por la luz solar, evitando su escape al espacio y reteniendo esta energía térmica durante más tiempo. ^{[3] : 1022} En meteorología , la diferencia en el balance de radiación causado por las nubes, en relación con las condiciones libres de nubes, se describe como forzamiento de nubes, forzamiento radiativo de nubes (CRF) o efecto radiativo de nubes (CRE) ^[18] En la parte superior de la atmósfera, se puede describir mediante la siguiente ecuación ^[19]

${\displaystyle \Delta R_{TOA}=R_{Average}-R_{Clear}}$

El efecto radiativo neto de las nubes se puede descomponer en sus componentes de onda larga y onda corta. Esto se debe a que la radiación neta es la radiación solar absorbida menos la radiación de onda larga saliente que se muestra en las siguientes ecuaciones

${\displaystyle \Delta R_{TOA}=\Delta Q_{abs}-\Delta OLR}$

El primer término a la derecha es el efecto de nube de onda corta ( Q _abs ) y el segundo es el efecto de onda larga (OLR).

El efecto de las nubes de onda corta se calcula mediante la siguiente ecuación

${\displaystyle \Delta Q_{abs}=(S_{o}/4)\cdot (1-\alpha _{cloudy})-(S_{o}/4)\cdot (1-\alpha _{clear})}$

Donde S _o es la constante solar , ∝ _nublado es el albedo con nubes y ∝ _claro es el albedo en un día claro.

El efecto de onda larga se calcula mediante la siguiente ecuación

${\displaystyle \Delta OLR=\sigma T_{z}^{4}-F_{clear}^{up}}$

Donde σ es la constante de Stefan-Boltzmann , T es la temperatura a la altura dada y F es el flujo ascendente en condiciones despejadas.

Juntando todas estas piezas, la ecuación final se convierte en

${\displaystyle \Delta R_{TOA}=(S_{o}/4)\cdot ((1-\alpha _{cloudy})-(1-\alpha _{clear}))-\sigma T_{z}^{4}+F_{clear}^{up}}$

Atribución de las contribuciones de los componentes atmosféricos individuales al efecto invernadero , separados en categorías de retroalimentación y forzamiento (NASA)

En condiciones secas y sin nubes, el vapor de agua en la atmósfera contribuye con el 67% del efecto invernadero en la Tierra. Cuando hay suficiente humedad para formar una cubierta de nubes típica, el efecto invernadero del vapor de agua "libre" baja al 50%, pero el vapor de agua que ahora está dentro de las nubes asciende al 25%, y el efecto invernadero neto es del 75%. ^[20] Según estimaciones de 1990, la presencia de nubes reduce la radiación de onda larga saliente en aproximadamente 31 W/m ² . Sin embargo, también aumenta el albedo global del 15% al ​​30%, y esto reduce la cantidad de radiación solar absorbida por la Tierra en aproximadamente 44 W/m ² . Por lo tanto, hay un enfriamiento neto de aproximadamente 13 W/m ² . ^[21] Si se eliminaran las nubes y todo lo demás permaneciera igual, la Tierra perdería esta cantidad de enfriamiento y las temperaturas globales aumentarían. ^{[3] : 1022}

El cambio climático aumenta la cantidad de vapor de agua en la atmósfera debido a la relación de Clausius-Clapeyron , en lo que se conoce como la retroalimentación del vapor de agua. ^[22] También afecta a una serie de propiedades de las nubes, como su altura, la distribución típica en toda la atmósfera y la microfísica de las nubes , como la cantidad de gotas de agua retenidas, todo lo cual afecta a su vez al forzamiento radiativo. ^{[3] : 1023} Las diferencias en esas propiedades cambian el papel de las nubes en el presupuesto energético de la Tierra. El nombre de retroalimentación de las nubes se refiere a esta relación entre el cambio climático, las propiedades de las nubes y el forzamiento radiativo de las nubes. ^{[1] : 2224} Las nubes también afectan a la magnitud de la variabilidad climática generada internamente. ^{[23] [24]}

Representación en modelos climáticos

Ejemplos de algunos efectos del calentamiento global que pueden amplificar ( retroalimentaciones positivas ) o reducir ( retroalimentaciones negativas ) el calentamiento global ^[25]

Los modelos climáticos han representado las nubes y los procesos de las nubes durante mucho tiempo. La retroalimentación de las nubes ya era una característica estándar en los modelos climáticos diseñados en la década de 1980. ^{[4] [5] [6]} Sin embargo, la física de las nubes es muy compleja, por lo que los modelos a menudo representan varios tipos de nubes de diferentes maneras, e incluso pequeñas variaciones entre modelos pueden provocar cambios significativos en la respuesta de la temperatura y la precipitación . ^[5] Los científicos del clima dedican mucho esfuerzo a resolver este problema. Esto incluye el Proyecto de intercomparación de modelos de retroalimentación de nubes (CFMIP), donde los modelos simulan los procesos de las nubes en diferentes condiciones y su resultado se compara con los datos de observación. (AR6 WG1, Ch1, 223) Cuando el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático publicó su Sexto Informe de Evaluación ( AR6 ) en 2021, el rango de incertidumbre con respecto a la fuerza de la retroalimentación de las nubes se redujo un 50% desde la época del AR5 en 2014. ^{[7] : 95}

Se sabe que las nubes tropicales tienen un efecto refrescante, pero no se sabe con certeza si se volverá más fuerte o más débil en el futuro ^[17].

Esto se debió a importantes mejoras en la comprensión del comportamiento de las nubes sobre los océanos subtropicales. Como resultado, hubo una alta confianza en que la retroalimentación general de las nubes es positiva (contribuye al calentamiento). ^{[7] : 95} El valor del AR6 para la retroalimentación de las nubes es +0,42 [–0,10 a 0,94] W m–2 por cada 1 °C (1,8 °F) de calentamiento. Esta estimación se deriva de múltiples líneas de evidencia, incluidos tanto modelos como observaciones. ^{[7] : 95} La retroalimentación de la cantidad de nubes altas tropicales es la principal área restante para mejorar. La única forma en que la retroalimentación total de las nubes todavía puede ser ligeramente negativa es si esta retroalimentación, o la retroalimentación de profundidad óptica en las nubes del Océano Austral , se descubre repentinamente que es "extremadamente grande"; la probabilidad de que eso ocurra se considera inferior al 10%. ^{[3] : 975} A partir de 2024, las observaciones más recientes del satélite CALIPSO indican en cambio que la retroalimentación de las nubes tropicales es muy débil. ^{[26] [17]}

A pesar de estas mejoras, las nubes siguen siendo el factor de retroalimentación climática menos comprendido y son la principal razón por la que los modelos estiman valores diferentes para la sensibilidad climática de equilibrio (ECS). La ECS es una estimación del calentamiento a largo plazo (de varios siglos) en respuesta a una duplicación de las concentraciones de gases de efecto invernadero equivalentes al CO ₂ : si las emisiones futuras no son bajas, también se convierte en el factor más importante para determinar las temperaturas del siglo XXI. ^{[7] : 95} En general, la generación actual de modelos climáticos de referencia, CMIP6 , opera con una sensibilidad climática mayor que la generación anterior, y esto se debe en gran medida a que la retroalimentación de las nubes es aproximadamente un 20% más positiva que en CMIP5. ^{[7] : 93  [10]}

Sin embargo, la retroalimentación de nubes media es solo ligeramente mayor en CMIP6 que en CMIP5; ^{[7] : 95} el promedio es mucho más alto solo porque varios modelos "calientes" tienen una retroalimentación de nubes mucho más fuerte y una mayor sensibilidad que el resto. ^{[7] : 93  [14]} Esos modelos tienen una sensibilidad de 5 °C (41 °F) y su presencia había aumentado la sensibilidad media del modelo de 3,2 °C (37,8 °F) en CMIP5 a 3,7 °C (38,7 °F) en CMIP6. ^[11] Estos resultados del modelo habían atraído considerable atención cuando se publicaron por primera vez en 2019, ya que habrían significado un calentamiento más rápido y más severo si fueran precisos. ^{[8] [9]} Pronto se descubrió que el resultado de esos modelos "calientes" es inconsistente tanto con las observaciones como con la evidencia paleoclimática , por lo que el valor de consenso del AR6 para la retroalimentación de nubes es menor que el resultado medio del modelo solo. La mejor estimación de la sensibilidad climática en el AR6 es de 3 °C (37 °F), ya que concuerda mejor con las observaciones y los hallazgos paleoclimáticos. ^{[7] : 93  [12] [13]}

Papel de los aerosoles

La contaminación del aire, incluida la causada por la tala de tierras a gran escala, ha aumentado sustancialmente la presencia de aerosoles en la atmósfera en comparación con los niveles de fondo preindustriales. Los distintos tipos de partículas tienen diferentes efectos y existe una variedad de interacciones en las distintas capas atmosféricas. En general, proporcionan enfriamiento, pero la complejidad hace que sea muy difícil estimar la intensidad exacta del enfriamiento. ^[27]

Los aerosoles atmosféricos (partículas finas suspendidas en el aire) afectan la formación y las propiedades de las nubes, lo que también altera su impacto en el clima. Si bien algunos aerosoles, como las partículas de carbono negro , oscurecen las nubes y, por lo tanto, contribuyen al calentamiento, ^[28] el efecto más fuerte es el de los sulfatos , que aumentan la cantidad de gotitas en las nubes, lo que las hace más reflectantes y las ayuda a enfriar más el clima. Eso se conoce como efecto directo de los aerosoles; sin embargo, los aerosoles también tienen un efecto indirecto en la trayectoria del agua líquida , y determinarlo implica cálculos continuos computacionalmente pesados ​​de evaporación y condensación dentro de las nubes. Los modelos climáticos generalmente asumen que los aerosoles aumentan la trayectoria del agua líquida, lo que hace que las nubes sean aún más reflectantes. ^[16] Sin embargo, las observaciones satelitales tomadas en la década de 2010 sugirieron que los aerosoles disminuyeron la trayectoria del agua líquida, y en 2018, esto se reprodujo en un modelo que integró una microfísica de nubes más compleja. ^[29] Sin embargo, una investigación de 2019 descubrió que las observaciones satelitales anteriores estaban sesgadas al no tener en cuenta que las nubes más espesas y con mayor carga de agua naturalmente llueven más y desprenden más partículas: se observó un enfriamiento por aerosoles muy fuerte al comparar nubes del mismo espesor. ^[30]

Además, las observaciones a gran escala pueden verse confundidas por cambios en otros factores atmosféricos, como la humedad: es decir, se encontró que si bien las mejoras en la calidad del aire posteriores a 1980 habrían reducido la cantidad de nubes sobre la costa este de los Estados Unidos en alrededor del 20%, esto fue compensado por el aumento de la humedad relativa causado por la respuesta atmosférica a la desaceleración de la AMOC . ^[31] De manera similar, mientras que la investigación inicial que analizó los sulfatos de la erupción de Bárðarbunga de 2014-2015 encontró que no causaron ningún cambio en la trayectoria del agua líquida, ^[32] más tarde se sugirió que este hallazgo se vio confundido por cambios contrarrestados en la humedad. ^[31]

Huellas de barcos visibles en el Pacífico Norte, el 4 de marzo de 2009

Para evitar factores de confusión, muchas observaciones de los efectos de los aerosoles se centran en las huellas de los barcos , pero las investigaciones posteriores a 2020 descubrieron que las huellas de los barcos visibles son un mal indicador de otras nubes, y las estimaciones derivadas de ellas sobreestiman el enfriamiento por aerosoles hasta en un 200%. ^[33] Al mismo tiempo, otras investigaciones descubrieron que la mayoría de las huellas de los barcos son "invisibles" para los satélites, lo que significa que las investigaciones anteriores habían subestimado el enfriamiento por aerosoles al pasarlas por alto. ^[34] Finalmente, las investigaciones de 2023 indican que todos los modelos climáticos han subestimado las emisiones de azufre de los volcanes que ocurren en segundo plano, fuera de las grandes erupciones, y, por lo tanto, habían sobreestimado en consecuencia el enfriamiento proporcionado por los aerosoles antropogénicos, especialmente en el clima ártico. ^[35]

Estimaciones de principios de la década de 2010 sobre las emisiones globales de dióxido de azufre de origen antropogénico pasadas y futuras, incluidas las trayectorias de concentración representativas . Si bien ningún escenario de cambio climático puede alcanzar las reducciones máximas factibles (MFR), todos suponen pronunciadas disminuciones con respecto a los niveles actuales. Para 2019, se confirmó que las reducciones de las emisiones de sulfato se producirían a un ritmo muy rápido. ^[36]

Las estimaciones de cuánto afectan los aerosoles al enfriamiento de las nubes son muy importantes, porque la cantidad de aerosoles de sulfato en el aire ha experimentado cambios dramáticos en las últimas décadas. Primero, había aumentado mucho entre los años 1950 y 1980, en gran parte debido a la quema generalizada de carbón con alto contenido de azufre , que causó una reducción observable en la luz solar visible que se había descrito como oscurecimiento global . ^{[15] [37]} Luego, comenzó a disminuir sustancialmente a partir de los años 1990 y se espera que continúe disminuyendo en el futuro, debido a las medidas para combatir la lluvia ácida y otros impactos de la contaminación del aire . ^[38] En consecuencia, los aerosoles proporcionaron un efecto de enfriamiento considerable que contrarrestó o "enmascaró" parte del efecto invernadero de las emisiones humanas, y este efecto también había estado disminuyendo, lo que contribuyó a la aceleración del cambio climático . ^[39]

Los modelos climáticos tienen en cuenta la presencia de aerosoles y su disminución reciente y futura en sus proyecciones, y normalmente estiman que el enfriamiento que proporcionan en la década de 2020 es similar al calentamiento causado por el metano atmosférico añadido por los humanos , lo que significa que las reducciones simultáneas en ambos se cancelarían entre sí. ^[40] Sin embargo, la incertidumbre existente sobre las interacciones entre aerosoles y nubes también introduce incertidumbre en los modelos, en particular cuando se trata de predicciones de cambios en los eventos climáticos en las regiones con un registro histórico más pobre de observaciones atmosféricas. ^{[41] [37] [42] [43]}

Posible ruptura de nubes estratocúmulos ecuatoriales

En 2019, un estudio empleó un modelo de simulación de grandes remolinos para estimar que las nubes estratocúmulos ecuatoriales podrían romperse y dispersarse cuando los niveles de CO2 superen las 1200  ppm (casi tres veces más que los niveles actuales y más de 4 veces más que los niveles preindustriales). El estudio estimó que esto causaría un calentamiento de la superficie de unos 8 °C (14 °F) a nivel mundial y 10 °C (18 °F) en los subtrópicos, que se sumarían a al menos 4 °C (7,2 °F) ya causados ​​por dichas concentraciones de CO2 _. Además, las nubes estratocúmulos no se volverían a formar hasta que las concentraciones de CO2 _cayeran a un nivel mucho más bajo. ^[44] Se sugirió que este hallazgo podría ayudar a explicar episodios pasados ​​de calentamiento inusualmente rápido, como el Máximo Térmico del Paleoceno-Eoceno ^{. [45]} En 2020, trabajos adicionales de los mismos autores revelaron que en su gran simulación de remolinos, este punto de inflexión no se puede detener con la modificación de la radiación solar : en un escenario hipotético donde las emisiones muy altas de CO2 _continúan durante mucho tiempo pero se compensan con una amplia modificación de la radiación solar, la ruptura de las nubes estratocúmulos simplemente se retrasa hasta que las concentraciones de CO2 _alcanzan las 1.700 ppm, momento en el que todavía causaría alrededor de 5 °C (9,0 °F) de calentamiento inevitable. ^[46]

Sin embargo, debido a que los modelos de simulación de grandes remolinos son más simples y de menor escala que los modelos de circulación general utilizados para las proyecciones climáticas, con una representación limitada de los procesos atmosféricos como el hundimiento , este hallazgo se considera actualmente especulativo. ^[47] Otros científicos dicen que el modelo utilizado en ese estudio extrapola de manera poco realista el comportamiento de pequeñas áreas de nubes a todas las capas de nubes, y que es incapaz de simular nada más que una transición rápida, y algunos lo comparan con "una perilla con dos configuraciones". ^[48] Además, las concentraciones de CO2 _solo alcanzarían 1200 ppm si el mundo sigue la Ruta de Concentración Representativa 8.5, que representa el escenario de emisión de gases de efecto invernadero más alto posible e implica una expansión masiva de la infraestructura del carbón . En ese caso, se superarían las 1200 ppm poco después de 2100. ^[47]

Véase también

• Formación de nubes
• El presupuesto energético de la Tierra
• Hipótesis de temperatura fija del yunque

Referencias

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