Introducción a las Ciencias Atmosféricas
Curso en línea
CCA-UNAM


XI.   Climas y cambios climáticos


A. Objetivos.

- Comprender los conceptos básicos del estudio del clima y del cambio climático.

- Identificar los diferentes tipos de clima.

- Comprender el papel que las diferentes escalas de tiempo y espacio juegan en el estudio del clima.

- Identificar los componentes más importantes del sistema del clima y sus interacciones.

- Conocer las principales características de los modelos de circulación general y de los modelos de emisiones de gases de efecto invernadero.

- Conocer las conclusiones principales del Cuarto Informe de Evaluación del Panel Internacional sobre Cambio Climático.

 

B. Introducción.

El estudio del clima, además de su ancestral importancia económica, representa una de las ramas de las ciencias atmosféricas que mayor relevancia ha tenido, principalmente por la difusión en los medios del fenómeno del calentamiento global como parte de la problemática ambiental. Lo anterior ha traído como consecuencia que en las últimas décadas, haya habido una mayor cantidad de trabajos de investigación relacionados con el clima y el cambio climático.

En este capítulo presentamos al lector algunos de los conceptos más importantes de la ciencia del clima y del cambio climático haciendo énfasis en su perspectiva estadística. También presentamos un resumen de las características de los diferentes tipos de clima (a escala mundial y su adaptación a nuestro país) y su relación con las diferentes escalas de tiempo y espacio; brevemente hacemos un repaso de las características del clima pasado; introducimos al lector en el concepto de retroalimentación dentro del sistema del clima; hacemos una descripción de los modelos de circulación general y de los modelos de emisiones de gases de efecto invernadero, que son recursos muy importantes en la elaboración de escenarios de cambio climático y, finalmente, hacemos un resumen de las conclusiones de los reportes que el Panel Intergubernamental para el Cambio Climático (PICC) ha presentado en años recientes.

Todo lo anterior con la intención de poner al alcance del lector un panorama general de la temática que en el Centro de Ciencias de la Atmósfera se está desarrollando alrededor del clima y el cambio climático.

 

C. Desarrollo del capítulo.

1. Definición del clima. La diferencia entre el clima y el tiempo meteorológico.

2. El sistema de Köppen y las características de distintos climas terrestres.

3. Definición de cambio climático.

4. Las escalas de tiempo y magnitud de cambios climáticos.

5. Climas y cambios climáticos en tiempos pasados.

6. Los métodos para determinar los climas pasados.

7. Los factores que causan cambios climáticos. Retroalimentación positiva y negativa.

8. Modelos de circulación general (GCM) y de emisión de GEI.

9. Conclusiones de los reportes del PICC.

 

1. Definición del clima. La diferencia entre el clima y el tiempo meteorológico.

Clima: son las condiciones esperadas de la atmósfera en una localidad o región del planeta.

Tiempo meteorológico (intemperie): las condiciones observadas de la atmósfera en un momento determinado.
 

El clima se determina a través de los valores promedio de las variables meteorológicas sobre periodos largos de tiempo (usualmente de al menos 30 años como recomendación de la OMM) y de una medida de variación o dispersión asociada con ese promedio (desviación estándar o rango intercuartílico, entre otros).


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Fig. 1. Definición del clima


Otras definiciones de CLIMA:

Suma de todas las condiciones o fenómenos atmosféricos, que hacen un lugar de la superficie terrestre, más o menos habitable para los seres humanos. (Köppen)

Conjunto de los fenómenos meteorológicos que caracterizan al estado medio de la atmósfera. (Julius Hahann)

Los factores climáticos son aquellas causas que hacen que varíe el clima temporal y espacialmente. La combinación de factores  determina el clima de una región.

Algunos ejemplos: latitud, altitud, relieve (planicies, depresiones, elevaciones), insolación, continentalidad, circulación de la atmósfera, anticiclones y ciclones extratropicales y tropicales (huracanes y tifones), corrientes marinas, El Niño y la Niña, entre otros.

Los elementos del clima son aquellas propiedades físicas que conforman a los climas (Radiación, Temperatura, Presión, Humedad, entre otros).

Los elementos climáticos dependen de los factores climáticos

La observación del tiempo meteorológico y del clima es, sin duda, una de las prácticas más antiguas de la humanidad y menciones de ello se encuentran desde los Vedas, la más antigua referencia escrita de la cultura hindú (1800 años a. de n.e.) y ya con formalidad en el texto “Aire, aguas y lugares” de Hipócrates, escrito en el año 400 a. de n.e.

Existen 3 escalas de estudio de las variables climáticas:

Clima local. Determinado por las características geográficas locales y directamente influenciado por el clima regional y por las condiciones de la circulación atmosférica de escala regional o sinóptica. Ejemplo: clima urbano.

Clima regional. Es el clima de escala intermedia entre local y global o planetaria, tiene gran influencia de la circulación global y está determinada por las características geográficas regionales. Ejemplo: clima de México.

Clima global o planetario. Se estudia a partir del balance global de energía radiante y de la temperatura efectiva.

El Servicio Meteorológico Nacional (http://smn.cna.gob.mx) publica las Normales Climatológicas que son un resumen pormenorizado de variables climáticas por periodos de 30 años, por ahora están disponibles hasta el periodo 1981-2000. Los datos corresponden a todas las estaciones meteorológicas del país y, por separado, a los casi 80 observatorios del servicio, con estos datos es posible realizar estudios de clima local y regional.

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Fig. 2. El clima de México es muy diverso, formalmente se presentan los siguientes tipos: cálido, templado, en términos de temperatura media anual; y húmedo, subhúmedo y muy seco  según la precipitación anual (http://smn.cna.gob.mx/).

“El clima seco se encuentra en la mayor parte del centro y norte del país, región que comprende el 28.3% del territorio nacional; se caracteriza por la circulación de los vientos, lo cual provoca escasa nubosidad y precipitaciones de 300 a 600 mm anuales, con temperaturas en promedio de 22° a 26° C en algunas regiones, y en otras de 18° a 22° C.

El clima muy seco registra temperaturas en promedio de 18° a 22° C, con casos extremos de más de 26°C; presentando precipitaciones anuales de 100 a 300 mm en promedio, se encuentra en el 20.8% del país.

En relación al clima cálido, éste se subdivide en cálido húmedo y cálido subhúmedo. El primero de ellos ocupa el 4.7% del territorio nacional y se caracteriza por tener una temperatura media anual entre 22° y 26°C y precipitaciones de 2,000 a 4,000 mm anuales. Por su parte, el clima cálido subhúmedo se encuentra en el 23% del país; en él se registran precipitaciones entre 1,000 y 2,000 mm anuales y temperaturas que oscilan de 22° y 26°, con regiones en donde superan los 26°C.

Finalmente, el clima templado se divide en húmedo y subhúmedo; en el primero de ellos se registran temperaturas entre 18° y 22°C y precipitaciones en promedio de 2,000 a 4,000 mm anuales; comprende el 2.7% del territorio nacional. Respecto al clima templado subhúmedo, se encuentra en el 20.5% del país, observa en su mayoria temperaturas entre 10° y 18° C y de 18° a 22°C, sin embargo en algunas regiones puede disminuir a menos de 10°C; registra precipitaciones de 600 a 1,000 mm en promedio durante el año.” (SMN-CNA)

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Fig. 3. Ejemplos de gráficos climatológicos para 2 estaciones en el D.F. El periodo que abarcan los datos es de 1967-2006 para Tmax y Tmin y 1952-2006 para precipitación en la estación 9020; y 1952-2007 para las 3 variables en la estación 9029 (Conde et al. 2010).

 

El sistema del clima se considera como un sistema complejo, en el que existen inestabilidades inherentes, interacciones no – lineales entre sus componentes; oscilaciones en torno a ciertos grados de equilibrio y predictibilidad limitada: 10 – 14 días. (Lorenz, 1993, Somerville, 1987), también se tienen interacciones de fenómenos en las diferentes escalas espacio-temporales.


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Fig. 4. Los componentes del sistema del clima, según el Panel Intergubernamental para el Cambio Climático (IPCC por sus siglas en inglés). IPCC, 2007. AR4 WG1, Ch.1.

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Fig. 5. Los 5 subsistemas naturales más importantes del Sistema Climático y el Factor Humano


2. El sistema de Köppen y las características de distintos climas terrestres.

También llamado de Köppen-Geiger es quizá el sistema de clasificación del clima más usado en el mundo.

Desarrollado entre 1900 y 1936 se fundamenta en la idea de que la vegetación es el mejor indicador del clima de una región, particularmente considera que las fronteras naturales de la vegetación están asociadas con diferentes combinaciones de valores medios de temperatura y precipitación mensuales. Cada tipo y subtipo de clima se representa con letras mayúsculas y minúsculas respectivamente.

De manera simplificada se puede decir que existen 6 tipos básicos de clima (Kottek et al., 2006):

A   Macrotérmico. Cálido de zona intertropical.
B  Seco. Zona subtropical, interior de continente de zona intertropical o templada. Hay 2 tipos: Desértico (BW) y semidesértico y estepario (BS).
C   Mesotérmico. Templado.
D   Frío. Latitudes altas, cercanas a los círculos polares y de alta continentalidad.
E   Polar. Zona más allá de los círculos polares.
H   Alta montaña. Climas no diferenciados de alta montaña.

Los subtipos son:

f   Muy lluvioso. Lluvias todo el año, Af clima de selva tropical.
w
 Lluvioso. Lluvias en época de del Sol alto en el horizonte (verano), aun en zona intertropical, Aw clima de sabana.
m
 Monzónico. Parecido a Aw pero con lluvias más intensas en periodos más cortos en el verano, se origina por las diferencias en la presión atmosférica entre el continente asiático y el océano Índico.
s
 Lluvioso invernal. Clima subtropical seco o clima mediterráneo que se presenta en las costas occidentales de los continentes (como en el NO de México).

Existen otras clasificaciones, por ejemplo, si solamente se usa la lluvia (árido, semiárido, subhúmedo, húmedo y muy húmedo), por altitud (macrotérmico, mesotérmico, microtérmico y gélido), entre otras clasificaciones.
 

En México se cuenta con una clasificación del sistema de Köppen modificada por Enriqueta García (ref.) para mostrar, de manera más precisa, el clima de nuestro país, en esta modificación los climas que se presentan en México son A, B y C, el E sólo en áreas muy reducidas.


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Fig. 6. El sistema de Köppen http://eltiempo.lasprovincias.es/las-cosas-del-clima/los-climas-tierra



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Fig. 7. Climas de México, adaptados por Dra. Enriqueta García a partir de la clasificación Köppen


Tabla 1. Clasificación de Köppen adaptada para México por la Dra. Enriqueta García.

Zona térmica

Clima

Vegetación representativa

Ejemplos

A

Tropical

Af
Tropical húmedo con lluvias todo el año

Am

Tropical con lluvias monzónicas en verano

Aw

Tropical sub – húmedo con lluvias en verano

Selva tropical

 

Bosque tropical

Vegetación

Herbácea de sabana

Llanuras costeras y en parte de los estados de Jalisco, Colima, Michoacán, Guerrero, Oaxaca, Chiapas, Morelos, Puebla, Veracruz, Tabasco y la mayor parte de la superficie de la península de Yucatán.

B

Seca

BS
Estepario (Semiseco)

BW

Desértico (Muy Seco)

Herbácea escasa

Xerófilas

Amplia porción del norte del país en los estados de Baja California, Sonora, Sinaloa, Chihuahua, Durango, Coahuila, San Luis Potosí, Nuevo León, Zacatecas y Tamaulipas; aunque en los estados de Yucatán, Puebla, Tlaxcala e Hidalgo existen porciones que presentan este clima.

C

Templada

CF
Templado con lluvias todo el año (sub-húmedo)

CW

Templado con lluvias en invierno (sub-húmedo )

Cs

Templado con lluvias en invierno (mediterráneo)

CX

Templado con lluvias escasas en  todas las  estaciones

Bosque mixto

Herbácea de pradera

 

Matorral y herbácea

 

Musgos y líquenes

Zonas montañosas y la parte sur de la Mesa Central.

E Frío

ET (tundra)
EF
(hielo)

------

Mayores elevaciones del país (Popocatepetl, Citlaltepetl, Nevado de Toluca, etc.) cuyas cumbres siempre están cubiertas de nieve.

 

 

3. Definición de cambio climático.

 

El clima siempre está cambiando. La definición más ampliamente aceptada es variación de las condiciones climáticas medias y/o variabilidad de sus propiedades que se puede identificar (por ejemplo, mediante pruebas estadísticas) y que se mantiene durante un periodo de tiempo prolongado, generalmente décadas o más tiempo” (IPCC, 2007).

Como el clima se define en términos de valores promedio y una medida de dispersión de variables climatológicas, se puede decir que si se detecta cambio climático en una localidad o región respecto a alguna variable climatológica es porque a) cambia el valor promedio de la variable, b) cambia el valor de la dispersión de dicha variable o c) cambian las dos cosas.

Considerando la climatología de una localidad o región como una distribución estadística de las variables climáticas se puede decir que cuando se presenta un cambio climático la forma geométrica de la distribución cambia. Como consecuencia de lo anterior se presenta un cambio en el número, intensidad y frecuencia de los eventos climáticos extremos.
 

Estrictamente hablando: cambio climático no es sinónimo de “calentamiento global” (aumento en la temperatura media planetaria) ni de “cambio global” (conjunto de cambios ambientales originados por actividades humanas sobre el planeta).


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Fig. 8. El concepto de cambio climático.


Aunque el cambio climático se puede presentar en las 3 escalas (local, regional y global) el más importante es el global por sus implicaciones y efectos en las otras escalas.

A grandes rasgos las causas de cambios climáticos en escala global son: forzamientos externos o internos, estos últimos llamados también retroalimentaciones. El origen de los forzamientos puede ser natural o antropogénico.

El UNFCC (United Nations Framework Convention on Climate Change) usa el término cambio climático sólo para referirse al cambio por causas humanas. Al producido por causas naturales lo denominan variabilidad climática.

Algunos ejemplos de forzamientos: ENSO, ciclos de Milankovic, deriva continental, cambios en la composición atmosférica, erupciones volcánicas, cambio de uso del suelo, salinidad de océano, desertificación, entre muchos otros.

En el estudio del cambio climático es sumamente importante tomar en cuenta el aspecto socioeconómico. El IPCC, desde su creación ha organizado su trabajo en 3 grupos: Grupo 1 (bases físicas), Grupo 2 (impactos, adaptación y vulnerabilidad ante cambio climático) y Grupo 3 (mitigación de emisiones de gases de efecto invernadero); y una Fuerza de Tarea en Inventarios Nacionales de Gases de Efecto Invernadero (GEI).

De este modo un estudio de cambio climático no se limita al estudio de la física (y química) de la atmósfera y los océanos, sino que también abarca las relaciones entre los diferentes sectores productivos y sociales y el clima.

Dichas relaciones pueden estudiarse en los 3 niveles: local, regional y global.

En escala local (zona urbana, ecosistema, área de cultivo, etc.) el estudio tiene aplicación solamente al sistema estudiado y su base más firme es la climatología local calculada a partir de datos de las estaciones climáticas.

La trascendencia de los estudios de clima regional (nivel de país, entidad federativa, cuenca, etc.) radica en que pueden dar una idea de en qué grado son vulnerables las condiciones humanas y el medio ambiente natural al los efectos potenciales de cambio climático.

En escala global es indispensable el uso de los modelos de circulación general.



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Fig. 9. Estudio de Cambio Climático Regional. ¿Cómo se relacionan los diferentes aspectos del cambio climático con diferentes sectores socioeconómicos?

4. Las escalas de tiempo y magnitud de cambios climáticos.

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Fig. 10. Diagrama ilustrativo de las escalas de tamaño y duración de los fenómenos característicos de interacciones entre componentes del sistema climático. (Fig. 1.2. Guide to Climatological Practices, WMO. 2011. WMO_100_en.pdf)


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Fig. 11. Escalas espacio-temporales de los fenómenos atmosféricos más representativos en comparación con algunos fenómenos climáticos. Magaña, V. 1994. Ciencias. No. 35, julio – septiembre

 

5. Climas y cambios climáticos en tiempos pasados.

Las características del clima en tiempos pasados se pueden estudiar en términos de diferentes escalas de tiempo, desde tiempos históricos hasta geológicos.

Es inevitable señalar que se trata de estimaciones sujetas a incertidumbres, mayores entre más lejana en el tiempo es la época.

La variable que se puede estimar (por métodos indirectos) es la temperatura global de superficie.

La influencia más fuerte en el clima de grandes escalas de tiempo lo constituyen la distribución de océanos y continentes (tectónica de placas) y los cambios en los parámetros orbitales de la Tierra alrededor del Sol, conocidos como ciclos o ritmos de Milankovic.

Después se encuentran los forzamientos relativamente menores producidos por la variabilidad natural de los ciclos bio-geo-químicos y climáticos de la atmósfera y los océanos o por la variabilidad en la actividad interna del Sol.

Los ciclos de Milankovic y las variaciones en el ciclo de manchas solares se consideran forzantes externos al sistema climático.


Presentamos aquí solamente las características más importantes del clima pasado.



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Fig. 12. Diagrama que muestra la comparación entre la variación en la temperatura global para las distintas escalas de tiempo. http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/ctl/about7.html

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Fig. 13. Temperatura media global, en términos de tiempos geológicos (+/- 10°C):

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Fig. 14. El medio millón de años más reciente (las glaciaciones) según datos obtenidos de núcleos de hielo extraídos en Vostok, Antártida Oriental. http://www.exploratorium.edu/climate/cryosphere/data2.html


a)
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b)
fig15b.jpg

c)
fig15c.jpg

d)
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Fig. 15. Los forzantes externos: a) Excentricidad de la órbita; b) Precesión; c) Oblicuidad del Eje de rotaciòn; y d) Manchas Solares (ciclo de 22 años). Ver animación de Ciclos de Milankovic en http://www.gg.uwyo.edu/geol1100/Movies/milankovitch_cycle.swf


fig16.jpg

Fig. 16. Los Ciclos de Milankovic (+/- 10°C)


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Fig. 17. Periodo Histórico. Una estimación de la temperatura de superficie para los 1000 años recientes (variación +/- 0.5°C) http://www.clearlight.com/~mhieb/WVFossils/ice_ages.html

6. Los métodos para determinar los climas pasados.

El estudio del clima pasado (paleoclima) requiere del uso de huellas o vestigios formados durante tiempos pasados conocidos como proxies cuya interpretación permite establecer las características del clima pasado.

Los vestigios pueden ser: diatomeas, corales, foraminíferas, polen, etc., obtenidos de sedimentos de cuerpos de agua y el sedimento mismo; núcleos (barrenos) de hielo extraídos de regiones polares; anillos que se forman en los troncos de los árboles (dendrocronología).

Una buena estimación del clima pasado requiere de la combinación de los datos obtenidos por varios proxies. De este modo pueden ser usados para modelar el clima pasado a partir del clima presente usando para ello modelos climáticos.
 

Método usado en microorganismos. Las diatomeas y foraminíferas son microorganismos que viven en ambientes acuáticos y marinos, sus caparazones están formados de dióxido de silicio y carbonato de calcio, respectivamente. Su composición química refleja las condiciones ambientales que el agua tenía durante su formación. Las concentraciones de O2 estable en los caparazones se pueden usar para inferir la temperatura del agua. El agua más caliente tiende a evaporar una mayor proporción de isótopos ligeros del O2, de modo que los caparazones tendrán mayor proporción de isótopos pesados en esas condiciones. La proporción de isotopos ligeros contra pesados se correlaciona con la temperatura del agua.



fig18a.jpg fig18b.jpg fig18c.jpg
http://starcentral.mbl.edu/microscope/portal.php?pagetitle=taxonfactsheet&type=organism&taxon=Diatom
fig18d.jpg fig18e.jpg fig18f.jpg
http://starcentral.mbl.edu/microscope/portal.php?pagetitle=classification&BLOCKID=127&CHILDID=8&namebankID=486846

Fig. 18. Diatomeas y foraminíferas

 

Método usado en núcleos de hielo. Extraídos en lugares como la Antártida o Groenlandia, se estudian a partir del aire que queda atrapado en burbujas dentro del hielo, este aire es una muestra de la composición química de la atmósfera en el momento en que se formó el hielo. Se pueden tomar mediciones de la proporción de isotopos de O2 y del tipo de granos de polen atrapados dentro del hielo. Los registros pueden abarcar hasta 400 mil años en núcleos de más de 3 km. de largo.

Dendrocronología. Durante el crecimiento de los árboles cada año se forma un anillo que se aprecia como una veta oscura entre 2 vetas claras del tejido del tronco del árbol. Si las condiciones de temperatura y precipitación fueron las adecuadas para el espécimen analizado, entonces creció sin problemas y las bandas claras resultan más anchas. Algunos eventos como incendios, pueden dejar marcas en los anillos. El alcance de esta técnica depende de la longevidad del árbol.


Método usado en sedimentos acuáticos. Se puede analizar el espesor de las capas o estratos, lo que dará una idea de la velocidad de sedimentación. También la cantidad de carbón atrapada en cada capa de sedimento puede dar indicio de incendios. La cantidad de vestigios de microorganismos con caparazón, polen y otras especies puede indicar cambios en el clima pasado pues cada especie tiene un rango de habitabilidad diferente según las condiciones ambientales.



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http://oceanworld.tamu.edu/resources/oceanography-book/evidenceforwarming.htm
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Foto: Henri D. Grissino-Mayer y accesada via  NASA Earth Observatory
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Montana State University Paleoecology Lab.

Fig. 19. Barrenos de hielo, anillos en los árboles y barrenos de sedimentos acuáticos. (fotos tomadas de http://serc.carleton.edu/microbelife/topics/proxies/paleoclimate.html).


7. Los factores que causan cambios climáticos. Retroalimentación positiva y negativa.

Ya hemos mencionado que entre los factores que determinan el clima se encuentran: la insolación, la continentalidad, el tipo de vegetación, las coordenadas geográficas, la altitud, el tipo de suelo, etc.

La forma en que se cuantifica el efecto que estos factores causan en el clima de nuestro planeta es a través del forzamiento radiativo (aumento o decremento de la potencia radiante por unidad de superficie); este forzamiento origina un cambio sobre la temperatura global.

Con esta perspectiva los forzamientos se pueden clasificar en externos e internos:

Forzamientos de tipo externo: Variabilidad en radiación solar, ciclos de Milankovic, materia proveniente del medio interestelar y del interplanetario (grandes piedras de vez en cuando, por fortuna).

Forzamientos de tipo interno: El Niño-Oscilación del Sur, Oscilación decadal del Pacífico, Oscilación del Atlántico Norte, deriva continental, cambios en la composición atmosférica, erupciones volcánicas, cambio de uso del suelo, salinidad de océano, desertificación, cambios en la cubierta nubosa y en la de hielo, etc. Algunos son de origen natural y otros no.

En estos términos ¿qué son las retroalimentaciones del sistema climático?

En general, una retroalimentación ocurre cuando una parte de la señal de salida de un sistema se reintegra a la señal de entrada afectando, nuevamente, la salida.

Si la señal de salida es aumentada se considera positiva y si la reduce o atenúa se considera negativa (ver figura siguiente).

Una retroalimentación actúa como mecanismo interno de control y suele tener su origen en acoplamientos o ajustes entre dos o más subsistemas.

Para el clima de la Tierra, las retroalimentaciones pueden dar lugar a peligrosas reacciones en cadena que originen un peligroso cambio climático, o también, a efectos de enfriamiento capaces de contener un efecto invernadero desbordado.

Una retroalimentación negativa en el clima, en un contexto de calentamiento global,  tiene un efecto de enfriamiento, es decir, atenúa la señal de salida del sistema que es la temperatura global. Lo contrario ocurre para el caso de retroalimentaciones positivas.


Aun no se entienden bien los mecanismos que el sistema del clima emplea para regular la temperatura global y por ello es muy importante el estudio de las retroalimentaciones.

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Fig. 20. Tipos de retroalimentación en un sistema. (Henderson Sellers & MacGuffie 2005)

 

Algunos tipos de retroalimentaciones se comprenden mejor que otras y son regularmente incluidas en los modelos de del clima, por ejemplo:

Vapor de agua (+): la mejor entendida y cuantificada, explicada a grandes rasgos se puede decir que se debe a que el aire posee mayor capacidad de contener humedad si su temperatura se incrementa.

Albedo de superficie o, mejor dicho, su disminución (+): albedo es la “blancura” de una superficie, en el caso de nuestro planeta las superficies de mayor albedo son la arena y la nieve o hielo, si a causa del calentamiento global la superficie de hielo y nieve disminuye, entonces se tendrá una mayor absorción de radiación en superficie lo cual, a su vez, contribuirá a un mayor calentamiento.

Otras retroalimentaciones no están bien entendidas aún y por ello, en el cálculo de sus efectos existe una mayor incertidumbre:

Ciclo del carbono de suelo: del CO2 liberado a la atmósfera, cerca de la mitad es absorbido por los océanos y el suelo, a través de las plantas.

El calentamiento global afecta este proceso en el océano de dos maneras, entre más CO2 tenga disuelto, el océano aumenta su acidez y tiene menor capacidad de disolver más, así que eventualmente el CO2 remanente se mantendrá en la atmósfera. Por otro lado el incremento de la temperatura del océano también reduce su capacidad de contener CO2 disuelto.

En el suelo los efectos del calentamiento global sobre ciclo del carbono tampoco son sencillos de parametrizar, por un lado se presenta retroalimentación (-) porque al incrementarse las áreas cubiertas por vegetación, principalmente en latitudes medias y altas, habrá menor cantidad de CO2 en la atmósfera pues quedará fijo en sus tejidos; por el otro se tendrá retroalimentación (+) en latitudes tropicales pues el stress térmico, debido al calentamiento, originará una mayor liberación del carbón que almacenan tanto el suelo como la vegetación. No se conoce bien cuál sería el efecto determinante.

Nubes: este es el ejemplo clásico de parametrización difícil en términos de retroalimentaciones, la respuesta del sistema del clima a los efectos de las nubes es ambivalente, en parte porque no todas las nubes se pueden tratar de la misma forma. A muy grandes rasgos se puede decir que las nubes de tipo estratiforme están asociadas con una retroalimentación (-) y las cumuliformes (+). Pero el estudio no está terminado, lo difícil de parametrizar es que las nubes reflejan fuertemente la radiación solar pero también atrapan muy eficientemente la radiación infrarroja (como sucede en Venus).

Otras retroalimentaciones no se han incluido en los modelos de clima porque el nivel de entendimiento de los procesos que las rigen aún es bajo, aunque hay razones para pensar que encierran un gran riesgo, tal es el caso de los hidratos de metano (+) (almacenados en grandes cantidades en el lecho de los océanos),  el permafrost (+) que contienen también grandes cantidades de metano (recordemos que el CH4 es 20 veces más eficiente que el CO2 como GEI). Además hay otras retroalimentaciones del clima que aun no conocemos y pueden ser determinantes.

 

8. Modelos de circulación general (GCM) y de emisión de GEI.


Los modelos del clima son
representaciones, de diversa complejidad, de los componentes del sistema climático con sus interacciones. Se pueden encontrar diferentes tipos dependiendo principalmente del tamaño de la escala espacio-temporal de aplicación, llamada también dominio; y de la cantidad de componentes del clima que incluyen.

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Fig. 21. Alcance y complejidad de los modelos del clima. IPCC SAR.1997 Introducción a los modelos climáticos simples.

 

Se observa en la figura anterior que los modelos de circulación general atmosféricos y los de circulación general de atmósfera y océano acoplados (GCM y AOGCM por sus siglas en inglés, respectivamente) se distinguen por ser los de mayor complejidad, en contraste con los modelos de evaluación integrada (IAM por sus siglas en inglés) que se consideran de mayor alcance pues incluyen más componentes del sistema climático (inclusive aspectos socioeconómicos relacionados con el clima) y su complejidad es intermedia. En el CCA hemos podido construir un IAM que hemos puesto a disposición de la comunidad (Estrada et al., 2011).

La complejidad de los modelos climáticos ha evolucionado a lo largo de los últimos años, desde el modelo radiativo- convectivo de Manabe y Wheterald de 1967, hasta la punta de la pirámide representada por los modelos de circulación general de atmósfera y océano plenamente acoplados de reciente desarrollo (1995 hasta la fecha) como se puede apreciar en la figura siguiente. Hasta el Cuarto Informe de Evaluación del IPCC (AR4, 2007) se contaba con 20 AOGCM’s más 4 de aplicación restringida, desarrollados en diferentes centros de investigación de todo el mundo (ver tabla a continuación de la figura siguiente).
 

Los AOGCM’s representan la mejor herramienta para el estudio del clima porque contienen las ecuaciones matemáticas que describen cuantitativamente los procesos físicos y químicos más importantes que se observan en la atmósfera y el océano, planteadas para muchas variables climáticas en un dominio 3D de alta resolución espacio-temporal, es ahí donde su complejidad radica.



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Fig. 22. Complejidad de los modelos climáticos de atmósfera y océano. McGuffie and Henderson-Sellers, 1997

Es importante mencionar que en nuestro país se ha desarrollado y se mantiene en evolución, un modelo termodínámico del clima (Adem, 1965). En dicho moidelo se incorpora una descripción de la atmósfera más sencilla que la que poseen los MCG's pero que incluye, de modo altamnete parametrizado, muchas variables dinámicas, radiativas y de superficie, así como efectos de retroalimentación, cuyo detalle amerita colocar al modelo en una posción más dirigida hacia el vértice de la pirámide (ver figura 22) en la escala de complejidad.

Tabla 2. Los 20 AOGCM’s de AR4 (más 4 AOGCM’s de aplicación restringida) y los países donde fueron desarrollados.


CMIP3 designator

Country

BCCR-BCM2.0

Norway

CCSM3

USA

CGCM3.1(T47)

Canada

CNRM-CM3

France

CSIRO-Mk3.0

Australia

ECHAM5/MPI-OM

Germany

ECHO-G

Germany/Korea

FGOALS-g1.0

China

GFDL-CM2.0

USA

GFDL-CM2.1

USA

GISS-EH

USA

GISS-ER

USA

INM-CM3.0

Russia

IPSL-CM4

France

MIROC3.2(hires)

Japan

MIROC3.2(medres)

Japan

MRI-CGCM2.3.2

Japan

PCM

USA

UKMO-HadCM3

UK

UKMO-HadGEM1

UK

BCC-CM1

China

CGCM3.1(T63)

Canada

GISS-AOM

USA

INGV-SXG

Italy

Se puede consultar la documentación, referencias y ligas de cada modelo en la pagweb:
www-pcmdi.llnl.gov/ipcc/model_documentation/ipcc_model_documentation.php


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Fig. 23. Para describir gráficamente la manera en que los AOGCM se relacionan con los modelos de evaluación integrada se puede recurrir al diagrama de McGuffie y Henderson-Sellers (1997) que, sin ser exhaustivo, muestra que un AOGCM puede ser usado como punto de partida para estudios de evaluación climática de diferentes aspectos. Los modelos de evaluación integrada están siendo desarrollados a la par que los AOGCM’s.

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Fig. 24. Estructura básica de un AOGCM (v.gr. Hadley Centre, UK)

 

La estructura de los diferentes AOGCM’s es similar, en las pagweb:

www-pcmdi.llnl.gov/projects/cmip/Table.php
www-pcmdi.llnl.gov/ipcc/standard_output.html

se presentan algunas características de cada modelo del AR4 y la lista de las variables climáticas que incluyen, respectivamente.

En general todos reproducen con detalle aceptable los procesos principales de la atmósfera y los océanos. El software MAGICC/SCENGEN es un recurso útil de visualización de los resultados de los AOGCM´s.

http://www.cgd.ucar.edu/cas/wigley/magicc/

Otras diferencias notables se encuentran en:

- Tamaño de la rejilla 3D donde se aplica (resolución espacial).
- Esquema numérico con el que se resuelven las ecuaciones diferenciales que describen el comportamiento de la atmósfera (ecuaciones de movimiento y termodinámica).

- Las diferentes parametrizaciones de procesos de interacción entre los diferentes componentes del clima (convección, cambio de uso de suelo, albedo, hidrología, cubierta nubosa, flujos oceánicos, entre otros).

- La forma de incluir los ciclos  bio-geo-químicos.

- Aunque en escala global el clima base que utilizan es muy semejante, a escala regional pueden aparecer diferencias significativas.

- El modelo digital de elevación global.


fig25a.png
Fig25b.png

Fig. 25. Un modelo climático simple de orden 0 que calcula la temperatura efectiva planetaria a través de un balance de energía. 

El uso de los AOGCM´s en estudios de cambio climático requiere la inclusión de los valores de modelos de emisiones de gases de efecto invernadero, que son estimaciones, apoyadas en parametrizaciones y criterios tanto físicos como socieconómicos, de los valores que tendrían las emisiones de los diferentes GEI en diferentes horizontes o escenarios futuros.


Fig26a.pngfig26b.png

Fig. 26. El árbol de los escenarios de emisiones y los 6 escenarios ilustrativos.

 

 

Usualmente se tienen dichas estimaciones para un horizonte de 100 años  a partir del año 2000. El PICC publicó las especificaciones de los modelos de emisiones en un Reporte Especial de Escenarios de Emisiones :(IPCC SRES, 2000, por sus siglas en inglés). En dicho reporte de proponen 4 familias diferentes de escenarios:

A1: Mundo integrado,  crecimiento económico rápido, población global de 9mil millones para 2050 y luego decrece, rápida difusión de nuevas y eficientes tecnologías, gran interacción social y cultural entre regiones y tendencia convergente en los ingresos y el modo de vida.  A1FI – Fossil intensive.  A1B – Balance en todas las formas de energía. A1T – Fuentes de energía no fósiles.

A2: Mundo más divido en regiones, naciones que operan independientemente, población que crece continuamente, la economía se desarrolla por regiones, cambios tecnológicos más lentos y fragmentados, lo mismo que el ingreso per cápita.

B1: Mundo integrado pero más amable ecológicamente, crecimiento económico rápido, pero orientado hacia la economía de servicio y la información, población de 9mil millones para el 2050 y decreciente después, impulso a las tecnologías limpias y soluciones globales a problemas económicos, sociales y de estabilidad ambiental.
 

B2: Mundo dividido pero amable ecológicamente, población que crece continuamente, pero a tasas menores que A2, soluciones locales más que globales a problemas económicos, sociales y ambientales, niveles intermedios de desarrollo económico, cambios tecnológicos más lentos y fragmentados que en A1 y B1.


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Fig. 27. Emisiones, concentraciones, forzamientos y DT global para los 6 escenarios ilustrativos.


El uso de los escenarios de emisiones permite a los científicos que realizan experimentos con los diferentes AOGCM´s, estimar cuáles serían las características de la atmósfera y el océano en condiciones en las que se tenga una duplicación de la concentración de CO2 en la atmósfera.

Es importante recalcar que para hacer un estudio de cambio climático regional es deseable tener: el clima base de la región, los escenarios de emisiones que se dese aplicar y los AOGCM´s que se deseen contrastar.

Existen disponibles en internet diferentes recursos que permiten conocer cuáles son los valores de las variables climáticas para una región determinada (limitada a la resolución del AOGCM particular cuyos resultados se quieran conocer), algunos de ellos son:

www.cgd.ucar.edu/cas/wigley/magicc/  Ya citado, permite visualizar los escenarios de emisiones, concentraciones, forzamientos radiativos y la temperatura media global, además de que elabora mapas con los resultados de los 20 AOGCM´s del AR4 en combinación con cada uno de los diferentes escenarios de emisiones (casi 40).

www.ipcc-data.org/   Proporciona datos de clima, ambientales y socioeconómicos tanto del pasado como proyecciones hacia el futuro. Guía técnicas para el uso y selección de dichos datos.

pacificclimate.org/tools-and-data/regional-analysis-tool  Datos de clima para diferentes variables de los resultados de AOGCM´s y escenarios de emisiones. También permite visualizar los escenarios, mantenido por la Universidad de Victoria.

 

9. Conclusiones de los reportes del PICC. 

La evidencia científica actual acerca del cambio climático ha sido resumida en la reunión del PICC de París (02/Feb/07).

El Cuarto Informe de Evaluación de PICC (AR4 por sus siglas en inglés) se considera la prueba documental más clara, hasta ahora, de la ocurrencia de un cambio climático.

El Panel Intergubernamental de expertos en Cambio Climático se creó (1988) para tener una fuente objetiva de información científica, técnica y socioeconómica sobre el tema. Está conformada por 3 grupos de trabajo: WG1 ciencia, WG2 Impactos, adaptación y vulnerabilidad, WG3 Mitigación.

Son 3 las evidencias claras mostradas en el informe de 2007:

1. Aumento de la temperatura media global con un aumento significativo en las temperaturas de los océanos.

2. Aumento del nivel del mar.

3. Deshielo en el Ártico en los últimos 35 años.

(http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/syr/en/spm.html)

fig28a.png

Fig. 28. (a) Los cambios observados en la temperatura media global, con respecto al periodo 1961-1990, mostrados en el AR4.

La banda de incertidumbre (en tonalidad azul) se estrecha hacia años recientes, debido en parte, a que la calidad de las mediciones ha mejorado en años recientes. Se puede notar que en los recientes 50 años la tendencia de la temperatura ha sido de aumento persistente lo que dificulta determinar el clima a través del cálculo de una media estadística.


Las otras 2 evidencias (b y c) se muestran a continuación:


fig28b.png

fig28c.png

Es notorio que el nivel del mar responde de manera correlacionada con el aumento de temperatura media, este aumento tiene 2 componentes: deshielo de casquetes polares y expansión volumétrica por incremento de temperatura. La extensión de la cobertura de hielo marino responde de manera más lenta, no se dispone de mediciones sistemáticas del volumen de hielo marino.

Otras conclusiones y hallazgos:

- El calentamiento antropogénico se puede observar en superficie, en la atmósfera, en los océanos.
-
Es muy probable (99%) que el calentamiento en los últimos 50 años no se pueda explicar sin el forzamiento de las actividades humanas.
-
11 de los 12 años más calientes desde 1850 ocurrieron desde 1995.
-
Es virtualmente cierto (VC, 99%) que los niveles de CO2 y el calentamiento están muy por encima del rango de variabilidad natural de los últimos 650 mil años.
-
Es VC que la actividad humana tuvo un rol dominante en el aumento de GEI en los últimos 250 años.
- El aumento del nivel del mar en el S. XXI continuará por expansión térmica de océanos y pérdida de hielos continentales.

- El cambio climático por aumento de CO2 en el S.XXI puede causar el deshielo de la cubierta de Groenlandia en los próximos 1,000 años.

Consideraciones a futuro:

- Aumento de temperatura entre 2 a 4.5ºC, aunque podría ser más.
- Retroalimentaciones positivas: en un mundo caliente, aumenta la evaporación en los océanos. El vapor de agua es el GEI más importante. Ha aumentado 4% desde 1970.

- Por la falta de sumideros, el CO2 puede aumentar hasta 44%, provocando un aumento adicional de 1.2ºC para el 2100.

-
Ondas de calor (como Europa, 2003) más intensas, más duraderas, más frecuentes.
-
Tormentas tropicales y huracanes más intensos, con aumento en la lluvia y mayores inundaciones en las costas.
- El aumento de nivel del mar aumentará entre 28 cm a 43 cm, aún si se estabilizan las concentraciones de CO2.

-
Es probable que Ártico se quede sin hielo en el verano.
- Mayores pérdidas de hielos de glaciares en las montañas, y de capas de hielo y nieve en continentes.
 

Las mapas de las proyecciones para temperatura y precipitación para el planeta se pueden ver en las figuras 29 y 30

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Fig. 29. Cambios Proyectados en Precipitación (2090-2099) con respecto a 1980-1999. Áreas blancas: -66% modelos coinciden en el signo. Áreas punteadas: +90% modelos coinciden en signo.

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Fig. 30. Cambios Proyectados en la Precipitación (2020-2029; 2090-2099). Clima base 1980-1999

 

D. Ligas.

www.inegi.org.mx/geo/contenidos/recnat/clima/default.aspx

www.conabio.gob.mx/informacion/gis/layouts/clima1mgw.gif

koeppen-geiger.vu-wien.ac.at/present.htm

smn.cna.gob.mx

www.ipcc.ch/index.htm

www.wmo.int/pages/index_es.html

www-pcmdi.llnl.gov/ipcc/model_documentation/ipcc_model_documentation.php

www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/syr/en/spm.html

www.climate.gov/#understandingClimate

www.ngdc.noaa.gov/paleo/ctl/about7.html

www.exploratorium.edu/climate/cryosphere/data2.html

www.gg.uwyo.edu/geol1100/Movies/milankovitch_cycle.swf

www.metoffice.gov.uk/climate-change/guide/science

www.atmosfera.unam.mx

www.cics.uvic.ca/scenarios/

www.exploratorium.edu/climate/index.html

globalchange.nasa.gov/index.html

www.ipcc-data.org/  

pacificclimate.org/tools-and-data/regional-analysis-tool 

 

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Conde, C. 2008. México y el Cambio Climático Global. Segunda Edición. SEMARNAT, 25 pp.
http://www.atmosfera.unam.mx/editorial/libros/mexico_cambio_climatico/Mexico_y_el_cambio_climatico_global.pdf

Conde, C., R.M. Ferrer. El Calentamiento Global. 2008. Serie: Libros del Escarabajo. Ciencias de la Tierra.

Estrada, F., C. Gay y C. Conde. 2011. A methodology for the risk assessment of climate variability and change under uncertainty. A case study: coffee production in Veracruz, Mexico. Climatic Change (2012) 113:455–479. DOI 10.1007/s10584-011-0353-9 

Gay, C. 2003. La Atmósfera. Biblioteca Juvenil Ilustrada. Editorial Santillana. 63 pp.

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IPCC, 2007.Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (AR4). WG1, Ch.1. Core Writing Team, Pachauri, R.K. and Reisinger, A. (Eds.) IPCC, Geneva, Switzerland, 104 pp.

IPCC.Technical Paper II - February 1997. An Introduction to Simple Climate Models used in the IPCC Second Assessment Report (SAR). JT Houghton, LG Meira Filho, DJ Griggs and K Maskell (Eds). IPCC, Geneva, Switzerland, 51 pp.

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Kottek, M., J. Grieser, C. Beck, B. Rudolf, and F. Rubel, 2006. World Map of the Köppen-Geiger climate classification updated. Meteorol. Z., 15, 259-263. DOI: 10.1127/0941-2948/2006/0130.

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11.12.    CUESTIONARIO