2-1: Sistema Climático y Predictabilidad Climática

Eugene S. Takle
© 1997

Hemos visto que hay consenso entre los científicos de que los procesos químicos han modificado la composición de la atmósfera. Hemos también estimado los cambios futuros en la composición de la atmósfera. Por ultimo revisamos el cambio en el forzante radiactivo, como consecuencia de distintos escenarios basados en políticas de generación y regulación de otras fuentes de gases de efecto de invernadero. El próximo paso es transformar estos cambios del forzante radiactivo, en cambios en el clima de la Tierra. Antes que nada veamos que entendemos por cambio climático.

Cambio climático.
(Takle, E., S., 1995)

Tanto los registros históricos como los registros geológicos están plagados de ejemplos de cambios en el clima de la Tierra, en diferentes épocas y de diferentes formas. Es decir, el cambio climático no es algo nuevo. Hace 20.000 años gran parte del Hemisferio Norte fue cubierto por una capa de hielo de varios kilómetros de espesor, que avanzo hacia bajas latitudes mas allá de los 40 grados de latitud. (Schneider and Dickinson, 1974: Rev. Geophys and Space Phys. , 12, 447-493). Alrededor de 1.000 años atrás, un periodo relativamente cálido permitió a los vikingos viajar a través del Atlántico Norte. Inviernos rigurosos durante la "pequeña edad de hielo" en el 1.700 liquidaron colonias nórdicas en Groenlandia. El siglo veinte es uno de los más cálidos, alcanzando las temperaturas los valores mas altos de los últimos 130.000 anos, hacia fines de la presente centuria. La Biblia señala la existencia de ciclos de 7 años de bonanza y 7 de penurias, y hay evidencias antropológicas que señalan la extinción de civilizaciones pasadas, algunas de ellas por cambios climáticos.

Entonces, la verdadera pregunta no es si el clima del futuro va a cambiar, porque sabemos que ello ocurrirá.

Las preguntas más importantes son:

Ejemplos:

Cuales son los elementos del clima que están cambiando?

Esta cambiando la temperatura de superficie en Alejandría, Egipto?
Ha variado el numero promedio anual de huracanes en la península de Florida, con respecto a años anteriores?
Cambio el comienzo de la estación lluviosa, con respecto al siglo pasado?

En que dirección son los cambios?

La temperatura esta aumentando o disminuyendo?
Hay ahora mas o menos huracanes que antes?
La estación de las lluvias en la India comienza mas temprano o mas tarde que en el siglo pasado?

Cuánto son los cambios?

El cambio de la temperatura es de0.2oc, 2.0oC, o 20oC?
Hay 1%, 10%, o 100% más huracanes que en el periodo anterior?
La estación lluviosa comienza un día, una semana, o un mes mas tarde que en el siglo anterior?

Cuales son las razones de estos cambios?

Se expandió la ciudad?
La temperatura del agua en el Golfo de México es ahora más cálida que antes?
Modificaron los humanos los mecanismos que producen la lluvia?

En las próximas clases definiremos Clima y analizaremos los medios mediante los cuales es posible determinar la influencia de los factores naturales y antropogenicos que causan el cambio climático.

Comenzaremos definiendo lo que entendemos por clima. Hace algunos meses recibí un correo electrónico de un colega de Francia que debajo de su firma escribió el siguiente texto: "Clima es lo que esperamos y tiempo es lo que tenemos". Esto es en pocas palabras una definición de clima. El tiempo son los valores diarios de temperatura, lluvia, presión, viento, etc..., y clima es el valor medio de esas variables durante un determinado periodo largo de tiempo.

Pero clima es algo mas que las variables del tiempo. Una definición mas general de clima es el comportamiento promedio de los continentes, océanos, atmósfera, criosfera, en periodos relativamente largos de tiempo. No hay una definición rigurosa en cuanto al periodo para determinar los valores medios, aunque para algunas aplicaciones se utiliza un periodo de 30 años. Esta definición reconoce el rol interactivo de los continentes, el agua y el hielo en la determinación de las propiedades de la atmósfera. La criosfera incluye, las masas de hielo de la Antártida y Groenlandia, como así también a los hielos del Polo Norte y de los glaciares montañosos. Las masas de hielo son muy importantes porque sus dimensiones físicas pueden cambiar, modificando en consecuencia la cantidad de radiación que es reflejada desde la superficie de la tierra y cambiando el balance radiactivo. Las masas de hielo son también enormes depósitos de agua dulce, y los cambios de volumen cambian la cantidad de agua en estado liquido y gaseoso en la atmósfera, y del agua liquida de los océanos.

La dificultad de definir adecuadamente escalas de tiempo para el Sistema Climático, puede ser mejor entendida si consideramos el tiempo de residencia de una molécula de agua en las distintas componentes del Sistema. Si introducimos vapor de agua en la atmósfera y seguimos las trayectorias de las moléculas a través de todo el ciclo hidrológico, podremos diferenciar entre distintas escalas. Las moléculas de agua permanecen en la atmósfera durante unas dos semanas, antes de ser expulsadas como precipitación. Si estas moléculas caen en el mar, podrían permanecer en las capas superficiales del océano (hasta 100 metros de profundidad) durante un par de meses, pero si las mismas moléculas por algún mecanismo son desplazadas hacia las capas más profundas del océano, el tiempo de residencia podría ser de miles de años.

Las moléculas de agua que caen en forma de lluvia sobre la superficie continental, podrían evaporar durante el día o podrían percolar dentro del suelo y desplazarse como agua subterránea hasta aflorar en un río o en un lago y recién entonces ser evaporada, después de un periodo que podría ir desde seis semanas hasta dos años.

Si las moléculas de agua son depositadas sobre el casquete polar antártico, podrían quedar atrapadas en el hielo por 100.000 años. Claramente, diferentes componentes del sistema climático tienen diferentes escalas de tiempo. Aquellas componentes con escalas de tiempo muy largas (en el ejemplo el hielo antártico), pueden ser consideradas como fijas (sin cambios) cuando evaluamos los cambios en la circulación de la atmósfera y de los océanos. Otras componentes, como la cantidad del hielo en el mar del Polo Norte con un ciclo de vida de seis meses, pueden ser consideradas como una parte que no cambia del sistema climático.

La próxima figura ilustra en forma esquemática, las distintas componentes del sistema climático. Las componentes físicas del sistema están representadas por letras mayúsculas: atmósfera, hidrosfera (que comprende los océanos y mares del mundo), litosfera (que comprende la superficie terrestre continental e insular), criosfera (comprende el hielo marino, la cubierta de nieve estacional, glaciares de montaña y capas de hielo a escala continental) y la biosfera (que comprende la vida vegetal y animal, incluida la humana).

La atmósfera con sus componentes principales, gases traza, nubes y aerosoles es influenciada (o forzada) desde el espacio exterior y desde la superficie terrestre por distintos procesos.

Modelado climático,
IPCC
.

Para una mejor organización de los factores relacionados con el clima, podemos definir forzantes internos y externos del sistema climático. Forzantes externos, que se muestran en la figura anterior, mediante flechas que cruzan los limites exteriores del sistema son aquellos que no están condicionados por cambios que ocurren dentro del sistema definido. Por ejemplo, las fluctuaciones en las emisiones solares y los cambios en los parámetros orbitales de la tierra con respecto al sol, son forzantes externos puesto que no son modificados si el clima de la tierra se calienta o enfría. Los gases de invernadero producidos por las actividades antropogénicas, el polvo y los cambios en el albedo de la superficie terrestre, se consideran también forzantes externos, si bien puede ser argumentado que los humanos son una parte importante en la definición de clima. Definición de clima y sistema interno vs sistema externo.
(Takle, G.S., 1995)

Condiciones externas y condiciones internas.
(Takle, G.S., 1995)

Como condiciones internas se incluyen factores tales como las variaciones en la temperatura de la superficie de los océanos, cambios en la reflectividad de la superficie debido a cambios en la vegetación en la cubierta de nieve La salinidad de los océanos es también interna al sistema climático, porque depende de la cantidad de lluvia caída (que diluye el contenido de sal de la capa superior del mar) o del agua dulce de los ríos que desemboca en los océanos. La evaporación también modifica la salinidad de los océanos.

Como veremos mas adelante, la salinidad es un factor importante en la determinación de la circulación oceánica, debido a que la sal del agua es más densa que el agua dulce. El agua dulce de la lluvia o de la fusión del hielo tiende a flotar sobre del agua salada, impidiendo la mezcla con las capas mas profundas.

Un comentario final sobre forzantes internos se relaciona con el concepto de caos. Veremos en una clase posterior que el sistema climático puede ser representado por un conjunto acoplado de ecuaciones diferenciales parciales no lineales de primer orden, dependientes del tiempo.

El Profesor Ed Lorentz, meteorólogo del Instituto Tecnológico de Massachussets, postulo hace 20 años que los sistemas descriptos por ecuaciones como las señaladas anteriormente, tienen la propiedad de ser "casi intransitivos".

Predictabilidad climática.
(Takle, G.S., 1995)

Estas ecuaciones tienen como soluciones un conjunto de estados del tiempo que varían dentro de un rango acotado de valores por un periodo de tiempo y luego, en forma mas o menos repentina, cambia a otro conjunto acotado que se extiende por otro periodo igual de tiempo. Como ejemplo, se puede citar el caso del agua que gotea de un grifo en forma estacionaria durante un cierto tiempo y luego, repentinamente y sin causa aparente, gotea mas rápidamente por un periodo corto de tiempo, para finalmente pasar a gotear lentamente (pero no igual al goteo inicial). La teoría que describe estos sistemas gobernados por ecuaciones diferenciales no lineales dependientes del tiempo, es conocida como Teoría de Caos.

Se cree que el sistema climático tiene múltiples estados: es decir, el clima (o alguna de sus componentes)
podría mantenerse estable por un cierto periodo de tiempo y después, abruptamente y sin razón aparente, cambiar hacia un nuevo estado de equilibrio. Hay evidencias de que algunas componentes del sistema climático presentan este comportamiento. Hay evidencias de que la circulación en el Atlántico Norte cambio abruptamente y la Corriente del Golfo en lugar de dirigirse desde la costa Este de Estados Unidos hacia Escandinavia, se desvío abruptamente y por mas de 5 años (que es abrupto para escalas del tiempo geológicas) mantuvo una dirección al Este hacia el Mar Mediterráneo. Esto causo un rápido enfriamiento en el clima de Escandinavia.

Resumiendo, la casi intransitividad es una característica inherente de la dinámica del sistema climático que, por razones desconocidas, provoca que algunas componentes del sistema climático adopten patrones climáticos antes desconocidos.

Dejando de lado la propiedad de casi intransitividad del clima, consideraremos ahora lo que se entiende por predictabilidad del clima. Recordemos que nos propusimos determinar cuantitativamente los cambios en el clima de la tierra, producto de cambios en las futuras emisiones de gases de invernadero. Simplemente queremos estimar la magnitud de un futuro calentamiento global.

Un observador del tiempo y de los pronósticos podría asegurar que, dado que el pronostico a 10 días no es útil para planificación, es audaz y absurdo creer que en el futuro los meteorólogos puedan hacer pronósticos a 1 año y mucho menos a 50 años.

Para entender el concepto de modelo climático y aclarar el concepto de predicción climática comparado con pronostico del tiempo, vamos a considerar la analogía con los juegos "flipper" o "pinball". La figura de al lado muestra el resultado de muchos lanzamientos de bolas a través de la matriz de clavijas. Cuanto mayor sea el numero de clavijas, mayor será el numero de trayectorias de las bolas para llegar a la base. La posición exacta de las clavijas determina la ubicación de las bolas en los distintos casilleros de la base. Por lo tanto, un pequeño cambio en la posición de las clavijas tendrá alguna influencia en la distribución de las posibles trayectorias, influyendo algunas clavijas mas que otras.

Simulación climática (flipper).
(Takle, G. S., 1995)

El pronostico del tiempo para un día determinado, es análogo a una trayectoria individual en el flipper. Cada línea horizontal de clavijas podría representar cada día consecutivo. Si conocemos la posición (A, B, C, o D) desde la cual parte la bola (en otras palabras, si conocemos las condiciones iniciales para las ecuaciones diferenciales que describen el movimiento atmosférico), podemos conocer razonablemente bien los primeros tramos de la trayectoria a través de la matriz de clavijas, pero a medida que la bola avanza hacia la base, conocemos cada vez menos la trayectoria. Una vez que la bola sortea varias clavijas, se pierde totalmente la predictabilidad de los tramos siguientes de la trayectoria. (las ecuaciones son no lineales y disipativas, incluyendo además algunas aproximaciones).

Un pronostico climático es análogo a la distribución de bolas en la base de la matriz. Si conocemos la posición de las clavijas, las ecuaciones que describen (con cierta incertidumbre en cada rebote) la trayectoria a través de la matriz, y el numero de veces que cada una de las condiciones iniciales es usada, podremos estimar la distribución en la base. En este caso, una trayectoria individual a través de la matriz no representa un pronostico diario del tiempo, sino una secuencia de estados del tiempo consistente con la posición (conocida) de todas las clavijas.

Otra característica del problema de la predicción climática es que, si el rango de condiciones iniciales (puntos de largada A,.........E) permanece limitado (la distancia horizontal es limitada en el flipper) pero el tamaño de la matriz se extiende hacia abajo (la longitud del pronostico se incrementa), entonces la distribución final de las bolas en la base será independiente del numero de veces que la bola parte de A, B, C, D, E o F. Decimos que la bola "olvida" sus posiciones iniciales o que el resultado es independiente de las condiciones iniciales y depende solo de la posición de las clavijas (es decir, de las condiciones de borde).

Una modificación en la concentración de gases de invernadero es análogo a cambiar la posición de una o más clavijas. El cambio que se crea en las trayectorias individuales (por ejemplo el tiempo para un año en particular) puede que no sea apreciable, pero un pequeño cambio puede ser detectable en un gran numero de eventos (muchos años).

Supongamos que el sistema climático esta dado por una matriz de un flipper y que desconocemos la posición exacta o elasticidad (cuanto puede rebotar la bola después de golpear una clavija) de las clavijas en el mismo. Trataremos de entender el sistema climático construyendo una matriz que represente lo mejor posible las condiciones reales. Las clavijas serán de un material tal que los rebotes en las clavijas sean lo "suficientemente similares a la realidad".

La trayectoria a través de una matriz dada esta descripta por un conjunto simple de ecuaciones, entonces por extensión, podemos decir que el conjunto de ecuaciones y la posición de las clavijas es el "modelo" que describe el comportamiento de la matriz. Este "modelo" puede ser usado para predecir la distribución de bolas en la base (en nuestro caso, el clima). Comprobamos la bondad del modelo comparando sus predicciones con los resultados de la matriz real. De la comparación puede surgir que es necesario ajustar algunas constantes o compensar sutiles influencias (esto se llama "ajustar el modelo"). Esto es análogo a usar el modelo climático para predecir las características del clima presente. Una vez que el modelo trabaja bien para un determinado conjunto de condiciones de la matriz, podríamos modificar levemente la matriz cambiando ligeramente algunas clavijas (análogo a encontrar un clima diferente como una edad del hielo), realizando cambios comparables en las condiciones matemáticas del modelo y comparando el modelo con resultados reales. Esto es lo que usualmente se hace para estudiar el clima que existió 15.000 años atrás durante la ultima edad de hielo (discutiremos después como obtener las observaciones para poder comparar con los resultados del modelo).

Si el procedimiento es exitoso, podemos confiar en que es posible usar el modelo para predecir los efectos de un cambio hacia una configuración para la cual no hay resultados observados. Esto es análogo a predecir el efecto de un cambio en "las clavijas" (ecuaciones o condiciones de contorno) que representan un aumento en la concentración de gases de invernadero.

Traducido por Mario N. Nuñez