Cambios Climáticos

REGISTRO SEDIMENTARIO Y CAMBIOS CLIMÁTICOS

Óscar Pintos Rodríguez 1

TEMA 1. CAMBIOS GLOBALES. MÉTODOS EN PALEOCLIMATOLOGÍA

CAMBIO GLOBAL Y SISTEMA CLIMÁTICO La definición tradicional de clima, habla de un conjunto de condiciones atmosféricas de una región dada, junto con la frecuencia de esas condiciones y sus variaciones estacionales. Esta definición no nos resulta útil. Para nosotros, el sistema climático involucra todo el planeta, y es un sistema complejo; se subdivide en sistemas relacionados entre sí: atmósfera, hidrosfera, biosfera y litosfera; cualquier cambio en estos factores, producen un cambio en el sistema climático; a la vez, estos factores interaccionan entre sí; los factores externos juegan un papel importante en el sistema climático. El sistema climático, hay que estudiarlo en base a dos perspectivas: climatología y meteorología, y clima en el tiempo.

DATOS PALEOCLIMÁTICOS El registro paleoclimático consta de indicadores o Proxy, es decir, cualquier elemento geológico o información del clima del pasado (fósiles, isótopos estables, tectónica, formas relictas del relieve, yacimientos minerales como BIF, anillos de los árboles, paleosuelos, …). Una vez que conocemos el indicador, tenemos que situarlo en un lugar y en un tiempo.



Formas relictas del relieve Ej.: bloques herráticos que indicarían paleoclima periglaciar; son muy difíciles de datar. Sedimentos y rocas sedimentarias � Plataformas carbonatadas: Clima tropical. A veces encontramos plataformas a

profundidades donde no hay luz, lo que indica una plataforma relicta. � Formaciones evaporíticas: Acidez. � Sistemas fluviales: Abanicos húmedos; abanicos secos. � Formaciones de carbón: Zonas permanentemente inundadas, por lo que implican

altas precipitaciones.

MÉTODOS ISÓTOPOS ESTABLES En el agua hay 16O y 18O; con la evaporación, se evapora más 16O (vapor rico en isótopos ligeros y agua rica en isótopos pesados). Cuando el vapor de agua se condensa en las nubes, preferentemente se condensa el isótopo pesado; así, la nieve de los casquetes polares contendrá prácticamente sólo 16O. Lo mismo ocurre con los isótopos del hidrógeno. Los datos se comparan con los estándar SMOW (Standard mean oceanic water) para el agua, o PDB (Bellemnites de la formación Pedee) para rocas.

En épocas cálidas, como no hay hielo, no se acumula agua ligera, por lo que la relación isotópica será baja; En épocas frías, se dan casquetes polares muy ricos en isótopos ligeros, que no volverán al mar, por lo que la relación isotópica es alta. Las relaciones isotópicas las medimos en los caparazones fósiles, pero debemos tener en cuenta, que la temperatura varía de épocas frías a épocas cálidas; así, a temperaturas bajas, el caparazón tomará en su estructura, los isótopos que más se aproximen al tamaño de los huecos (mejor, los pesados); al aumentar la temperatura, como aumenta la energía cinética de los átomos, éstos tienden a ocupar espacios mayores, por lo que tanto los átomos ligeros como los pesados, estarán en la estructura. En aguas frías, la relación isotópica será mayor.

MÉTODOS SONDEOS DE HIELO Si tenemos estratificación de crecimiento anual, el espesor de dichos estratos nos informa de las paleoprecipitaciones; Con pocas precipitaciones, da tiempo a que caiga polvo (bandas de coloración mas oscura), y con muchas precipitaciones, menos polvo y color casi transparente; El viento también influye en la cantidad de polvo, así como la cantidad de cobertera vegetal que hace que se arrastre más o menos polvo. Además, podemos medir la relación isotópica; también la acidez, como buen indicador paleoambiental. Además, quedan pequeñas burbujas de aire que nos permiten saber la composición de la atmósfera, en la época de la nevada. Este tipo de estudios, debemos realizarlos en zonas estables, con acumulación continua, siempre a menos de 0 ºC, máximo espesor, y máximo registro. Estas zonas están en la Antártida y en Groenlandia. El hielo se data por estratigrafía visual, por cambios en la acidez o conductividad (muchas veces, se utilizan los datos de erupciones volcánicas para calar los datos, ya que dan picos muy grandes de acidez, y por tanto de resistividad), o por modelización.



MÉTODOS ESPELEOTEMAS La tasa de crecimiento es muy importante, ya que la tasa de goteo influye en el grosor, permitiendo estudiar cambios en la humedad. Las dataciones se llevan a cabo mediante microestratigrafía, y por series de Uranio (U/Th). Normalmente, se aprecia microestratificación interna, que nos indica las condiciones anuales. Generalmente, el factor determinante, es la composición del agua de la lluvia (en épocas cálidas, agua rica en isótopos pesados).

TEMA 2. BALANCE ENERGÉTICO DEL SISTEMA CLIMÁTICO

INTRODUCCIÓN La Tierra emite una energía al espacio, que es igual a la que recibe del Sol (energía absorbida ≈ energía emitida).



BLANCE ENERGÉTICO Energía absorbida

4Te ⋅= σ , siendo σ = 5.5597·10-8 Wm-2K-4 TSol = 5800 ºK

Así, la energía que desprende el Sol, es aproximadamente 6·107 W/m2. Ahora, debemos saber cuánta de esa energía, nos llega a la Tierra:

solarconstante/1360 2

2

←=

= mW

R

RES

orbital

solar

Sol

Para saber la energía interceptada por la Tierra, debemos multiplicar S por la sección eficaz de la Tierra (πR2). Pero la Tierra refleja hasta un 30% de la energía (albedo terrestre). El albedo con nubes es de 0.30, y sin nubes, de 0.16.

La energía absorbida, vendrá dada por la siguiente expresión:

)1( AEE Totalab −=

Temperatura emitida 24 4)( RTE emitida πσ ⋅⋅=

242 4)1( RTRSA eT πσπ ⋅⋅=⋅⋅−

energéticobalanceEcuaciónTSA eT ←⋅=⋅⋅− 44)1( σ

CKSA

TeT º18º2554

)1(4 −==

⋅−=

σ

La temperatura real de la superficie de la Tierra es de 15 ºC; la diferencia con la teórica hallada según la expresión anterior, es debida al efecto invernadero. Temperatura de la superficie

44)1( eTTeSA ⋅=⋅− σ ,

siendo e la emisividad (grados con el que un cuerpo real se aproxima a un emisor perfecto; es de 0.56)



RADIACIÓN SOLAR

Ecuación de Planck

12

5

1

−

⋅

=T

CT

e

CE

λ

λ

λ

,

siendo C1 = 3.74·108 Wµ4/m2

siendo C2 = 1.44·104 Wµ4/m2



TEMA 3. LA ATMÓSFERA Y EL EFECTO INVERNADERO

ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA Mirando la siguiente gráfica, nos damos cuenta de que la atmósfera actúa como filtro, ya que las curvas reales, sobre todo en el caso de la emisión (por parte de la Tierra), no se ajustan a las teóricas.

La atmósfera está casi exclusivamente formada por oxígeno y nitrógeno, con una pequeña cantidad de argón; el resto (algo menos del 0.001% está formada por dióxido de carbono y trazas de otros gases que sin embargo, resultan muy importantes):



El vapor de agua (casi exclusivamente en los niveles inferiores de la atmósfera, donde se forman las nueves), y el ozono (entre los 20 y 50 km de altura) son muy importantes. Además, suspendidas en la masa gaseosa, se encuentran partículas sólidas y gotículas líquidas de distintos compuestos; son los aerosoles. Puesto que el aire es fácilmente comprimible, y debido a la fuerza gravitatoria que la Tierra ejerce sobre él, más de las ¾ partes de la masa atmosférica se concentran en los primeros 12 o 20 km de altura, donde además, se encuentra casi todo el vapor de agua y los aerosoles; esto es la troposfera; en ella se desarrollan la mayor parte de los fenómenos meteorológicas y biológicos no acuáticos, y los mecanismos geológicos de moldeado del relieve. El límite superior, se encuentra a unos 15-20 km de altura en las latitudes intertropicales, y a 8-10 km en los polos; esta es la tropopausa, definida por un cambio térmico brusco: la troposfera se calienta con el calor que emite la superficie terrestre, lo que hace que la temperatura disminuya progresivamente con la altura (cada 1000 m el aire es 6 o 7 º más frío); el enfriamiento culmina en la tropopausa, donde la temperatura deja bruscamente de disminuir, para comenzar a aumentar de forma gradual. Nos encontramos entonces en la estratosfera, caracterizada por un aumento de la temperatura con la altura; en los primeros kilómetros, el incremento es muy moderado, para después aumentar rápidamente; Ese calentamiento es debido a la absorción que el ozono (aquí se concentra la mayor parte: capa de ozono) hace de gran parte de la radiación ultravioleta. El límite superior de la estratosfera (45-50 km) viene definido por la estratopausa, que representa un nuevo cambio térmico brusco. Por encima de ella, se encuentra la atmósfera exterior, que suele tener poca incidencia en el clima. Otra división, habla de de homosfera (composición heterogénea del aire; sólo varia el vapor del agua y el ozono) y heterosfera (composición heterogénea estratificada). Una nueva división, habla de ozonosfera (caracterizada por la presencia de ozono) e ionosfera (caracterizada por la presencia de iones).

LA ATMÓSFERA COMO FILTRO SOLAR La pequeña parte de radiaciones ultravioleta extremos y rayos X que llega a la Tierra, es absorbida en la termosfera, lo que justifica su alta temperatura. Se da la fotoionización: una molécula absorbe un fotón de energía suficiente como para perder un electrón: O2→O. El resto de radiaciones atraviesan la termosfera y la mesosfera, ya que la densidad del aire es muy pequeña. En la estratosfera se da la fotodisociación del O2 (UV-C) y del O3 (UV-B). Este proceso es máximo entre 30 y 80 km; más arriba no hay suficiente concentración de O2, y más abajo, ya no llegan las UV-C: O2+UV(<0.24µ)→2O; O2+O→O3. La molécula de O3 tiene un exceso de energía, que tenderá a perder produciendo calentamiento o dándose la reacción a la inversa; este O3 absorbe la UV entre 0.23 y 0.3 µ: O2 + UV(0.23-0.3µ)→O2+O. Los UV-A no son absorbidos. El espectro visible tampoco es prácticamente absorbido; sufre un proceso de dispersióin (scattering), que puede ser: � Rayleigh (atmósfera limpia de partículas): Cuanto menor es la longitud de onda,

mayor es la dispersión. La consecuencia de esto, es que el cielo sea azul, y que las sombras tengan tonos morados; así, en la luna, las sombras serían negras, ya que no hay atmósfera, y no se produce dispersión. Cuando se está poniendo el Sol, se ve el cielo de color rojizo, ya que los rayos inciden más oblicuos, y están sufriendo mucha dispersión, incluso llegando al rojo.

� Mie (atmósfera sucia de partículas): Se produce radiación de todas las radiaciones por igual (cielos grisáceos).



Parte del IR es absorbido por moléculas bipolares (H2O, CO2, N2O, …).



LA ATMÓSFERA COMO INVERNADERO

Cuando la Tierra remite la energía que le llega del Sol, otra vez al espacio, se encuentra con moléculas de H2O, CO2, O3, … que absorben la energía; Hay una ventana de emisión para el intervalo 8-14 µ, que afortunadamente coincide con el pico de emisión.

Será mayor cuanto mayor sea la concentración de los gases de efecto invernadero, cuanto mayor sea la presión a la que están sometidos, y cuanto mayor sea su temperatura. Las moléculas que absorben la energía, tienden a emitirla rápidamente otra vez; se emitirá a las capas más bajas de la atmósfera, ya que según va ascendiendo va perdiendo la energía ganada; Cuando se enfría del todo, vuelve a descender a las capas bajas, y comienza otra vez el proceso.



BALANCE GLOBAL DE LA RADIACIÓN SOLAR EN LA ATMÓSFERA Nos damos cuenta de que la atmósfera también actúa como receptor y emisor energético.

OZONO El valor medio es de 300 unidades Dobson (3 mm de O3). Los valores más bajos corresponden a zonas tropicales (más radiación, mayor destrucción); además, el ozono es desplazado por los vientos en altura. La destrucción sin UV, se puede llevar a cabo mediante las siguientes reacciones catalíticas:

M+O3→MO+O2 MO+O→M+O2

siendo M moléculas de NO, NO2, NO3, N2O5, BrO, Cl, ClO, OH y/o H2O2

los más efectivos son Cl y ClO; así, por ejemplo: Cl+O3→ClO+O2 ClO+O→Cl+O2

Una molécula de cloro descompone unas 100000 moléculas de ozono, antes de quedar atrapado en una forma menos reactiva, como Cl2, ClONO2 o HCl. El cloro es muy destructivo, pero hasta hace unas décadas era muy escaso en la estratosfera. En los años 20, se descubren los CFCs (cloro-fluoruro-carbonos), y son considerados la Panacea química (punto de ebullición entre -40 ºC y 0 ºC; fáciles de fabricar y almacenar; muy estables; no inflamables; no tóxicos). Presentaban las siguientes propiedades: fluidos activo en refrigerantes, propelentes en sprays, industria del frío, aislantes, extintores, espumas, … Debido a su vida media (65-130), se creyó



que eran buenos trazadores de la atmósfera. Lo malo, es que recientemente se ha descubierto que con los UV sufren un proceso de fotodisociación:

CCl3F+UV→Cl+CCl2F CCl2F2+UV→Cl+CClF2

Así, en los años 70, se empieza a pensar que los CFCs están destruyendo el ozono. En los años 80 se descubre que en la Antártida se está destruyendo muy rápidamente el ozono; fue descubierto en las tomas del British Antartic Survey de la Bahía de Halley. Se publica en 1985, ya que había un cierto miedo a publicarlo, porque el TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer), satélite de la NASA no había advertido de esto. El ordenador del TOMS excluía los valores anómalamente bajos; se recalibra el ordenador y se dan cuenta de que están en lo cierto. Los rusos, también comprueban esto recientemente. Debemos preguntarnos por qué en el resto del planeta no se destruye. Sabemos que CCl3F+UV→Cl+CCl2F y CCl2F2+UV→Cl+CClF2, pero si analizamos la estratosfera en latitudes medias, no hay gran cantidad de Cl, ya que queda atroapado rápidamente en forma de ClONO2 y HCl. El agujero de ozono presenta un ciclo anual: se genera cada primavera austral, y desaparece el siguiente invierno. Este agujero, cada año es más grande. En 1987, la NASA fleta dos aviones que sobrevolarían la Antártida (un DC-8 con numerosos investigadores a bordo que volaría a 12 km de altitud, y un ER-2 con sólo tripulación, a 20 km de altitud). Se descubre que hay una gran presencia de cloro, y pequeñas cantidades de BrO, NOx, ClONO2, HCl y H2O; los compuestos de cloro, se van a las NEPs (nubes estratosféricas polares formadas a -78 ºC); estas nubes están constituidas por pequeños cristales de ácido nítrico trihidratado; se forman a 10-24 km de altura en los meses de Mayo a Septiembre.

ClONO2+HCl→HNO3+Cl2 Cl2+radiación solar→2Cl

La destrucción de ozono, es entre Septiembre y Noviembre, ya que coinciden las NEPs y la radiación solar (antes es de noche, y después ya no se dan NEPs). En 1987 se firma el protocolo de Montreal; sus revisiones posteriores acabarían con la producción de CFCs, apareciendo gases alternativos (HCFC, HFC, PFC, …); lo malo es que son gases invernaderos. A partir del 89 se estabiliza la concentración atmosférica de los CFCs, ya que su tiempo de residencia es entre 65 y 130 años; la situación actual de deterioro estratosférico continuará hasta 2010, y luego mejorará paulatinamente.



En el Ártico no se dan las condiciones necesarias (Vórtice Circumpolar débil, temperaturas estratosféricas más bajas, escasa NEPs) para que se dé un agujero de ozono. Al incrementar los gases de efecto invernadero, hacen que la temperatura en superficie aumente, y la temperatura estratosférica disminuya, por lo que se podrían formar NEPs y producir la destrucción del ozono en el Ártico.

TEMA 4. TRANSPORTE ENERGÉTICO EN LA ATMÓSFERA. CAMBIOS A ESCALAS GEOLÓGICAS

DESEQUILIBRIO ENERGÉTICO LONGITUDINAL Y CIRCULACIÓN ATMOSFÉRICA GENERAL En los Polos, se recibe menos cantidad de energía solar que en la zona tropical. Las zonas que menos reciben, emiten un poco más, con respecto a las zonas que más reciben (se produce un equilibrio del sistema por transporte de calor mediante los vientos, el calor latente y los océanos):

Suponiendo que la Tierra no gira (Modelo de las dos células de Hadley), el desequilibrio térmico que se produce entre Ecuador y Polos, resultaría del desarrollo de un gradiente de temperatura que provocaría un esquema de circulación muy simple, caracterizado por el desarrollo de dos grandes células convectivas, una en cada



hemisferio; en ellas, el aire calentado de las zonas ecuatoriales ascendería hasta niveles altos de la troposfera, donde toparía con el techo térmico que supone la tropopausa, y a esa altura, comenzaría a desplazarse hacia los polos, donde se enfriaría y descendería a superficie; Y, desde los polos, el aire frío se movería de nuevo hacia el Ecuador, pegado a la superficie, donde se iniciaría de nuevo el proceso.

Pero, este modelo es muy simple, ya que no considera la rotación terrestre; esta rotación implica una fuerza de Coriolis, que hace que cualquier fluido que se mueva horizontalmente, tiende a ser desviado hacia la derecha en el Hemisferio Norte, y hacia la izquierda en el Hemisferio Sur. Realmente, esta fuerza es ficticia, ya que los fluidos no se desplazan, sino que somos nosotros los que nos desplazamos. La Fuerza de Coriolis es mayor cuanto más nos acercamos a los polos; cualquier objeto situado sobre la zona ecuatorial, se mueve a 463 m/s (se obtiene multiplicando la velocidad angular por el radio en cada punto), mientras que en latitudes de 30º, es de 401 m/s.

Así, según el Modelo de las tres células: En la zona ecuatorial, se juntan los vientos del Norte y los del Sur (alisios del Hemisferio Norte con los del Hemisferio Sur); esto es el Ecuador climático (zona de convergencia intertropical: ZCIT; 15ºN-15ºS); en esta zona no suele haber vientos (calmas ecuatoriales), y tenemos bajas presiones atmosféricas. El aire procedente del Ecuador, se va haciendo cada vez más seco y frío, por lo que tenderá a descender, lo que implica una acumulación de aire en superficie, es decir altas presiones atmosféricas (cinturón anticiclónico subropical: CAST; 20º-35º N



o S); en esta zona no se dan casi lluvias. En la zona del frente polar (FP; 80º-90º N o S) se da ascenso del aire, bajas presiones, y por tanto precipitaciones.



Anticiclones y borrascas (zonas de altas y bajas presiones)

VIENTOS EN ALTURA En altura, los vientos irán prácticamente paralelos a las isobaras, ya que no hay obstáculos ni rozamiento con la superficie terrestre. Así, en altura, el modelo se simplifica mucho, quedando dominado prácticamente por los vientos del Oeste; de esta forma, si un volcán inyecta materiales en la atmósfera, influirá más en el clima que los materiales inyectados por el Santa Elena (latitudes medias), ya que el material se dispersa con los vientos del Este y los anticiclones; en el caso del material inyectado por el Santa Elena, sería recogido por los vientos del oeste, afectando sólo al Polo Norte. En estas alturas se dan corrientes en chorro (aire canalizado que se mueve a gran velocidad). Hay 5 tipos: 2 Corrientes en Chorro Polares (sobre el Frente Polar), 2 Corrientes en Chorro Subtropicales y 1 Corriente en Chorro Tropical (sobre la ZCIT). Las corrientes en chorro sobre el frente polar, están asociadas a la diferencia térmica; tienen máxima velocidad en invierno (>300 km/h), anchura de 160 a 480 km; altura de 900 a 2100 m. Donde se alcanza la máxima velocidad, se denominan jet streaks. Estas corrientes en chorro, pueden sufrir ondulaciones, que se pueden exagerar hasta quedar estránguladas:



TEMA 5. TRANSPORTE ENERGÉTICO EN LOS OCÉANOS. CAMBIOS A ESCALAS GEOLÓGICAS

HIDROSFERA Y CRIOSFERA EN EL SISTEMA CLIMÁTICO Más del 70% de la Tierra está ocupada por océanos, comunicados entre sí, y que desempeñan un papel importantísimo en sistema climático y su variabilidad en el tiempo. Debido a su extensión y bajo albedo, absorben la mayor parte de la energía. Los océanos, además, constituyen la principal fuente de vapor de agua de la atmósfera, y, un importante almacén de dióxido de carbono, en forma de bicarbonato y carbonato disueltos. Además, los océanos están en continuo movimiento, constituyendo el sistema de circulación oceánica. El movimiento de las aguas, depende de muchos factores, como los vientos (actúan hasta 200 m de profundidad), o la densidad del agua, que a su vez, depende de su salinidad y temperatura: cuanto mayor sea la concentración de sales y menor sea la temperatura, mayor será su salinidad; allí donde se genere un desequilibrio de densidad, la fuerza de la gravedad, tenderá a equilibrarlo, provocando el movimiento de masas de agua. Las aguas someras mezcladas continuamente, se denominan capa oceánica superficial; por debajo, está la termoclina (200-1000 m), caracterizada por un cambio rápido de la temperatura con la profundidad; la termoclina impide que haya un intercambio entre la capa superficial y los niveles inferiores. Bajo la termoclina, se concentra la mayor parte del agua oceánica, que se encuentra entre -1 ºC y 5 ºC.



LAS CORRIENTES SUPERFICIALES

Se dan en los primeros 100-200 metros, donde las aguas son constantemente agitadas por los vientos, y están fuertemente afectadas por las condiciones atmosféricas. Están estructuradas en 5 grandes giros más una corriente circumpolar antártica más un sistema de corrientes ecuatoriales. El sistema de corrientes ecuatorial, hace que en el Hemisferio Norte, la masa de agua tienda amoverse hacia el Norte, y en el Hemisferio Sur, hacia el Sur. Como las aguas tienden a separarse, se genera la contracorriente ecuatorial para equilibrar el sistema. Todas las corrientes pueden dividirse en corrientes límite orientales (en la parte oriental de los océanos; frías; anchas; someras; lentas; poco caudalosas) y en corrientes límite occidentales (en la parte occidental de los océanos; cálidas; estrechas; profundas; rápidas; caudalosas). Las corrientes pueden meandrificar; los meandros pueden llegar a estrangularse, formando anillos de distinta temperatura, que pueden llegar a tener 150-300 km de diámetro, 2500-3000 metros de profundidad, 1.5 m/s rotación, 3.5 km/día, persistencia de 1-3 años. Hay un aumento de temperatura desde los polos hacia el Ecuador, y desde la parte oriental hacia la parte occidental del océano. La máxima salinidad, se da bajo los núcleos anticiclónicos (no llueve; altas evaporaciones). No hay valores negativos en el Atlántico, ya que los vientos alisios que provienen de zonas desérticas africanas, llegan muy secos, las altas evaporaciones del Atlántico enriquecen esos vientos, que tardarán en saturarse; las precipitaciones se producirán pasado el Atlántico; esto justificará salinidad más baja.



UPWELLING Y DOWNWELLING El upwelling es el ascenso de aguas profundas; se pueden dar en zonas medioceánicas o en zonas costeras. En las zonas de bajas presiones, los vientos tienden a diverger, por lo que el nivel del mar es como si bajara, por lo que sube la termoclina, y se da upwelling. Esto se explica con el Transporte de Ekman (90º a la derecha de los vientos en el HN, y 90º a la izquierda de los vientos en el HS). El downwelling es el descenso de aguas superficiales, que también se pueden dar en zonas medioceánicas o en zonas costeras. Se dan en las zonas anticiclónicas, donde los vientos convergen, asciende el nivel del mar, y desciende la termoclina.

CIRCULACIÓN TERMOHALINA Y LA GRAN CINTA TRANSPORTADORA DEL OCÉANO. CAMBIOS CLIMÁTICOS En el océano profundo, el agua también se encuentra en movimiento, siguiendo unos patrones muy distintos a los de circulación superficial, que estaba controlada por los vientos. Aquí, la circulación se produce por las variaciones en la densidad del agua, y la acción de la gravedad terrestre (las aguas más densas tienden a hundirse, y fluir bajo las menos densas). Debido a que la densidad está controlada por su salinidad y temperatura, el conjunto de las corrientes que tienen lugar en la profanidad de los océanos, se conoce como circulación termohalina. Estos modelos son complejos; Wallace S Broecker propuso el modelo de la gigantesca cinta transportadora de agua, y obviamente, de energía y sales disueltas. Esta cinta transportadora define una circulación que involucra a todas las cuencas oceánicas, y que viene determinada por las diferencias de densidad existentes en el seno del agua



oceánica, y por la distribución actual de continentes y océanos. Dicha circulación, tiene su origen en el Atlántico Norte, donde el agua superficial es más rica en sales (más densa), debido al desequilibrio entre evaporación y precipitación; esta densidad producida por la salinidad, se ve incrementada por el enfriamiento que sufren esas aguas, especialmente en invierno. Esta agua se hunde en una enorme corriente descendente con un flujo de 20000000 m3/s, lo que conlleva la formación de las aguas profundas noratlánticas (NADW), que liberan una importante cantidad de energía (entre 500 y 700 millones de megavatios). Esta energía se traduce en calentamiento atmosférico (Europa occidental tiene 5-10º más de temperatura debido a esta corriente). Tras recorrer el Atlántico, en la zona antártica, se incorporan nuevas aguas densas y frías; siguen su recorrido alrededor de la Antártida, extendiéndose hacia el norte, por el Índico y el Pacífico; en los mares tropicales de Indonesia, la corriente incorpora calor y aguas menos salinas; pasan por Asia y Australia, y llegan de nuevo al Atlántico. Un ciclo completo dura cientos de años, por lo que se calcula que el tiempo de mezcla global oceánica es de unos 1500 años. Si por ejemplo se incrementan las precipitaciones en el Atlántico Norte, o se funden los hielos de Groenlandia (efecto invernadero), no se producirían estas corrientes, y se produciría un enfriamiento brusco en el Hemisferio Norte.

TEMA 6. CAMBIOS CLIMÁTICOS A ESCALA DE 100 A 101 AÑOS: ENSO Y NAO

INTERACCION ATMÓSFERA – HIDROSFERA La atmósfera y los océanos están continuamente interactuando; entre ellos se produce permanentemente un intercambio de calor; prueba de ello es el famoso fenómeno de El Niño (anomalías oceanográficas y meteorológicas). El Pacífico es el océano más grande, alcanzando su máxima extensión longitudinal en su mitad meridional; allí, las presiones atmosféricas aparecen esencialmente controladas por el cinturón anticiclónico subtropical del Hemisferio Sur (equivalente al que controla el anticiclón de las Azores en el Hemisferio Norte); Este anticiclón, permanente a lo largo de todo el año, induce en superficie un sistema dominante de vientos: del noroeste en las latitudes medias (vientos del oeste) y del sureste en la zona



próxima al Ecuador (vientos alisios). Estos vientos dominantes inducen las corrientes superficiales en el océano Pacífico, consistentes en un gran vórtice circular formado por la corriente circumpolar antártica procedente del oeste, la corriente del Perú, que circula de sur a norte paralelamente a la costa sudamericana, la corriente Ecuatorial Sur, que se desplaza desde América hacia Indonesia por la franja ecuatorial, y un sistema más complejo de corrientes que, con una componente neta hacia el sur, conectan la zona ecuatorial con la circumpolar a través del pacífico occidental y del Índico. Este sistema transporta aguas frías de las zonas polares a través de la costa sudamericana hacia el ecuador; esta aguas, según se desplazan primero hacia el norte y luego hacia el oeste en la franja ecuatorial, van ganando en temperatura, hasta alcanzar los 30 ºC en Indonesia, donde se encuentran las aguas oceánicas superficiales más calientes del planeta. Esta agua volverá hacia zonas polares. Este efecto, hace que Lima (Perú) y Darwin (Australia) tengan una diferencia de temperatura de 9 ºC, estando a la misma latitud; a las bajas temperaturas de Lima, también contribuye el efecto de upwelling (el nivel del mar está 40 centímetros más bajo que en Australia). Además, las precipitaciones son mucho más abundantes en Darwin que en Lima; además, la zona pacífica occidental presenta sobre su franja ecuatorial, un sistema casi permanente de bajas presiones, frente a las altas que suelen dominar la costa de Perú y Ecuador.

EL NIÑO Y LA NIÑA Hasta ahora, hemos visto como es la interacción entre la atmósfera y la hidrosfera en condiciones normales. Pero durante El Niño (fenómeno que dura entre menos de un año y un año; ocurre cada 2-7 años), la circulación atmosférica general, aparece debilitada sobre el Pacífico, y con ella, la circulación oceánica superficial. Tanto los vientos del oeste en latitudes medias, como los alisios en la zona próxima al Ecuador, presentan patrones anómalos, con direcciones aberrantes y con intensidades moderadas; la primera consecuencia es un debilitamiento de la corriente de Humboldt a lo largo de la costa oeste sudamericana (responsable de las temperaturas relativamente bajas y del upwelling); se produce así, una severa disminución de las reservas pesqueras; además, la mayor temperatura, provoca un incremento en la evaporación, dando una intensa nubosidad y lluvia en zonas habitualmente desérticas (devastadoras inundaciones). Más al Norte, los alisios son tan débiles, que a penas empujan las aguas oceánicas en la corriente ecuatorial (aquella que se desplazaba desde América del Sur hacia Indonesia transportando aguas relativamente frías); esto hace que se caliente el agua ecuatorial, de tal manera, que la piscina ecuatorial antes confinada a Indonesia, se extienda por todo el Pacífico; la evaporación intensa y los escasos vientos provocan precipitaciones en casi todo el Pacífico ecuatorial, siendo especialmente intensas en la parte central, donde las altas presiones han sido reemplazadas por bajas presiones. Este reemplazamiento condiciona la instalación de altas presiones sobre el área indo-australiana (más al Norte), generando sequía y hambruna. Cuando las temperaturas mínimas del agua superficial en la costa norte de Perú son 0.5 ºC superiores a la media durante 6 meses consecutivos, tendremos episodios de El Niño: cuando es sólo de 1 o 2 ºC, tendremos episodios débiles, y cuando puede sobrepasar los 10 ºC, hablamos de episodios fuertes. Esta definición, se recoge en el ENSO (El Niño Southern Oscillation). Cuando se observaban condiciones anómalas, pero contrarias al efecto de El Niño, hablábamos de La Niña: El anticiclón subtropical del Pacífico Sur es fuerte, lo que condiciona que los alisios sean intensos y constantes, lo que a su vez determina el buen discurrir de la corriente Humboldt, el upwelling en la costa de Perú y Ecuador, la corriente ecuatorial relativamente fría y las bajas presiones ecuatoriales concentradas sobre Indonesia; Si estas condiciones prevalecen en el tiempo,



la diferencia de temperatura existente entre el Ecuador y las latitudes medias disminuye (al estar el Ecuador frío), y con ello se debilita la circulación atmosférica, y con ella, el anticiclón subtropical; Los vientos alisios perderán intensidad, la corriente del Perú se atenuará, y desaparecerá el upwelling costero, …., pasando a la situación típica de El Niño, con un sobrecalentamiento ecuatorial. Curiosamente, este aumento de temperatura, reactiva de nuevo el sistema de circulación atmosférica: al incrementarse el gradiente térmico latitudinal, se fortalece el anticiclón subtropical, y nos volvemos a encontrar en las condiciones iniciales (normales, por perdurar más tiempo).

Está claro, que estamos ante un proceso de carácter repetitivo, aunque sin una periodicidad bien definida.



De forma similar, puede ocurrir lo mismo con la corriente de la costa californiana, no produciéndose upwelling en dicha zona; La reestructuración de las corrientes oceánicas y atmosféricas, junto con la alteración del sistema ciclónico ecuatorial / anticiclónico subtropical, provoca un desplazamiento de las regiones de lluvias tropicales, lo que conduce a sequías intensas en el Sur de África, en la región del Níger, norte de China, norte de Sudamérica y Caribe, que se suman a las ya descritas para la India, Indonesia y Australia; al mismo tiempo pueden producirse lluvias torrenciales en zonas desérticas o de bajas precipitaciones como el suroeste de Estados Unidos y norte de México, el sur de Brasil, Paraguay y norte de Argentina, además de las ya mencionadas inundaciones de Perú y Ecuador. En Europa, aunque la correlación es dudosa, todo parece indicar que se produce una alteración en el sistema anticiclónico de las Azores, que determina que las borrascas atlánticas sean desviadas hacia la Península Ibérica, donde tenemos años de precipitaciones notables, particularmente intensas en el sur de la Península.

TEMA 7. CAMBIOS CLIMÁTICOS A ESCALA DE 101 A 104 AÑOS: DINÁMICA SOLAR

MANCHAS SOLARES. CICLOS DE ACTIVIDAD SOLAR Se trata de regiones oscuras de la superficie del Sol. Tienen formas variadas y tamaños que pueden alcanzar los 60000 kilómetros de diámetro; Parecen moverse hacia el este (debido al efecto de la rotación solar, que dura unos 27 días). Están formadas por una parte externa más brillante (penumbra) y un área central oscura (umbra). Se desarrollan en pocos días, alcanzando su tamaño máximo en 7-10 días, y vuelven a desaparecer en el plazo de casi 2 semanas. Se suelen formar en grupos, y suelen estar unos 2000 ºC más frías que el resto de la fotosfera; están caracterizadas por fuertes campos magnéticos. Cuantas más manchas se producen (más fría es la superficie), menos radiación del Sol recibimos. Disponemos de un registro bastante continuo y fidedigno desde el siglo XVII, que nos permite apreciar un repetitivo aumento y disminución del número de manchas, el cual se produce con una frecuencia de 11 años. Esta periodicidad produce cambios en la energía que llega a la Tierra; aunque son poco importantes, pueden producir cambios climáticos notables. De hecho, entre 1645 y 1715 (mínimo de Maunder), no se aprecian ni manchas solares ni auroras polares, coincidiendo esta época con la Pequeña Edad del Hielo (avanzaron los glaciares, y las temperaturas invernales descendieron mucho). Pero realmente, este fenómeno, ¿era aislado, o también cíclico?; dado el corto intervalo de registros, no se podía saber, y habría que recurrir a métodos indirectos. Dichos métodos se basaban en la dendrocronología (anillos de los árboles); cada anillo equivale a un año de crecimiento, y si nos fijamos bien, vemos que no todos los anillos son iguales, sino que unos son más anchos (muestran mejores condiciones de crecimiento, y por tanto épocas más húmedas). Además, los árboles toman dióxido de carbono de la atmósfera para convertirlo en materia vegetal, por lo que los anillos contendrán isótopos de carbono; el 14C (formado al interaccionar los rayos cósmicos con los átomos de nitrógeno atmosférico), dependerá de la cantidad de rayos cósmicos:



en los años de gran actividad solar, el viento solar es muy intenso y se produce un efecto pantalla sobre los rayos cósmicos (poco 14C); por el contrario, en los años de calma solar, el viento solar es débil, y se incorpora mucho 14C. Con respecto al futuro, en el siglo XXI, es previsible que se vuelva a un período similar al de la Pequeña Edad del Hielo.

TEMA 8. CAMBIOS CLIMÁTICOS A ESCALA DE 104 A 105 AÑOS: TEORÍA ORBITAL

LA ÓRBITA TERRESTRE Independientemente de la energía que emita el Sol, la Tierra no siempre la recibe de igual manera, ya que la distancia al Sol, varía con los movimientos orbitales de nuestro planeta. Los cambios orbitales, determinan la existencia y duración de los días, estaciones y de los años, pero también de otros períodos cíclicos que duran varios cientos de años y por eso se escapan a nuestra percepción. El eje de rotación no es exactamente perpendicular al plano eclíptico que describe la órbita terrestre (es de 66.5º); esta oblicuidad determina la distribución de la luz durante el giro, lo que da lugar a las estaciones. Además, el Sol se encuentra en uno de los focos de la elipse que describe la orbita de la Tierra; así, las estaciones frías serán más cortas, y las cálidas, más largas en el Hemisferio Norte que en el Sur. Estos fenómenos, hasta ahora descritos generan cambios climáticos cíclicos, pero con una periodicidad abundante, por lo que los observaremos repetidas veces a lo largo de nuestras vidas, y los consideramos habituales; Sin embargo, hay otros, como la



variación en la inclinación del eje, o modificaciones en la excentricidad de la elipse que define la órbita, que afectan a períodos menos frecuentes.

LA INCLINACIÓN DEL EJE Actualmente es de 23.5 º con respecto a la vertical, pero varía entre 21.6º y 24.5º cada 41000 años. Cuanto más inclinado esté el eje, mayor será el contraste entre el verano y el invierno en las latitudes altas de ambos hemisferios, mientras que el Ecuador permanece prácticamente inalterado.

LA ELIPSE CAMBIANTE La forma de la órbita elíptica que describe la Tierra, varía desde casi circular a bastante elíptica con una periodicidad aproximada de 100000 años. Cuando la excentricidad es muy elevada, en un hemisferio se intensifican las estaciones, mientras que en el otro se suavizan.

PRECESIONES Se denomina precesión axial al “bamboleo” del eje de rotación terrestre, comparable al giro que describe el eje de una peonza en el suelo. Las precesiones determinan la posición de las estaciones de un hemisferio en la órbita terrestre.

CICLOS ORBITALES Y CAMBIO CLIMÁTICO Se sabe que las glaciaciones han sido recurrentes en el tiempo, es decir, que periodos fríos alternaban con otros más cálidos (parecidos al actual). Desde antiguo, se propuso relacionar esta periodicidad en las glaciaciones, con las variaciones orbitales; aunque ignoradas durante años, estas teorías se recogen en la Teoría de Milankovitch, que es la que actualmente aceptamos. Realizando análisis isotópicos de oxígeno en las conchas (cambios en el volumen de hielo almacenado en los glaciares), y añadiendo dataciones muy precisas de dichas conchas podemos obtener variaciones de las temperaturas globales del mar y la alternancia de ciclos glaciares e interglaciares en el tiempo. Como las variaciones climáticas debían estar controladas por los parámetros orbitales, se consideraron las series temporales de variaciones isotópicas, como una compleja función periódica, la cual fue sometida a un análisis espectral, método que permite detectar variaciones cíclicas simples y determinar su amplitud y periodo; cualquier función periódica, por compleja que sea, puede descomponerse en un conjunto de curvas sinusoidales y cosinusoidales simples, de diversas fases, amplitudes y frecuencias; el resultad de este análisis suele representarse en forma espectral, dando



la amplitud total de cada una de esas curvas derivadas en función de la frecuencia o el período. En el análisis espectral realizado por Hays, Imbrie y Shakelton aparecía un pico muy marcado en torno a los 100000 años, lo que indicaba que los grandes cambios climáticos de los últimos 500000 años se había producido con un período dominante de esa duración, la misma con que operan las variaciones de la excentricidad de la órbita. También aparecían otros picos algo menores a 43000 y 20000 años, responsables de cambios menores en la extensión de los hielos glaciares; tenían frecuencias similares a la precesión y la inclinación.

Cambios Climáticos

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