Monthly Archives: maig 2013

Sistema Climático Terrestre

En qué consiste el clima de un planeta?, concretamente en qué consiste el sistema climático terrestre?. Las variables que intervienen en su comportamiento son muchas y de muy diversa procedencia, tanto terrestres como extraterrestres. En el fondo la Tierra se comporta como un sistema mecánico-térmico.

 

Precisamente Scientific American en su versión digital comenta que la Tierra no se calienta tan rápido como se esperaba según los modelos del cambio climático. Es difícil comprender como se comporta el sistema climático terrestre. Expongo a continuación un muy breve resumen.

Los componentes básicos que modelan el clima terrestre son: aire, agua, hielo, tierra, vegetación y los procesos de precipitación, evaporación y vientos. Los cambios que se producen a lo largo del tiempo en estos componentes básicos son los que deciden las condiciones climáticas. Estos cambios se estudian según las “causas” que producen los cambios y los “efectos” inducidos en el clima. En el lenguaje climatológico anglosajón las causas se denominan “forcing”  y  los efectos “response”.

El término forcing se refiere a todos aquellos factores que conducen o provocan cambios. La tentación de traducirlo por fuerza es muy grande, pero no es del todo correcto, se acostumbra a traducir por forzamiento. Aunque yo lo traduciría por arranque, que expresa mejor la definición científica, son todos los factores que inducen y producen el arranque del cambio. Y responses son los efectos, los cambios climáticos que se producen. Es la respuesta del sistema a los  forzamientos (arranques) iniciales.

Existen una gran cantidad de factores involucrados en el estudio del clima terrestre, desde el clima cálido de los trópicos a las regiones frías polares, desde las profundidades del espacio exterior donde reside el Sol hasta las profundidades de los océanos.

Existen tres clases fundamentales de forzamientos en la naturaleza.

1-      Procesos Tectónicos generados por el calor interno terrestre que modifican la geografía de la superficie terrestre. Este proceso provoca el movimiento de las placas tectónicas y origina el movimiento de los continentes, la aparición y desaparición de montañas y de cuencas oceánicas. Todos estos procesos cambian muy lentamente a lo largo de millones de años e incluso más.

2-      Cambios en la órbita terrestre alrededor del Sol. Estos cambios orbitales alteran la cantidad de radiación Solar que llega a la Tierra según las estaciones y la latitud. En las bajas latitudes de los trópicos tenemos un clima templado y en las altas latitudes polares tenemos un clima frio. Los cambios orbitales ocurren a lo largo de diez mil y cien mil años.

3-      Cambios en la potencia Solar. Este cambio afecta a la cantidad de radiación solar recibida en la Tierra. La potencia solar ha ido aumentado a través de los últimos 4550 millones de años desde que la Tierra existe. Pero existen pequeñas variaciones dentro de esta tendencia general, que ocurren a lo largo de décadas, centurias y milenios. Hay que tener en cuenta que las medidas efectuadas por satélite de la radiación solar empezaron en el año 1978. Se han medido cambios en la radiación que llega y muestran una variación de 2 W/m2  en cada  ciclo solar de 11 años, esto significa un 0,15% de variación en la potencia solar. Pero estas variaciones pueden llegar a ser superiores o inferiores si nos fijamos en periodos de tiempo de centenares de años.

Hay que añadir la variación en la precesión terrestre, actualmente es verano en el hemisferio norte cuando la Tierra se encuentra más lejos del Sol, pero dentro de unos 6000 años el verano del hemisferio norte sucederá cuando la Tierra se encuentra más cerca del Sol. A la inversa sucede con el hemisferio Sur,  actualmente es invierno cuando está más lejos del Sol y dentro de 6000 años será invierno cuando este mas cerca del Sol.

Por supuesto hay que añadir un cuarto factor, el factor humano.

4-      El cuarto factor  se denomina “anthropogenic forcing” y se refiere al efecto que producimos los humanos sobre el sistema climático, es lo que se denomina el forzamiento antropogénico. Es producido por la agricultura, la industria y otras actividades humanas. Y ocurre por la adición a la atmosfera de materiales como el dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero.

Los componentes del sistema climático terrestre varian ampliamente en sus características físicas y químicas. De manera que sus respuestas a los forzamientos son difíciles de establecer. Desde los cambios en la temperatura global a los cambios regionales, en la cantidad de hielo, en la cantidad de lluvia y nieve, en la fuerza y dirección de los vientos, en la circulación del agua en la superficie y en las profundidades de los océanos (por cierto que el comportamiento sobre el clima de la cinta transportadora oceánica ha sido ampliamente discutida en un artículo de M. Susan Lozier en “Deconstructing the Conveyor Belt”, Science 328, 1507 (2010)) y finalmente tenemos la cantidad de vegetación.

¿Como responde el Sistema Climático a los factores que inducen cambios? ¿Y como los estudiamos?. Una manera es establecer la respuesta en el tiempo, es decir, cuánto tiempo tarda el sistema climático en darse cuenta que se ha producido un forzamiento.

El ejemplo típico es el de hervir agua, si ponemos un cazo con agua encima del fuego, inmediatamente no sucede nada. Para que el agua empiece a calentarse ha de transcurrir un tiempo y más para que empiece a hervir. El fuego es el forzamiento (arranque) externo y la temperatura del agua es la respuesta climática. Y más importante, la relación entre el calor añadido al sistema y el tiempo no es lineal sino exponencial inverso. Es decir a medida que pasa el tiempo el aumento de temperatura es menor.

Cada parte del sistema climático reacciona en tiempos muy diversos, desde horas a cientos de miles de años. La atmosfera tiene una respuesta muy rápida, los cambios se suceden en horas y días. Está claro que de día se calienta y de noche se enfría. La superficie terrestre reacciona más lentamente pero muestra un largo calentamiento o enfriamiento a lo largo de horas, días y semanas.

El agua líquida responde más lentamente que el aire y el suelo. Puede ser un tiempo de semanas a meses, incluso puede llegar a cientos o miles de años para las aguas profundas del océano.

El hielo es la parte del sistema climático más lento en responder. Por supuesto, la pequeña capa de hielo sobre los océanos polares puede crecer o disminuir en escalas temporales de meses a años. Los delgados glaciares de montaña reaccionan en decenas o cientos de años y las enormes capas de hielo que cubren el continente de la Antartida responden en 10.000 años o más.

Según esto, tenemos que establecer una comparación entre forzamiento lento comparado con la respuesta, forzamiento rápido comparado con la respuesta y forzamiento y respuesta en la misma escala temporal. El más importante es el último, cuando el forzamiento sigue una frecuencia del mismo orden que la respuesta.

A todo esto hay que añadir la realimentación positiva o negativa del sistema. Una realimentación positiva amplifica el efecto del forzamiento y una realimentación negativa disminuye el efecto del forzamiento.

Un ejemplo de realimentación positiva la tenemos en el siguiente ejemplo. Si la radiación solar disminuye, disminuirá la energía incidente sobre la Tierra y esta se enfriará, entonces aparecerá nieve y hielo en latitudes altas donde antes no había. Puesto que la nieve y el hielo reflejan mucho más la luz solar que el suelo, la cantidad de energía atrapada en la Tierra disminuirá y la consecuencia es mayor frio y más nieve y hielo en latitudes altas.

No queda muy claro el siguiente efecto de realimentación negativa pero se lo explico. Si aumenta la concentración de CO2 aumenta la temperatura por efecto invernadero, pero si aumenta la temperatura aumenta la evaporación de los océanos y por tanto mayor cantidad de nubes. Las nubes reflejan la luz solar y en consecuencia la temperatura disminuye. Hay que añadir que si la temperatura disminuye, la cantidad de concentración de CO2 absorbida por los océanos aumenta  y por tanto disminuye la concentración de CO2  en la atmosfera.  Claro que si el efecto de las nubes no es significativo y la temperatura no disminye sinó que aumenta, el oceano suelta más  CO2    a la atmosfera y la tempertura sigue aumentando.

En resumidas cuentas, un sistema climático es algo muy complejo para explicarlo en una formula. Aunque parece que los cambios climáticos dependen más de la variación de la excentricidad y la precesión terrestre que del comportamiento humano.

 

Benvinguda al Bloc de Mecatrònica

Benvinguts! Heu localitzat el bloc de Mecatrònica, el bloc dels estudis del Grau en Enginyeries Industrials impartits a l’Escola Universitària Politècnica de Mataró (EUPMt) – UPC.

Navegueu lliurement per les nostres línies i seccions on trobareu informació, comentaris, opinions i vincles a diferents temàtiques i activitats relacionada amb la ciència i la tècnica .

Sentiu-vos lliures, doncs, de deixar qualsevol proposta, idea o suggeriment. De ben segur que l’atendrem i li donarem la sortida que es mereix.

Ens trobem per aquests paràgrafs virtuals…