Unidad 1 – El Sistema Climático
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<strong>Unidad</strong> 1 <strong>–</strong> <strong>El</strong> <strong>Sistema</strong> <strong>Climático</strong><br />
1. Introducción<br />
La clave para entender el cambio climático es comprender primero qué es el<br />
clima y cómo funciona. Este es el propósito de la primer unidad.<br />
<strong>El</strong> sistema climático global es una consecuencia de una conexión entre la<br />
atmósfera, los océanos, las capas de hielo (criosfera), los organismos vivos<br />
(biosfera), los sedimentos y rocas (geosfera). Solo considerando al sistema<br />
climático en estos términos es posible entender el flujo y los ciclos de<br />
energía y materia en la atmósfera y comprender qué es requerido para<br />
investigar las causas y efectos del cambio climático.<br />
Habiendo enfatizado la interconectividad de los elementos que componen el<br />
sistema climático, parece entonces inapropiado dividir una discusión sobre<br />
el mismo en secciones separadas, en donde cada una trate de una distinta<br />
componente del sistema. Sin embargo, sin esta racionalización tal discusión<br />
resultaría muy dificultosa, a la luz de la gran complejidad del sistema<br />
climático. Comenzaremos entonces tratando la atmósfera, y su balance de<br />
energía o ciclo de energía, el balance que en definitiva controla el clima<br />
global. Luego de esto se introducirán las otras componentes del sistema<br />
climático (los océanos, la criosfera, la biosfera y la geosfera) mostrando<br />
como cada una influye el balance de energía atmosférico.<br />
2. La atmósfera, su composición, estructura vertical<br />
La atmósfera es una mezcla de diferentes gases y aerosoles (partículas<br />
sólidas y líquidas suspendidas) colectivamente conocido como aire que<br />
envuelve la tierra, formando un sistema (climático) ambiental integrado con<br />
todas las componentes de la tierra. La atmósfera proporciona varias<br />
funciones, nada menos que sustentar la vida. De primer interés para una<br />
discusión del cambio climático, sin embargo, es su capacidad para controlar<br />
el balance de energía de la tierra. Para comprender este proceso, será<br />
necesario estudiar en más detalle la composición de la atmósfera.<br />
2.1 Composición de la atmósfera<br />
Vamos a considerar primero a los gases de la atmósfera. La Tabla 1.1<br />
ilustra la composición gaseosa promedio del aire seco por debajo de los<br />
25km de altura. Aunque se han detectado oligoelementos (elementos<br />
químicos en muy pequeñas proporciones) bien fuera en el espacio, 99% de<br />
la masa de la atmósfera yace por debajo de unos 25 a 30km de altura,<br />
mientras que el 50% está concentrado en los 5km más bajos (menor altura<br />
que la de Monte Everest).<br />
1
Tabla 1.1. Composición media de la atmósfera debajo de 25km<br />
Componente<br />
Abreviatura<br />
química<br />
% Volumen<br />
(aire seco)<br />
Nitrógeno N2 78.08<br />
Oxigeno O2 20.98<br />
Argón ‡<br />
Ar 0.93<br />
Dióxido de Carbono CO2 0.035<br />
Neón ‡<br />
Ne 0.0018<br />
Helio ‡<br />
He 0.0005<br />
Hidrogeno H 0.00006<br />
Kriptón ‡<br />
Kr 0.0011<br />
Xenón ‡<br />
Xe 0.00009<br />
Metano CH4 0.0017<br />
Ozono †<br />
0.00006<br />
† Estrictamente hablando, la concentración de ozono en la atmósfera es variable.<br />
‡ Gases inertes.<br />
Esta mezcla gaseosa permanece en una composición increíblemente<br />
uniforme, y es el resultado de procesos de reciclado biogeoquímicos y<br />
mezclamiento turbulento en la atmósfera. Los dos gases más abundantes<br />
son el nitrógeno (78% en volumen) y el oxígeno (21% en volumen) y en<br />
conjunto completan más del 99% de la baja atmósfera. No hay evidencias<br />
que los niveles relativos de estos dos gases estén cambiando<br />
significativamente en el tiempo.<br />
A pesar de su relativa escasez, los llamados gases invernadero juegan un<br />
importante papel en la regulación del balance de energía de la tierra.<br />
2.1.1 Dióxido de carbono<br />
<strong>El</strong> dióxido de carbono (CO2) el más importante de estos gases de “poca<br />
importancia”, está involucrado en un complejo ciclo global (ver sección<br />
6.4.1). Es liberado desde el interior de la tierra vía erupciones volcánicas y<br />
por respiración, procesos del suelo, combustión de componentes de carbono<br />
y la evaporación oceánica. A la inversa, es disuelto en los océanos y<br />
consumido durante la fotosíntesis de las plantas. En la actualidad, hay 359<br />
partes por millón en volumen (ppmv) de CO2 en la atmósfera, una<br />
concentración que está continuamente elevándose debido a las emisiones<br />
antropogénicas a partir de la combustión de combustibles fósiles y los<br />
bosques. Las implicaciones de esto se discutirán en la unidad 6.<br />
2.1.2 Metano<br />
<strong>El</strong> metano (CH4) es otro gas invernadero y se produce principalmente por<br />
procesos anaeróbicos (deficientes de oxígeno) tales como el cultivo de arroz<br />
2<br />
O3
anegado o la digestión animal. Es destruido en la atmósfera baja<br />
(troposfera) por reacciones con radicales hidroxilo (OH):<br />
CH4 + OH → CH3 + H2O<br />
Como el CO2, su concentración en la atmósfera está aumentando debido a<br />
las actividades antropogénicas tales como las prácticas agrícolas y los<br />
vertederos de basuras.<br />
2.1.3 Óxido nitroso<br />
<strong>El</strong> óxido nitroso (N2O) es producido por mecanismos biológicos en los<br />
océanos y los suelos y por medios antropogénicos incluyendo la combustión<br />
industrial, el escape de vehículos, la combustión de biomasa y el uso de<br />
fertilizantes químicos. Se destruye por reacciones fotoquímicas (que<br />
involucran la luz solar) en la alta atmósfera (estratosfera).<br />
2.1.4 Ozono<br />
<strong>El</strong> Ozono (O3) en la estratosfera quita mediante filtrado la radiación<br />
ultravioleta dañina del Sol, y protege la vida de la tierna. Recientemente, ha<br />
habido temores de la destrucción de la capa de ozono, principalmente sobre<br />
la Antártida, y luego en forma creciente sobre las regiones Árticas. La<br />
concentración de O3 en la atmósfera no es uniforme, a diferencia de otros<br />
oligoelementos, sino que varía de acuerdo a la altitud. <strong>El</strong> O3 es formado<br />
durante una reacción fotoquímica que involucra la radiación solar<br />
ultravioleta, una molécula de oxígeno y un átomo de oxígeno,<br />
O2 + O + M → O3 + M<br />
Donde M representa el balance de energía y momento suministrado por la<br />
colisión con un tercer átomo o molécula, por ejemplo óxidos de nitrógeno<br />
(NOx). La destrucción del O3 involucra la recombinación con oxígeno<br />
atómico, vía el efecto catalítico de agente tales como radicales OH, NOx y<br />
radicales de cloro (Cl, ClO). La concentración de O3 está determinada por<br />
equilibrio delicadamente balanceado entre la formación y destrucción<br />
natural. Debido a que la tasas de reacción relativa de formación y<br />
destrucción varían con la temperatura y la presión, en consecuencia las<br />
concentraciones de O3 varían con la altitud. La mayoría del ozono se<br />
encuentra en una capa entre 15 a 35Km de altura (ver Figura 1.1) donde<br />
las tasas de reacción relativas de formación y tasas de destrucción son más<br />
conducentes a la formación del O3. <strong>El</strong> temor actual acerca del debilitamiento<br />
del ozono es debido al incremento en la cantidad de agentes (tales como el<br />
Cl) en la atmósfera que aumentan la tasa de destrucción de O3, afectando el<br />
delicado equilibrio existente.<br />
3
2.1.5 Halocarbonos<br />
Figura 1.1. La estructura vertical en la atmósfera<br />
Los halocarbonos son compuestos que contienen carbono, halógenos tal<br />
como el cloro, bromo flúor y algunas veces hidrógeno. Pueden ser<br />
completamente antropogénicos, tal como los CFCs o pueden tener fuentes<br />
naturales, como alguno de los metilhalógenos (ver sección 6.4.4).<br />
Los clorofluorocarbonos (CFCs) son enteramente producidos<br />
antropogénicamente por propelentes de aerosoles, refrigerantes de<br />
heladeras y aire acondicionadores. Son compuestos de moléculas de<br />
carbón, cloro y flúor. Los CFCs son destruidos lentamente por reacciones<br />
fotoquímicas en la alta atmósfera (estratosfera). Los CFCs estuvieron<br />
ausentes de la atmósfera antes de la década de 1930, pero en el último<br />
medio siglo, sus concentraciones han aumentado constantemente. Aunque<br />
sus concentraciones son medidas en partes por trillón (en volumen) son<br />
vistos como una amenaza significativa al calentamiento global futuro.<br />
Poseen largos tiempos de vida atmosféricos medidos en décadas a siglos, y<br />
molécula por molécula, son miles de veces más intensos como gas<br />
invernadero que el CO2 (IPCC). Los halones son especies antropogénicas<br />
similares pero contienen bromo en lugar de cloro.<br />
2.1.6 Otros oligoelementos<br />
Además de estos gases, el vapor de agua (H2O) es un componente<br />
atmosférico vital, promediando el 1% en volumen, con variaciones<br />
significativas tanto en las escalas espaciales como temporales. Su presencia<br />
4
en la atmósfera forma parte del ciclo hidrológico global. <strong>El</strong> vapor de agua,<br />
siendo el más importante de los gases invernaderos naturales a causa de su<br />
abundancia, juega un papel crucial en la regulación del balance de energía<br />
de la atmósfera. A pesar de esto, el volumen total de agua en la atmósfera<br />
es relativamente pequeño y, si precipitara completamente y en forma<br />
pareja sobre toda la tierra, produciría tan solo alrededor de 25 mm de<br />
precipitación. En realidad, por supuesto, la distribución de precipitación es<br />
altamente irregular, debido a los procesos dinámicos internos del sistema<br />
climático global.<br />
Además de los gases de la Tabla 1.1, hay otras especies gaseosas reactivas<br />
producidas por los ciclos del azufre (S), el nitrógeno (N2) y halógenos de<br />
cloro (Cl).<br />
2.1.7 Aerosoles<br />
Las variaciones de la abundancia de los gases invernadero de la atmósfera<br />
tienen el potencial de cambiar el clima global. Variaciones en otro grupo de<br />
especies, denominado aerosoles atmosféricos, puede también afectar el<br />
clima. Los aerosoles son partículas sólidas o líquidas dispersadas en el aire,<br />
e incluyen polvo, hollín, cristales de sal marina, esporas, bacterias, virus y<br />
una plétora de otras partículas microscópicas. Colectivamente, con<br />
frecuencia son referidos como contaminación atmosférica, pero mucho de<br />
los aerosoles tienen un origen natural. Aunque la turbidez de la atmósfera<br />
(la abundancia de aerosoles) varía en cortas escalas de tiempo, por ejemplo<br />
después de una erupción volcánica (sección 2.6.3) en el largo plazo<br />
mantiene un buen estado de equilibrio, debido a los mecanismos naturales<br />
de limpieza del sistema climático de la tierra. No obstante, la limpieza no se<br />
completa nunca y siempre permanece un nivel de fondo de aerosoles<br />
atmosféricos que refleja los procesos dinámicos involucrados con el ingreso<br />
y la remoción de aerosoles. Las fuentes naturales de los aerosoles es<br />
probablemente 4 a 5 veces mayor que las antropogénicas en una escala<br />
global, pero las variaciones regionales de las emisiones antropogénicas<br />
pueden cambiar esta relación significativamente en ciertas áreas,<br />
particularmente en el industrializado hemisferio Norte.<br />
2.2 Estructura vertical de la atmósfera<br />
La mayoría de los constituyentes gaseosos están bien mezclados a través<br />
de la atmósfera. Sin embargo, la atmósfera en si mismo no es físicamente<br />
uniforme pues tiene variaciones significativas en la temperatura y la presión<br />
con la altura. La Figura 1.1 muestra la estructura de la atmósfera, en la que<br />
se definen una serie de capas por las inversiones de la temperatura. La<br />
capa más baja, con frecuencia referida como baja atmósfera, es llamada la<br />
troposfera. Su espesor oscila entre 8 km en los polos y 16 km sobre el<br />
ecuador, mayormente como resultado de diferentes balances de energía en<br />
estas posiciones. Aunque ocurren variaciones, en disminución promedio de<br />
la temperatura con la altura (conocida como gradiente) es de<br />
aproximadamente 6,5ºC por kilómetro. La troposfera contiene hasta el 75%<br />
5
de la masa gaseosa de la atmósfera, así como casi todo el vapor de agua y<br />
aerosoles, mientras que el 99% de la masa atmosférica yace debajo de los<br />
30 km más bajos.<br />
Debido a la estructura de la temperatura de la troposfera, es en esta región<br />
de la atmósfera donde se desarrolla la mayoría de los sistemas de tiempo<br />
del mundo. Estos son en parte conducidos por los procesos convectivos que<br />
son establecidos cuando el aire cálido de superficie (calentado por la<br />
superficie de la tierra) se expande y asciende mientras es enfriado en los<br />
altos niveles de la troposfera.<br />
La tropopausa marca el límite superior de la troposfera, sobre la cual la<br />
temperatura permanece constante antes de comenzar a aumentar de nuevo<br />
por sobre los 20 km. Esta inversión de temperatura previene un mayor<br />
convección del aire, confinando entonces la mayoría de los sistemas de<br />
tiempo del globo a la troposfera.<br />
La capa por sobre la tropopausa en la que la temperatura comienza a<br />
ascender es conocida como estratosfera. A través de esta capa, la<br />
temperatura continúa elevándose hasta cerca de una altura de 50 km,<br />
donde el aire rarificado puede alcanzar temperaturas cercanas a 0º C. Esta<br />
elevación de la temperatura es causada por la absorción de radiación solar<br />
ultravioleta por la capa de ozono (ver sección 1.2.1). Un perfil de<br />
temperaturas como este crea condiciones muy estables y la estratosfera<br />
carece de la turbulencia que es tan prevaleciente en la troposfera.<br />
La estratosfera está tapada por la estratopausa, otra inversión de<br />
temperatura que aparece a alrededor de los 50 km. Sobre esta yace la<br />
mesosfera hasta alrededor de los 80 km a través de la cual la temperatura<br />
cae de nuevo hasta casi <strong>–</strong>100º C. Por sobre los 80 km la temperatura se<br />
eleva continuamente (la termosfera) hasta bien más de 1000º C, aunque<br />
debido a la naturaleza altamente rarificada de la atmósfera a estas alturas,<br />
dichos valores no son comparables a los de las troposfera o la estratosfera.<br />
2.3 Leyes de radiación<br />
La atmósfera terrestre tiene una influencia importante sobre el balance de<br />
energía del sistema climático global. Esto está determinado por los procesos<br />
termodinámicos involucrados en las transferencias de energía solar y<br />
terrestre.<br />
La principal fuente de energía de la tierra es el sol, que produce radiación<br />
electromagnética a partir de reacciones de fusión nuclear que involucra al<br />
hidrógeno en su núcleo. La radiación emitida desde su superficie tiene una<br />
temperatura de aproximadamente 5800 Kelvin (K). La radiación es emitida<br />
sobre un espectro de longitudes de onda, con una cantidad específica de<br />
energía para cada longitud de onda, calculada mediante el uso de la ley de<br />
Planck:<br />
E<br />
5 ( b λT<br />
)<br />
λ = a [ λ { e −1}<br />
]<br />
(1)<br />
6
donde Eλ es la cantidad de energía (Wm -2 µm -1 ) emitida a una longitud de<br />
onda λ (µm) por un cuerpo a una temperatura T (K) con a y b como<br />
constantes. Esto asume que el sol es un cuerpo radiador perfecto (negro).<br />
Diferenciando la ecuación (1) (ley de Planck) es posible determinar la<br />
longitud de onda de máxima emisión de radiación del sol:<br />
λ = 2897 / T (2)<br />
Esta es la ley de Wien y para T = 5800 K (la temperatura de la superficie<br />
solar) la longitud de onda de máxima energía es aproximadamente 0,5 µm.<br />
Esto representa radiación en la parte visible del espectro.<br />
Integrando la ecuación 1, se puede determinar la energía total emitida por<br />
el sol, que está dada por la ley de Stefan-Boltzman:<br />
E Total<br />
= σT<br />
donde σ es la constante de Stefan-Boltzman. Resolviendo la ecuación (3)<br />
para la temperatura solar de 5800 K revela una salida total de energía de<br />
alrededor de 64 millones de Wm -2 .<br />
La radiación solar se dispersa uniformemente en todas las direcciones.<br />
Después de viajar unos 150 millones de kilómetros solo una pequeñísima<br />
fracción de la energía emitida por el sol es interceptada por la tierra. Por lo<br />
tanto, el flujo de energía que llega al tope de la atmósfera terrestre es<br />
muchos órdenes de magnitud menor que el que deja el sol. Las últimas<br />
medidas de satélites indican un valor de 1368 Wm -2 para la energía recibida<br />
en el tope de la atmósfera sobre una superficie perpendicular al rayo solar.<br />
Este es conocido como constante solar.<br />
La figura 1.2 muestra la solución ideal a la ley de Planck, ecuación (1), para<br />
el espectro de energía que llega al tope de la atmósfera de la tierra. <strong>El</strong><br />
punto más alto de la curva representa la longitud de onda del mayor flujo<br />
de energía (0,5 µm) según se calcula por la ley de Wien, ecuación (2),<br />
mientras el área bajo la curva representa la cantidad total de energía<br />
recibida (1368 Wm -2 ) calculado por la ley de Stefan-Boltzman, ecuación (3).<br />
<strong>El</strong> 8% del flujo de energía está en la parte ultravioleta del espectro,<br />
mientras el 39% es radiación visible.<br />
Las ecuaciones (1), (2) y (3) pueden resolverse nuevamente para la tierra a<br />
una temperatura de 255 K (18º C) asumiendo que la tierra es un cuerpo<br />
radiativamente perfecto (negro). Ya que la tierra es mucho más fría que el<br />
sol, su energía radiante está en una mayor longitud de onda, la parte<br />
infrarroja invisible del espectro.<br />
La Figura 1.2 también muestra una curva de Planck ideal similar para la<br />
tierra a 255 K. Esta sería la temperatura promedio para una tierra sin<br />
atmósfera, llamada la temperatura de radiación efectiva. Es la temperatura<br />
7<br />
4<br />
(3)
a la cual la energía recibida por la tierra desde el sol balancea la energía por<br />
la tierra de regreso en el espacio.<br />
Figura 1.2. Distribución espectral de la radiación solar que alcanza la tierra y la<br />
radiación terrestre que deja la tierra.<br />
2.4 <strong>El</strong> balance de energía de la atmósfera<br />
La tierra, sin embargo, si tiene atmósfera (sección 1.2.1) y esta afecta su<br />
balance de energía. La temperatura global promedio es, en efecto 288º K o<br />
15º C, 33 K más caliente que la temperatura de radiación efectiva.<br />
Aunque la tierra y el sol se comportan aproximadamente como cuerpos<br />
negros, este no es el caso para los gases que componen la atmósfera<br />
terrestre. Ciertos gases atmosféricos absorben radiación a algunas<br />
longitudes de onda pero permiten que pase la radiación si impedimento a<br />
otras longitudes de onda.<br />
La absorción de energía por un gas particular ocurre cuando la frecuencia<br />
de la radiación electromagnética es similar a la de la frecuencia vibracional<br />
molecular del gas en cuestión. La atmósfera es mayormente transparente<br />
(poca absorción) en la parte visible del espectro, pero hay significativa<br />
absorción de radiación ultravioleta (radiación solar de onda corta entrante)<br />
por el ozono, y radiación infrarroja (radiación terrestre saliente de onda<br />
larga) por el vapor de agua, el dióxido de carbono y otros oligoelementos<br />
gaseosos. Esto se muestra en la Figura 1.2.<br />
8
La absorción de radiación infrarroja terrestre es particularmente importante<br />
para el balance de energía de la atmósfera terrestre. Dicha absorción por<br />
los oligoelementos gaseosos calienta la atmósfera, estimulándola a que<br />
emita más radiación de onda larga. Algo de ésta es liberado al espacio<br />
(generalmente a niveles más altos, más fríos de la atmósfera) mientras la<br />
mayoría es reirradiada de vuelta a la tierra. <strong>El</strong> efecto neto de esto es que la<br />
tierra almacena más energía cerca de su superficie que lo que sería si no<br />
existiera atmósfera, en consecuencia la temperatura es más alta en alredor<br />
de 33 K.<br />
Este proceso es popularmente conocido como efecto invernadero. <strong>El</strong> vidrio<br />
en un invernadero, es transparente a la radiación solar, pero opaco a la<br />
radiación infrarroja terrestre. <strong>El</strong> vidrio actúa como alguno de los gases<br />
atmosféricos y absorbe la energía saliente. La mayor parte de esta energía<br />
es entonces reemitida de vuelta hacia dentro del invernadero causando la<br />
elevación de la temperatura interior. En realidad, un invernadero es más<br />
caliente que cualquier de las consideraciones radiativas. No obstante, el<br />
término se ha conservado, en gran medida como resultado de la cobertura<br />
de los medios.<br />
En consecuencia, los gases de la atmósfera que absorben la radiación<br />
infrarroja saliente son conocidos como gases invernadero e incluyen al<br />
dióxido de carbono, el vapor de agua, el óxido nitroso, el metano y el<br />
ozono. Todos los gases tienen moléculas cuya frecuencia vibracional cae en<br />
la parte infrarroja del espectro. A pesar de la considerable absorción por<br />
estos gases invernadero, hay una ventana atmosférica a través de la cual la<br />
radiación infrarroja terrestre puede pasar. Esto ocurre a alrededor de 8 a 13<br />
µm, y su gradual cerramiento es uno de los efectos de las emisiones<br />
antropogénicas de los gases invernadero (capítulo 6).<br />
Así como absorben radiación solar y terrestre, los gases en la atmósfera,<br />
junto con los aerosoles (ver sección 1.2.1) también dispersan radiación. De<br />
gran importancia es la dispersión de la radiación solar entrante, porque<br />
esto, también altera el balance de energía global de la atmósfera. Ocurre<br />
dispersión cuando un fotón alcanza un obstáculo sin ser absorbido. La<br />
dispersión cambia solo la dirección de la trayectoria de ese fotón. Las<br />
moléculas de gas, con pequeños tamaños relativos a la longitud de onda de<br />
la radiación incidente causa la dispersión en todas las direcciones, tanto<br />
hacia delante como hacia atrás, conocida como dispersión de Rayleigh. Los<br />
aerosoles cuyo tamaño es comparable a la radiación incidente causa la<br />
dispersión de Mie, que es mayormente en la dirección hacia delante. Se<br />
puede ver que cambios en el contenido de los aerosoles atmosféricos<br />
podrían afectar el balance de energía, teniendo implicaciones para el estado<br />
del clima global. Se regresa a esto en la sección 2.6.5.<br />
La Figura 1.3 resume esquemáticamente la transferencia de energía global<br />
discutida. La energía que arriba al tope de la atmósfera comienza una<br />
cascada de energía que involucra numerosas transformaciones. Una vez<br />
dentro de la atmósfera, algo de la radiación solar (onda corta) es absorbido<br />
por gases en la atmósfera (p.ej. ozono), algo es dispersado, algo es<br />
absorbido por la superficie de la tierra y algo es reflejado directamente de<br />
vuelta al espacio ya sea por las nubes o por la misma superficie. La<br />
9
cantidad de radiación de onda corta reflejada depende de un factor conocido<br />
como el albedo (o reflectividad). <strong>El</strong> albedo varía de acuerdo a la superficie.<br />
<strong>El</strong> hielo y ciertas nubes tienen un albedo alto (0,6 a 0,9) mientras los<br />
océanos generalmente tienen un bajo albedo (0,1). Para toda la tierra este<br />
promedia unos 0,30, significando que el 30% de la radiación entrante es<br />
reflejada.<br />
De la radiación terrestre (onda larga reemitida desde la superficie de la<br />
tierra, la mayor parte es reabsorbida por los gases invernadero y solo un<br />
poco escapa directamente a través de la ventana atmosférica. La radiación<br />
de onda larga reemitida desde la atmósfera (gases invernadero, nubes) es o<br />
regresada a la superficie de la tierra o liberada en el espacio. <strong>El</strong> resultado<br />
neto de este efecto invernadero es elevar la cantidad de energía<br />
almacenada cerca de la superficie de la tierra, con un consecuente<br />
incremento de la temperatura. También hay flujos de calor adicional<br />
asociados con la evaporación transpiración que balancean los flujos de<br />
energía que entra y sale de todas las partes del sistema atmósfera<strong>–</strong>tierra.<br />
Figura 1.3. <strong>El</strong> balance de energía de la tierra<strong>–</strong>atmósfera<br />
2.5 Transferencias horizontales de energía<br />
La Figura 1.3 ilustra cómo las transferencias de la energía del sistema<br />
tierra<strong>–</strong>atmósfera están en equilibrio. En una escala global y sobre un<br />
período de tiempo de varios días y mas esta asunción es válida y es<br />
adecuada para comprender las causas del cambio climático cubiertas en el<br />
capítulo 2. Sin embargo, el mundo real es más complejo que esto.<br />
10
Si los flujos de energía son calculados para diferentes áreas sobre el globo,<br />
uno encuentra que entre 40º N y 35º S la radiación solar entrante es mayor<br />
que la radiación terrestre saliente. En todo otro lugar (p.ej. cerca de los<br />
polos), hay un déficit de radiación neta, esto es, más radiación se pierda<br />
que la que es recibida (Figura 1.4)<br />
Figura 1.4. Balance de radiación latitudinal neta<br />
Para restablecer el equilibrio a este balance existe un intercambio<br />
meridional de calor desde los trópico a los polos (Figura 1.5). Si esta<br />
transferencia de energía no ocurriera, el ecuador sería 14º C más caliente<br />
que el promedio actual, mientras que el Polo Norte sería 25º C más frío.<br />
Figure 1.5. Flujo latitudinal de energía hacia el polo<br />
11
Esta transferencia de energía ocurre de diversas formas, involucrando el<br />
movimiento de calor sensible (procesos de convección causados por<br />
calentamiento, elevación y dispersión del aire de superficie), calor lante<br />
(procesos de evapotranspiración que involucran la evaporación del<br />
evaporación de vapor de agua desde el océano y transpiración desde las<br />
plantas) y corrientes oceánicas (sección 1.3).<br />
Así como este movimiento de energía calórica, hay otras transferencias que<br />
ocurren y deben ser balanceada de acuerdo a los principios termodinámicos<br />
y físicos. Estas incluyen la transferencia y balance de masa, momento y<br />
humedad. <strong>El</strong> movimiento de calor involucra movimiento de aire (calor<br />
sensible) y humedad o vapor de agua (evapotranspiración). Si un paquete<br />
de aire se mueve desde de el ecuador hacia los polos, este aire debe ser<br />
reemplazado por aire más frío que regresa desde los polo, que ha liberado<br />
su calor. En otras palabras, los flujos de masas de aire en localidades<br />
especificas a lo largo de la tierra deben estar en equilibrio. Por un<br />
razonamiento similar, también los flujos de humedad y momento deben<br />
estar balanceados.<br />
Figure 1.6. Circulación atmosférica simple<br />
<strong>El</strong> cuadro es más complicado por la rotación de la tierra, que introduce una<br />
Fuerza de Coriolis sobre el movimiento de la atmósfera, y la inclinación del<br />
eje de rotación de la tierra, que afecta la distribución estacional y latitudinal<br />
de la radiación solar. Sin embargo, estos fenómenos son mas cubiertos<br />
normalmente en los cursos de meteorología, que están más allá del<br />
propósito de este seminario. La Figura 1.6, esquematiza una circulación de<br />
la atmósfera terrestre rudimentaria.<br />
2.6 Resumen<br />
Son principalmente los flujos de energía pero también los de humedad,<br />
momento y masa los que determinan el estado de nuestro clima. Los<br />
factores que influencian estos, en una escala global, pueden ser<br />
12
considerados como causas del cambio climático global. Hasta ahora, sin<br />
embargo, solo se han considerado los flujos entrantes, salientes y dentro de<br />
la atmósfera. En la introducción, no obstante se resaltó que la atmósfera<br />
forma solo una componente principal del sistema climático. Antes de buscar<br />
las causas del cambio climático, vale la pena entonces dedicar un poco de<br />
tiempo a las otras componentes del sistema climático (los océanos, la<br />
criosfera, la biosfera y la geosfera) y como operan los flujos de energía,<br />
humedad, momento y masa entre ellas.<br />
3. Otras componentes del sistema climático<br />
3.1 Los océanos<br />
En la sección 1.2.5 se aclaró que la atmósfera no responde como un<br />
sistema aislado. Como el de la atmósfera, el estado termodinámico de los<br />
océanos está determinado por la transferencia de calor, momento y<br />
humedad hacia y desde la atmósfera. Ignorando por el momento otras<br />
componentes del sistema climático, estos flujos dentro de este sistema<br />
acoplado océano-atmósfera están en equilibrio.<br />
<strong>El</strong> momento es transferido a los océanos por los vientos superficiales, dando<br />
así movimiento a las corrientes oceánicas superficiales. Las corrientes<br />
oceánicas superficiales ayudan en la transferencia latitudinal de calor<br />
sensible en una forma similar a la de los procesos que ocurren en la<br />
atmósfera. Agua cálida se mueve hacia el polo mientras agua fría regresa<br />
hacia el ecuador. La energía es también transferida mediante la humedad.<br />
<strong>El</strong> agua evaporada desde la superficie de los océanos almacena calor latente<br />
que es posteriormente liberado con el vapor de agua se condensa para<br />
formar nubes y precipitación.<br />
La trascendencia del océano está en que almacena mucho mayor cantidad<br />
de energía que la atmósfera. Esto es debido a su mayor capacidad calórica<br />
(4,2 veces la de la atmósfera) y su mucho mayor densidad (1000 veces la<br />
del aire). La estructura vertical del océano (Figura 1.7) puede dividirse en<br />
dos capas que difieren en la escala de sus interacciones con la atmósfera<br />
que yace por encima. La capa más baja comprende la esfera de agua<br />
profunda fría, que constituye el 80% del volumen del océano. La capa<br />
superior, una esfera de agua mezclada se extiende hasta los 100 m de<br />
profundidad en los trópicos, pero a varios kilómetros en las regiones<br />
polares. Solo la capa límite estacional almacena aproximadamente 30 veces<br />
más calor que la atmósfera. Por lo tanto para un cambio dado en el<br />
contenido calórico del sistema tierra-atmósfera, el cambio en la<br />
temperatura de la atmósfera será alrededor de 30 veces mayor que en el<br />
océano. Claramente entonces, pequeños cambios en el contenido de energía<br />
de los océanos podrá tener considerables efectos sobre el clima global.<br />
Los cambios de energía también ocurren verticalmente dentro de los<br />
océanos, entre la capa límite mezclada y la esfera de agua profunda (Figura<br />
1.7). La sal marina permanece en el agua durante la formación de hielo<br />
marino en las regiones polares, con el efecto de incrementar la salinidad de<br />
los océanos. Esta agua fría salina es particularmente densa y se hunde,<br />
13
transportando con ella una considerable cantidad de energía. Para mantener<br />
el equilibrio de los flujos de agua (masa) existe una circulación global<br />
termohalina, que juega un importante papel en la regulación del clima<br />
global. Se ha propuesto que cambios en la circulación termohalina influyen<br />
cambios del clima en escalas de tiempo de milenios (capítulo 5).<br />
3.2 La criosfera<br />
Figura 1.7. Estructura vertical y circulación de los océanos<br />
La criosfera consiste de aquellas regiones del globo, tanto en tierra como en<br />
el mar, cubiertas por nieve y hielo. Estas incluyen la Antártida, el océano<br />
Ártico, Groenlandia, Norte de Canadá, Norte de Siberia y la mayoría de las<br />
altas cadenas de montañas alrededor del mundo, donde la temperaturas<br />
bajo cero persisten durante todo el año. La criosfera juega otro importante<br />
papel en la regulación del sistema del clima global.<br />
La nieve y el hielo tienen un alto albedo (reflectividad) que significa que<br />
refleja la mayoría de la radiación solar que recibe. Algunas partes de la<br />
Antártida reflejan tanto como el 90% de radiación solar, comparado con un<br />
promedio global del 31% (ver sección 1.4). Sin la criosfera, el albedo global<br />
sería considerablemente más bajo. La mayor parte de la energía sería<br />
absorbida por la superficie de la tierra en lugar de ser reflejada y en<br />
consecuencia la temperatura de la atmósfera sería más alta. En realidad,<br />
durante el período Cretácico (120 a 65 millones de años atrás) la evidencia<br />
sugiere que hubo menos o nada de cobertura de hielo y nieve, aun en los<br />
polos y las temperaturas globales fueron de al menos 8 a 10º C superiores<br />
que hoy.<br />
La criosfera también actúa para desacoplar la atmósfera y los océanos,<br />
reduciendo la transferencia de humedad y momento, por lo tanto,<br />
estabilizando las transferencias de energía dentro de la atmósfera. La<br />
formación de hielo marino en las regiones polares (sección 1.3.1) puede<br />
iniciar patrones de circulación termohalina global en los océanos, que<br />
14
influyen en gran medida el sistema climático global. Finalmente, la<br />
presencia de la criosfera en sí afecta marcadamente el volumen de los<br />
océanos y los niveles globales del mar, cuyos cambios pueden afectar el<br />
balance de energía del sistema climático.<br />
3.3 La biosfera<br />
La vida puede encontrarse en cualquier medio ambiente existente en la<br />
tierra. No obstante, en una discusión del sistema climático, es conveniente<br />
referirse a la biosfera como una componente discreta, como la atmósfera,<br />
los océanos y la criosfera.<br />
La biosfera, tanto sobre la tierra y en los océanos, afecta el albedo de la<br />
superficie de la tierra. Grandes áreas de bosques continentales tienen<br />
relativamente bajos albedos comparados a las regiones yermas tales como<br />
los desiertos. <strong>El</strong> albedo de los bosques de hojas caducas es de alrededor de<br />
0,15 a 0,18 mientras que para los bosques de coníferas es de 0,09 a 0,15.<br />
La selva tropical refleja aún menos energía, aproximadamente 7 a 15% de<br />
lo que recibe. En comparación, el albedo de un desierto de arena es de<br />
alrededor de 0,3. Claramente, la presencia de bosques continentales afecta<br />
el balance de energía del sistema climático.<br />
La biosfera también influye los flujos de ciertos gases invernadero tales<br />
como el dióxido de carbono y el metano. <strong>El</strong> plancton en la superficie de los<br />
océanos utiliza el carbón disuelto para la fotosíntesis. Esto establece un<br />
flujo de dióxido de carbono, en donde los océanos efectivamente “absorben”<br />
el gas de la atmósfera. Al morir, el plancton se hunde, transportando el<br />
dióxido de carbono al océano profundo. Esta productividad primaria reduce<br />
al menos cuatro veces la concentración atmosférica de dióxido de carbono,<br />
debilitando significativamente el efecto natural de la tierra.<br />
La biosfera también influencia la cantidad de aerosoles en la atmósfera.<br />
Millones de esporas, virus, bacterias, polen y otras especies orgánicas<br />
minutas son transportadas dentro de la atmósfera por los vientos, donde<br />
pueden dispersar radiación solar entrante y por lo tanto influenciar el<br />
balance de energía global (ver sección 1.2.4). La productividad primaria en<br />
los océanos resulta en la emisión de componentes conocidos como dimetil<br />
sulfatos (DMSs). En la atmósfera estos componentes se oxidan para formar<br />
aerosoles sulfatos llamados sulfatos de sal no marina (nss). Estos sulfatos<br />
nss actúan como núcleos de condensación para el vapor de agua en la<br />
atmósfera, permitiendo así la formación de nubes. Las nubes tienen un<br />
efecto muy complejo sobre el balance de energía del sistema climático (ver<br />
sección 2.7). Tales cambios en la productividad primaria en los océanos<br />
pueden afectar, indirectamente, el sistema climático global.<br />
Hay, por supuesto, muchos otros mecanismos y procesos que acoplan la<br />
biosfera con el resto del sistema climático, pero la discusión ha ilustrado las<br />
mayores influencias de la biosfera sobre el sistema climático global.<br />
15
3.4 La geosfera<br />
La quinta y final componente del sistema climático global es la geosfera,<br />
consistente de los suelos, los sedimentos y rocas de las masas terrestres de<br />
la tierra, la corteza continental y oceánica y finalmente, el interior mismo de<br />
la tierra. Cada una de estas partes de la geosfera juega un papel en la<br />
regulación y variación del clima global, en una mayor o menor extensión,<br />
sobre variadas escalas temporales.<br />
Variaciones en el clima global sobre decenas de millones incluso cientos de<br />
millones de años son debidas a modulaciones dentro del interior de la tierra.<br />
Cambios en la forma de las cuencas oceánicas y el tamaño de las cadenas<br />
de montañas continentales (impulsado por los procesos tectónicos de<br />
placas) pueden influir las transferencias de energía dentro y entre las<br />
componentes acopladas del sistema climático.<br />
En escalas de tiempo más cortas los procesos físicos y químicos afectan<br />
ciertas características del suelo, tales como la disponibilidad de humedad y<br />
el escurrimiento de agua y los flujos de gases invernadero y aerosoles hacia<br />
la atmósfera y los océanos. <strong>El</strong> vulcanismo, aunque motivado por el lento<br />
movimiento de placas tectónicas, ocurre regularmente en escalas de tiempo<br />
más cortas. Las erupciones volcánicas reponen el dióxido de carbono en la<br />
atmósfera, removido por la biosfera y emiten considerables cantidades de<br />
polvo y aerosoles (ver sección 2.6.3). La actividad volcánica puede por lo<br />
tanto afectar el balance de energía y la regulación del sistema climático<br />
global.<br />
4. Conclusión<br />
Figura 1.8. <strong>El</strong> sistema climático global y sus transferencias de energía<br />
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<strong>El</strong> estado general del clima global está determinado por los balances de<br />
radiación solar y terrestre (ver Figura 1.3). La regulación de este balance de<br />
energía depende de los flujos de energía, humedad, masa y momento<br />
dentro del sistema climático global, constituido por 5 componentes, la<br />
atmósfera, los océanos, la criosfera, la biosfera y la geosfera. Esto está<br />
esquematizado en la Figura 1.8.<br />
Discutiblemente hay un sexto componente, un sistema antropogénico, la<br />
humanidad. En los últimos 200 años, a través de la incrementada utilización<br />
de los recursos del planeta, los humanos han comenzado a influir el sistema<br />
climático, primariamente incrementando el efecto invernadero natural. La<br />
unidad 6 analiza el tema del cambio climático contemporáneo. La próxima<br />
unidad examina alguna de las causas del cambio climático, con referencia al<br />
sistema del clima global discutido en este capítulo.<br />
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