8.5: Cambio climático

Si algo ha sido constante sobre el clima de la Tierra a lo largo del tiempo geológico, es su cambio constante. En el registro geológico, podemos ver esto en la evidencia de glaciaciones en el pasado distante, y también podemos detectar períodos de calor extremo al observar la composición isotópica de los sedimentos del fondo marino. No sólo el clima ha cambiado frecuentemente, las fluctuaciones de temperatura han sido muy significativas. La temperatura global media actual es de aproximadamente 15°C, sin embargo, durante sus períodos más fríos, la media global fue tan fría como -50°C, mientras que en diversas épocas durante el Paleozoico y Mesozoico y durante el máximo térmico Paleoceno-Eoceno, estuvo cerca de 30°C.

Hay dos partes al cambio climático, la primera se conoce como forzamiento climático, que es cuando las condiciones cambian para darle al clima un pequeño empujón en una dirección u otra. La segunda parte del cambio climático, y la que normalmente realiza la mayor parte del trabajo, es lo que llamamos retroalimentación. Cuando un forzamiento climático cambia un poco el clima, se produce toda una serie de cambios ambientales, muchos de los cuales o exageran el cambio inicial (retroalimentación positiva), o suprimen el cambio (retroalimentación negativa).

Un ejemplo de mecanismo de forzamiento climático es el incremento en la cantidad de dióxido de carbono (CO ₂) en la atmósfera que resulta de nuestro uso de combustibles fósiles. El CO ₂ atrapa el calor en la atmósfera y conduce al calentamiento climático. El calentamiento cambia los patrones de la vegetación; contribuye al derretimiento de la nieve, el hielo y el permafrost; hace que el nivel del mar suba; reduce la solubilidad del CO ₂ en el agua de mar; y tiene otros efectos menores. La mayoría de estos cambios contribuyen a un mayor calentamiento. El derretimiento del permafrost, por ejemplo, es una fuerte retroalimentación positiva porque el suelo congelado contiene materia orgánica atrapada que se convierte en CO ₂ y metano (CH ₄) cuando el suelo se descongela. Ambos gases se acumulan en la atmósfera y se suman al efecto de calentamiento. Por otro lado, si el calentamiento provoca un mayor crecimiento de la vegetación, esa vegetación debería absorber CO ₂, reduciendo así el efecto de calentamiento, lo que sería una retroalimentación negativa. Bajo nuestras condiciones actuales —un planeta que todavía tiene mucho hielo glacial y permafrost— la mayoría de las reacciones que resultan de un clima cálido son retroalimentaciones positivas y por lo tanto los cambios climáticos que causamos se amplifican naturalmente por los procesos naturales.

Forzar el clima natural

El forzamiento climático natural ha estado ocurriendo a lo largo del tiempo geológico. Una amplia gama de procesos ha estado operando en escalas de tiempo muy diferentes, desde unos pocos años hasta miles de millones de años. La variación de forzamiento natural a más largo plazo está relacionada con la evolución del Sol. Como la mayoría de las otras estrellas de una masa similar, nuestro Sol está evolucionando. Durante los últimos 4.6 mil millones de años, su tasa de fusión nuclear ha ido en aumento, y ahora está emitiendo alrededor de 40% más de energía (como luz) que a principios de la época geológica. Una diferencia del 40% es grande, por lo que es un poco sorprendente que la temperatura en la Tierra se haya mantenido a una temperatura razonable y habitable durante todo este tiempo. El mecanismo para esa relativa estabilidad climática ha sido la evolución de nuestra atmósfera de una que estuvo dominada por CO ₂, y también tuvo niveles significativos de CH ₄ —ambos gases de efecto invernadero— a uno con solo unos pocos cientos de partes por millón de CO ₂ y poco menos de 1 parte por millón de CH ₄. Esos cambios en nuestra atmósfera no han sido accidentales; a lo largo del tiempo geológico, la vida y sus procesos metabólicos han evolucionado (como la evolución de bacterias fotosintéticas que consumen CO ₂) y han cambiado la atmósfera a condiciones que se mantuvieron lo suficientemente frías para ser habitable.

La posición de la Tierra en relación con el Sol es otro componente importante del forzamiento natural del clima. La órbita de la Tierra alrededor del Sol es casi circular, pero como todos los sistemas físicos, tiene oscilaciones naturales. Primero, la forma de la órbita cambia en una escala de tiempo regular (cercana a los 100.000 años) de estar cerca de circular a ser muy ligeramente elíptica. Pero la circularidad de la órbita no es lo que importa; es el hecho de que a medida que la órbita se vuelve más elíptica, la posición del Sol dentro de esa elipse se vuelve menos central o más excéntrica (Figura\(\PageIndex{1}\) a). La excentricidad es importante porque cuando es alta, la distancia Tierra-Sol varía más de una estación a otra que cuando la excentricidad es baja.

Figura\(\PageIndex{1}\) Componentes de los ciclos Milankovitch, que influyen en el clima global a lo largo de miles de años (Steven Earle, “Physical Geology”).

Segundo, la Tierra gira alrededor de un eje a través de los polos Norte y Sur, y ese eje forma un ángulo con el plano de la órbita terrestre alrededor del Sol (Figura\(\PageIndex{1}\) b). El ángulo de inclinación (también conocido como oblicuidad) varía en una escala de tiempo de 41,000 años. Cuando el ángulo está en su máximo (24.5°), se acentúan las diferencias estacionales de la Tierra. Cuando el ángulo está en su mínimo (22.1°), se minimizan las diferencias estacionales. La hipótesis actual es que la glaciación se ve favorecida a bajas diferencias estacionales ya que los veranos serían más fríos y la nieve tendría menos probabilidades de derretirse y más probabilidades de acumularse de año en año. Tercero, la dirección en la que apunta el eje de rotación de la Tierra también varía, en una escala de tiempo de aproximadamente 20,000 años (Figura\(\PageIndex{1}\) c). Esta variación, conocida como precesión, significa que aunque el Polo Norte está apuntando actualmente a la estrella Polaris (la estrella polar), en 10 mil años apuntará a la estrella Vega. La importancia de la excentricidad, inclinación y precesión a los ciclos climáticos de la Tierra (ahora conocidos como Ciclos Milankovitch) fue señalada por primera vez por el ingeniero y matemático yugoslavo Milutin Milankovitch a principios del siglo XX. Milankovitch reconoció que aunque las variaciones en los ciclos orbitales no afectaron la cantidad total de insolación (energía luminosa del Sol) que recibió la Tierra, sí afectó en qué parte de la Tierra esa energía era más fuerte.

Las erupciones volcánicas no solo involucran flujos de lava y fragmentos de roca en explosión; también se liberan diversas partículas y gases, siendo los importantes el dióxido de azufre y el CO ₂. El dióxido de azufre es un aerosol que refleja la radiación solar entrante y tiene un efecto de enfriamiento neto de corta duración (algunos años en la mayoría de los casos, ya que las partículas se asientan fuera de la atmósfera en un par de años), y no suele contribuir al cambio climático a largo plazo. Las emisiones volcánicas de CO ₂ pueden contribuir al calentamiento climático, pero solo si un nivel de vulcanismo superior al promedio se mantiene durante mucho tiempo (al menos decenas de miles de años). Se cree ampliamente que la catastrófica extinción final del Pérmico (a 250 Ma) resultó del calentamiento iniciado por la erupción de las masivas Trampas Siberianas durante un período de al menos un millón de años.

Las corrientes oceánicas son importantes para el clima, y las corrientes también tienen tendencia a oscilar. Los núcleos de hielo glacial muestran evidencia clara de cambios en la Corriente del Golfo que afectaron el clima global en una escala de tiempo de aproximadamente 1,500 años durante la última glaciación. Los cambios este-oeste en la temperatura de la superficie del mar y la presión superficial en el Océano Pacífico ecuatorial, conocido como Oscilación Austral de El Niño o ENSO (ver sección 9.6), varía en una escala de tiempo mucho más corta de entre dos y siete años. Estas variaciones tienden a atraer la atención del público porque tienen implicaciones climáticas significativas en muchas partes del mundo. Los más fuertes de El Niño en las últimas décadas fueron en 1983, 1998 y 2015 y esos fueron años muy cálidos desde una perspectiva global. Durante un fuerte El Niño, las temperaturas ecuatoriales de la superficie marina del Pacífico son más cálidas de lo normal y calientan la atmósfera por encima del océano, lo que conduce a temperaturas globales más cálidas que la media.

Retroalimentación climática

Como ya se dijo, las retroalimentaciones climáticas son de vital importancia para amplificar las fuerzas climáticas débiles en cambios climáticos en toda regla. Dado que la Tierra todavía tiene un volumen muy grande de hielo, principalmente en las capas de hielo continentales de la Antártida y Groenlandia, pero también en los glaciares alpinos y el permafrost, el derretimiento es uno de los mecanismos de retroalimentación clave. El derretimiento del hielo y la nieve conduce a varios tipos diferentes de retroalimentación, uno importante es un cambio en el albedo, o la reflectividad de una superficie. Las diversas superficies de la Tierra tienen albedos muy diferentes, expresados como el porcentaje de luz que se refleja en un material dado. Esto es importante porque la mayor parte de la energía solar que golpea una superficie muy reflectante no es absorbida y por lo tanto hace poco para calentar la Tierra. El agua en los océanos o en un lago es una de las superficies más oscuras, reflejando menos del 10% de la luz incidente, mientras que las nubes y la nieve o el hielo se encuentran entre las superficies más brillantes, reflejando del 70% al 90% de la luz incidente. Cuando el hielo marino se derrite, como lo ha hecho en el Océano Ártico a un ritmo inquietante durante la última década, el albedo de la zona afectada cambia drásticamente, de alrededor del 80% a menos del 10%. Mucha más energía solar es absorbida por el agua que por el hielo preexistente, y el aumento de temperatura se amplifica. Lo mismo se aplica al hielo y a la nieve en tierra, pero la diferencia en albedo no es tan grande. Cuando el hielo y la nieve en tierra se derriten, el nivel del mar sube. (El nivel del mar también está subiendo porque los océanos se están calentando y eso aumenta su volumen; ver sección 13.7). Un nivel más alto del mar significa que una mayor proporción del planeta está cubierta de agua, y como el agua tiene un albedo menor que la tierra, se absorbe más calor y la temperatura sube un poco más. Desde la última glaciación, el aumento del nivel del mar ha sido de unos 125 m; un área enorme que solía ser tierra ahora está inundada por agua de mar absorbente de calor. Durante el actual periodo de cambio climático antropogénico, el nivel del mar sólo ha subido unos 20 cm, y aunque eso no hace un gran cambio al albedo, la subida del nivel del mar se está acelerando.

La mayor parte del norte de Canadá, Alaska, Rusia y Escandinavia tiene una capa de permafrost que va desde unos pocos centímetros hasta cientos de metros de grosor. El permafrost es una mezcla de suelo y hielo y también contiene una cantidad significativa de carbono orgánico atrapado que se libera como CO ₂ y CH ₄ cuando el permafrost se descompone. Debido a que la cantidad de carbono almacenado en el permafrost está en el mismo orden de magnitud que la cantidad liberada por la quema de combustibles fósiles, este es un mecanismo de retroalimentación que tiene el potencial de igualar o superar el forzamiento que lo ha desatado. En algunas regiones polares, incluido el norte de Canadá, el permafrost incluye hidrato de metano, una forma altamente concentrada de CH ₄ atrapado en forma sólida. Desglose del permafrost libera este CH ₄. Existen reservas aún mayores de hidrato de metano en el fondo marino, y aunque se necesitaría un calentamiento significativo del agua del océano hasta una profundidad de cientos de metros, es probable que esto también suceda en el futuro si no limitamos nuestro impacto en el clima. Existe una fuerte evidencia isotópica de que el máximo térmico del Paleoceno-Eoceno fue causado, al menos en parte, por una liberación masiva de hidrato de metano en el fondo marino.

Hay alrededor de 45 veces más carbono en el océano (como iones bicarbonato disueltos, HCO ₃ ^—) que en la atmósfera (como CO ₂), y hay un intercambio constante de carbono entre los dos embalses (ver sección 5.5). Pero la solubilidad del CO ₂ en el agua disminuye a medida que sube la temperatura. Es decir, cuanto más caliente se pone, más bicarbonato oceánico se transfiere a la atmósfera como CO ₂. Eso hace que la solubilidad del CO ₂ sea otro mecanismo de retroalimentación positiva. El crecimiento de la vegetación responde positivamente tanto al aumento de las temperaturas como a los niveles elevados de CO ₂, por lo que en general representa una retroalimentación negativa al cambio climático porque cuanto más crece la vegetación, más CO ₂ se toma de la atmósfera. Pero no es tan simple, porque cuando los árboles crecen y más vigorosamente, los bosques se vuelven más oscuros (tienen menor albedo) por lo que absorben más calor. Además, el calentamiento climático no es necesariamente bueno para el crecimiento de la vegetación; algunas áreas se han vuelto demasiado calientes, demasiado secas o incluso demasiado húmedas para apoyar a la comunidad vegetal que estaba creciendo allí, y podría tomar siglos para que algo lo reemplace con éxito. Todos estos comentarios positivos (y negativos) funcionan en ambos sentidos. Por ejemplo, durante el enfriamiento climático, el crecimiento de los glaciares conduce a mayores albedos, y la formación de permafrost da como resultado el almacenamiento de carbono que de otro modo habría regresado rápidamente a la atmósfera.

 

Cambio Climático Antropogénico

Cuando hablamos de cambio climático antropogénico, generalmente estamos pensando en la era industrial, que realmente se puso en marcha cuando empezamos a usar combustibles fósiles (carbón para empezar, y más tarde petróleo y gas natural) para impulsar maquinaria y trenes, y para generar electricidad. Eso fue alrededor de mediados del siglo XVIII. El problema con los combustibles fósiles es que implican quemar carbono que se almacenó naturalmente en la corteza durante cientos de millones de años como parte del proceso de la Tierra de contrarrestar el calentamiento del Sol.

Un rápido aumento de la población, el creciente nivel de industrialización y mecanización de nuestras vidas, y una creciente dependencia de los combustibles fósiles han impulsado el cambio climático antropogénico del siglo pasado. La tendencia de las temperaturas globales medias desde 1880 se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\). Durante aproximadamente los últimos 55 años, la temperatura ha aumentado a un ritmo relativamente estable y inquietantemente rápido, especialmente en comparación con los cambios pasados. La temperatura promedio ahora es aproximadamente 0.8°C más alta que antes de la industrialización, y dos tercios de este calentamiento se han producido desde 1975.

Figura Temperaturas medias anuales\(\PageIndex{2}\) globales para el periodo de 1880 a 2015 (Steven Earle, “Physical Geology”, de SE a partir de datos de la NASA en: http://data.giss.nasa.gov/gistemp/ta...LB.Ts+dSST.txt).

El Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC), establecido por las Naciones Unidas en 1988, se encarga de revisar la literatura científica sobre el cambio climático y emitir informes periódicos sobre diversos temas, incluyendo la base científica para comprender el cambio climático, nuestra vulnerabilidad a los cambios climáticos observados y predichos, y lo que podemos hacer para limitar el cambio climático y minimizar sus impactos. La figura\(\PageIndex{3}\), del quinto informe del IPCC, emitido en 2014, muestra las contribuciones relativas de diversos gases de efecto invernadero y otros factores al forzamiento climático actual, con base en los cambios de los niveles que existían en 1750.

Figura\(\PageIndex{3}\) La importancia relativa de los factores que están contribuyendo al calentamiento antropogénico (de http://www.ipcc.ch/report/graphics/i...0-%20WG1&f=SPM).

El mayor contribuyente antropogénico al calentamiento es la emisión de CO ₂, que representa el 50% del forzamiento positivo. CH ₄ y sus derivados atmosféricos (CO ₂, H ₂ O y O ₃) representan 29%, y los gases halocarbonados (en su mayoría filtrados de aparatos de aire acondicionado) y el óxido nitroso (N ₂ O) (de la quema de combustibles fósiles) representan 5% cada uno. El monóxido de carbono (CO) (también producido por la quema de combustibles fósiles) representa 7%, y los compuestos orgánicos volátiles distintos del metano (NMVOC) representan 3%. Las emisiones de CO ₂ provienen principalmente de centrales eléctricas de carbón y gas, vehículos motorizados (automóviles, camiones y aviones) y operaciones industriales (por ejemplo, fundición) e indirectamente de la silvicultura. Las emisiones de CH ₄ provienen de la producción de combustibles fósiles (escape de la minería del carbón y de la producción de gas y petróleo), la ganadería (principalmente carne de vacuno), los rellenos sanitarios y el cultivo de arroz en humedales. N ₂ O y CO provienen principalmente de la combustión de combustibles fósiles. En resumen, cerca del 70% de nuestras emisiones actuales de gases de efecto invernadero provienen de la producción y el uso de combustibles fósiles, mientras que la mayor parte del resto proviene de la agricultura y los vertederos. La figura\(\PageIndex{4}\) muestra las proyecciones del IPCC para aumentos de temperatura en los próximos 100 años como resultado de estos crecientes gases de efecto invernadero.

Figura\(\PageIndex{4}\) Proyectados aumentos de temperatura global para el siglo XXI a partir de una gama de diferentes escenarios del IPCC de futuras variables políticas y tecnológicas (de https://www.ipcc.ch/publications_and...re-spm-5-l.png).

Impactos del Cambio Climático

Todos hemos experimentado los efectos del cambio climático en la última década. Sin embargo, no es sencillo para los climatólogos establecer la conexión entre un clima cálido y eventos climáticos específicos, y la mayoría son justificadamente reacios a atribuir cualquier evento específico al cambio climático. Al respecto, las mejores medidas del cambio climático son las que podemos detectar a lo largo de varias décadas, como los cambios de temperatura que se muestran en la Figura\(\PageIndex{2}\), o el aumento del nivel del mar que se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\). Como ya se indicó, el nivel del mar ha aumentado aproximadamente 20 cm desde 1750, y ese aumento se atribuye tanto al calentamiento (y por lo tanto a la expansión) del agua de mar como al derretimiento de los glaciares y otras nieves y hielo terrestres (el derretimiento del hielo marino no contribuye directamente al aumento del nivel del mar ya que ya está flotando en el océano, ver sección 13.7).

Figura Aumentos\(\PageIndex{5}\) proyectados del nivel del mar a 2100, mostrando rango probable (gris) y máximo posible (Stephen Earle, “Physical Geology”, adaptado por SE de: http://nca2014.globalchange.gov/repo...ntro-section-2 basado en datos de Parris et al., 2012, NOAA).

Las proyecciones para el aumento del nivel del mar hasta finales de este siglo varían ampliamente. Esto se debe en gran parte a que no sabemos cuál de los escenarios de cambio climático anteriores (Figura\(\PageIndex{4}\)) seguiremos más de cerca, pero muchos están en el rango de 0.5 m a 2.0 m. Uno de los problemas para predecir el aumento del nivel del mar es que no tenemos una comprensión sólida de cuán grandes son las capas de hielo, como Groenlandia y la Antártida, responderán al calentamiento futuro. Otro tema es que los océanos no responden de inmediato al calentamiento. Por ejemplo, con la cantidad actual de calentamiento, ya estamos comprometidos con un futuro aumento del nivel del mar de entre 1.3 m y 1.9 m, aunque pudiéramos detener hoy el cambio climático. Esto se debe a que se necesitan décadas a siglos para que el calentamiento existente de la atmósfera se transmita a profundidad dentro de los océanos y ejerza su impacto total sobre los grandes glaciares. La mayor parte de ese ascenso comprometido se llevaría a cabo durante el próximo siglo, pero algunos se retrasarían más. Y por cada década que continúen las tasas actuales de cambio climático, ese número aumenta otros 0.3 m. Es decir, si no hacemos cambios rápidamente, a finales de este siglo estaremos encerrados en 3 m de futuro aumento del nivel del mar. En un informe de 2008, la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE) estimó que para 2070 aproximadamente 150 millones de personas que viven en zonas costeras podrían estar en riesgo de inundaciones debido a los efectos combinados del aumento del nivel del mar, el aumento de la intensidad de las tormentas y el hundimiento de la tierra. Los activos en riesgo (edificios, carreteras, puentes, puertos, etc.) son del orden de 35 billones de dólares (35,000,000,000,000 dólares). Los países con mayor exposición de población a las inundaciones son China, India, Bangladesh, Vietnam, Estados Unidos, Japón y Tailandia. Algunas de las principales ciudades en riesgo incluyen Shanghái, Guangzhou, Mumbai, Calcuta, Dhaka, Ciudad Ho Chi Minh, Tokio, Miami y Nueva York.

Uno de los otros riesgos para las poblaciones costeras, además del aumento del nivel del mar, es que el calentamiento climático también se asocia con un aumento en la intensidad de las tormentas tropicales (por ejemplo, huracanes o tifones; ver sección 8.4), que casi siempre traen consigo inundaciones graves por lluvias intensas y marejadas ciclónicas. Algunos ejemplos recientes son Nueva Orleans en 2005 con el huracán Katrina, y Nueva Jersey y Nueva York en 2012 con el huracán Sandy. Las tormentas tropicales obtienen su energía de la evaporación del agua de mar caliente en las regiones tropicales. En el Océano Atlántico, esto se lleva a cabo entre 8° y 20° N en el verano. La figura\(\PageIndex{6}\) muestra las variaciones en la temperatura de la superficie del mar (SST) del Océano Atlántico tropical (en azul) versus la cantidad de potencia representada por los huracanes atlánticos entre 1950 y 2008 (en rojo). No sólo la intensidad general de los huracanes del Atlántico ha aumentado con el calentamiento desde 1975, sino que la correlación entre los huracanes y las temperaturas de la superficie del mar es muy fuerte durante ese período de tiempo.

Figura\(\PageIndex{6}\) Relación entre la intensidad anual acumulada de tormenta tropical atlántica y las temperaturas de la superficie marina atlántica (Steven Earle, “Physical Geology”, por SE a partir de datos en: http://wind.mit.edu/~emanuel/Papers_data_graphics.htm).

Se ha demostrado que los rangos geográficos de enfermedades y plagas, especialmente las causadas o transmitidas por insectos, se extienden hacia regiones templadas debido al cambio climático. El virus del Nilo Occidental y la enfermedad de Lyme son dos ejemplos que ya afectan directamente a los norteamericanos, mientras que el dengue podría ser un problema en el futuro (el dengue se convirtió en una “condición de declaración nacional” en Estados Unidos en 2010). Durante varias semanas en julio y agosto de 2010, una ola masiva de calor afectó al oeste de Rusia, especialmente a la zona sureste de Moscú, y los científicos han afirmado que el cambio climático fue un factor contribuyente. Las temperaturas se dispararon a más de 40 °C, hasta 12 °C por encima de lo normal en una amplia área, y los incendios forestales se extendieron en muchas partes del país. Más de 55 mil muertes se atribuyen al calor y a problemas respiratorios asociados a los incendios. En la Figura se presenta un resumen de los impactos del cambio climático en los desastres naturales\(\PageIndex{7}\). Los principales tipos de desastres relacionados con el clima son las inundaciones y tormentas, pero las implicaciones para la salud de las temperaturas extremas también se están convirtiendo en una gran preocupación. En la década 1971 a 1980, las temperaturas extremas fueron los quintos desastres naturales más comunes; para 2001 a 2010, fueron los terceros más comunes.

Figura\(\PageIndex{7}\) Números de diversos tipos de desastres entre 1971 y 2010 (Del atlas OMM de mortalidad y pérdidas económicas por clima, clima y aguas extremas, 2014).

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*” Geología Física” de Steven Earle utilizada bajo licencia internacional CC-BY 4.0. Descarga este libro gratis en http://open.bccampus.ca