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EL PAPEL DE LA RETROALIMENTACIÓN DE LAS TRES
FASES DEL AGUA EN EL CALENTAMIENTO POR
INCREMENTO DEL CO2 ATMOSFÉRICO
Por Víctor M. Mendoza, René Garduño, Elba E. Villanueva y Julián Adem
Centro de Ciencias de la Atmósfera, UNAM
[email protected]
Algunos puntos importantes:
 El calentamiento global es el fenómeno observado en las medidas de la
temperatura que muestra en promedio un aumento de esta variable en
la atmósfera y en los océanos de la Tierra desde mediados del siglo
XIX, cuando finalizó la etapa conocida como la Pequeña Edad de
Hielo.
 El calentamiento global y el efecto invernadero no son sinónimos. El
efecto invernadero acrecentado por la acción del hombre, como la
quema de combustible fósil y la deforestación, puede ser la causa del
calentamiento global observado.
 El calentamiento global implica cambios en otras variables además de
la temperatura. La complejidad del problema hace que prácticamente la
única manera de evaluar estos cambios sea mediante el uso de modelos
físico matemáticos, entre los cuales se encuentran los modelos
climáticos que se basan en las ecuaciones de la hidrodinámica.
 La hipótesis de que los aumentos o descensos de las concentraciones
de gases de efecto invernadero pueden dar lugar a un incremento o
decremento de la temperatura global fue postulada por primera vez por
Svante Arrhenius a finales del siglo XIX, como un intento de explicar
las eras glaciales. Existen teorías alternas que han intentado explicar el
calentamiento global observado, proponiendo otras causas, como las
variaciones en la irradiancia solar (constante solar) debidas a la
actividad solar.
 El Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC, por sus
siglas en inglés), se fundó con el objetivo de entender las causas
físicas del calentamiento global reciente y evaluar los riesgos que
conllevaría un cambio climático inducido por el calentamiento global,
y finalmente tomar las medidas de mitigación más adecuadas para
enfrentar dicho cambio climático.
 El IPCC cita en su Tercer Reporte (IPCC, 2001) una tendencia del
calentamiento de 0.6 ± 0.2°C en el periodo de 100 años de 19012000, y en su Cuarto Reporte (IPCC, 2007) una tendencia actualizada
de 0.74 ± 0.18°C en el periodo de 100 años de 1906-2005. En el
Cuarto Reporte también cita un forzamiento radiativo neto positivo
en 2005 de 1.6 [de 0.6 a 2.4] Wm2 por las actividades humanas desde
1750; este forzamiento radiativo es comparable al del Bióxido de
Carbono de 1.66 Wm2, este último con menos incertidumbre [de 1.49
a 1.83 Wm2].
 En el cambio climático es importante entender el papel que
desempeñan las retroalimentaciones en el sistema climático
atmósfera-océnos-continentes. De acuerdo con el Cuarto Reporte del
IPCC (IPCC, 2007), el papel de la retroalimentación climática es un
tema que no es del todo claro y por lo tanto requiere de una mayor
investigación.
• Forzamiento radiativo, definido como un desbalance momentáneo en el flujo de
radiación neta en la tropopausa (A), el cual lleva a un ajuste de las temperaturas
estratosféricas (B), manteniéndose las temperaturas fijas en la troposfera y la superficie.
Si el desbalance consiste en que las ventanas del espectro de emisión de la atmósfera se
cierran parcialmente por el incremento de gases de invernadero, entonces un
calentamiento se propaga hacia la troposfera media y se induce un ajuste de las
temperaturas en la troposfera (C), manteniéndose fijas las temperaturas en superficie.
Finalmente termina el desbalance en la tropopausa y las temperaturas en la estratosfera,
en la troposfera y en la superficie se ajustan en un nuevo equilibrio termodinámico (D).
• Forzamiento radiativo calculado por el MTC, debido al incremento anual en la
concentración de CO2 en la atmósfera, de 280ppm en 1750 a 970ppm en 2100, según el
escenario A1FI. Se muestra el rango de estimaciones reportadas por el IPCC (2001 y 2007).
• Cambios en el forzamiento radiativo entre 1750 y 2005 reportados por
El IPCC (2007)
LA IMPORTANCIA DE LAS NUBES COMO RETROALIMENTADOR
La complejidad de la respuesta de las nubes a cambios climáticos ha sido
identificada por los reportes del IPCC como una fuente principal de incertidumbre
en los modelos climáticos. Cambios en el forzamiento radiativo de nubes en
respuesta a forzamientos externos no son del todo entendidos y resultan
complicados de modelar (IPCC 2001, 2007).
Las nubes tienen la propiedad de reflejar y absorber la radiación solar, y por lo
tanto pueden enfriar la superficie de la Tierra; además pueden absorber y emitir
radiación de onda larga y consecuentemente calentar la superficie. En el MTC el
predominio de alguno de estos dos efectos depende de la posición geográfica de
las nubes y del tipo de nubes; sobre regiones polares las nubes bajas calientan la
superficie por absorción de radiación terrestre y sobre latitudes medias y
tropicales enfrían la superficie por reflexión de radiación solar.
En el modelo se supone que las nubes absorben y emiten radiación de onda
larga como cuerpos negros, suposición que también se aplica a la superficie de
océanos y continentes.
 Los cambios en la cubierta de nubes se generan internamente, usando una
regresión lineal múltiple en términos de los cambios de la temperatura y del
viento térmico en la troposfera, de tal manera que un incremento de temperatura
produce, en promedio, un decremento de la cubierta de nubes favoreciendo un
calentamiento adicional de la troposfera y de la superficie; lo opuesto ocurre con
un decremento inicial de temperatura (retroalimentación positiva).
• Retroalimentación de nubes bajas en el MTC. Principalmente en invierno y
primavera, las nubes tienen el efecto de albedo en latitudes bajas y de invernadero
en latitudes altas.
EL VAPOR DE AGUA COMO RETROALIMENTADOR
De acuerdo con el IPCC (2007) la humedad específica cerca de la superficie
muestra una tendencia global por década (1976-2004) de 0.06g/Kg, esta tendencia
positiva sigue a la tendencia de la temperatura del aire cerca de la superficie. La
relación observada entre las tendencias de humedad específica y de temperatura se
puede obtener usando la ecuación de Clausius-Clapeyron y asumiendo que la
humedad relativa es conservada.
 La variabilidad interanual y la tendencia lineal del agua precipitable en la
troposfera baja, promediada sobre los océanos, puede ser reproducida usando los
cambios observados de las temperaturas de la superficie del mar, asumiendo
también que la humedad relativa es conservada durante el periodo 1988-2004
(IPCC, 2007).
En el MTC, los cambios en el agua precipitable son calculados suponiendo que
la humedad relativa promedio en la troposfera es conservada. De esta manera un
incremento inicial en la temperatura produce un incremento en el agua
precipitable, lo cual produce un incremento en la absorción de radiación de onda
larga y una tendencia a la saturación de las bandas superpuestas de H2O y CO2,
dando un calentamiento adicional de la troposfera y la superficie. Lo opuesto
ocurre con un decremento inicial (retroalimentación positiva).
• Retroalimentación del vapor de agua en la atmósfera. El agua presenta una
fuerte opacidad a la radiación infrarroja, de tal manera que el 60% del efecto
invernadero natural en la atmósfera con cielo claro se debe a dicha opacidad
(IPCC, 2007).
LA RETROALIMENTACIÓN DE LA CUBIERTA DE HIELO/NIEVE.
La retroalimentación de temperatura con la capa de hielo y nieve es también
considerada de manera conspicua en el Tercer Reporte de Evaluación del IPCC
(2001).
En el MTC la variabilidad del albedo ha sido generada internamente acoplando
la frontera de la capa de hielo y nieve con la isoterma superficial de 0°C.
Actualmente la extensión de la capa de hielo y nieve es calculada suponiendo que
para temperaturas superficiales menores de -4°C, la superficie está cubierta de
hielo y/o nieve, y que está libre de hielo y/o nieve para temperaturas mayores que
4°C. Entre las isotermas de ±4°C, se asume que hay una transición lineal de una
superficie con hielo y/o nieve a una superficie libre de hielo y/o nieve.
Este acoplamiento lleva a una retroalimentación de la temperatura con la capa
de hielo y nieve, en donde un incremento inicial de temperatura produce un
decremento de la extensión de dicha capa sobre océanos y continentes, lo cual
reduce el albedo de superficie, lo que lleva a un incremento de la temperatura, lo
opuesto ocurre con un decremento inicial de temperatura (retroalimentación
positiva).
• Retroalimentación del casquete de hielo/nieve. En el MTC la isoterma de °C
Determina el limite de la frontera de hielo y nieve.
• Anomalías anuales de la temperatura de la superficie (°C), relativas a 1961-1990, en el
Hemisferio Norte, desde 1980 a 2100. Se muestran las anomalías observadas, así como las
calculadas por el MTC debido al incremento en la concentración de CO2, según los
escenarios A1FI y A1T. Se muestra también los márgenes de variación de los resultados de
diferentes modelos, según el TAR, 2001 del IPCC.
• Incremento del calentamiento de la superficie del Hemisferio Norte calculado por el MTC para el
escenario A1FI, cuando se incorpora la retroalimentación por nubes, por nubes + vapor y por nubes
+ vapor + hielo/nieve. Al año 2100, la retroalimentación de las nubes incrementa el calentamiento
3.2 veces en relación con el calentamiento debido exclusivamente al CO2, de las nubes + vapor 4.3
veces y de las nubes + vapor + hielo/nieve 5.1 veces.
La contribución a los incrementos de la temperatura de la superficie por la
retroalimentación de forzamientos internos en el sistema climático, tales como
las nubes, el vapor de agua y la cubierta de hielo y nieve, puede cuantificarse a
través de ciertos parámetros, como la razón de ganancia, la cual está dada por:
 TS
R
( TS ) 0
(1)
En donde (∆TS) 0 es el incremento de la temperatura cuando solo se consideran
forzamientos externos en el sistema y ∆TS es el incremento incluyendo algún o
algunos forzamientos internos.
El factor de retroalimentación es otro de los parámetros utilizados y está dado
por:
( TS ) 0
f 1 
 TS
(2)
• Razón de ganancia calculada por el MTC. Los tres retroalimentadores combinados
pueden incrementar el calentamiento hacia el año 2010 a ~8 veces, en relación al caso en el
cual no son incluidos, sin embargo las tres fases del agua auto-regulan el calentamiento y
la razón de ganancia se reduce a ~5 hacia el año 2100.
• Factor de retroalimentación calculado por el MTC, usando el escenario A1FI.
Este parámetro muestra la efectividad de las tres fases del agua en el sistema climático. El
máximo alcanzado en ~2010 y el posterior decaimiento muestra que las tres fases del agua
tienen un efecto auto-regulador en el clima, impidiendo que el sistema se caliente de
manera indefinida.
• Factor de retroalimentación incorporando las tres fases del agua, para los escenarios A1T y
A1FI. La auto-regulación del sistema climático es más fuerte en el escenario A1FI que en el
A1T.
• Radiación solar entrante y radiación de onda larga saliente en la tropopausa. La figura
muestra que no existe un balance en el Hemisferio Norte (entre ~12- 90°N) . La
radiación entrante se incrementa debido a una reducción de la nubosidad. Se muestra la
radiación de onda larga saliente observada por Earth Radiation Budget Experiments
(ERBE, 1989).
•Anomalías de la temperatura (°C) de la superficie y anomalías de la nubosidad (%), simuladas por el
MTC para Enero 2100, en el escenario A1FI. Las nubes tienen un efecto de albedo en regiones de
latitudes medias y tropicales y un efecto de invernadero en regiones polares.
• Como en la figura anterior sólo que para Julio 2100. Se observa que el efecto de albedo de las
nubes es más fuerte en regiones continentales que en regiones oceánicas.
• Anomalías del albedo (%) de la superficie simuladas por el MTC para enero 2100 en el
escenario A1FI. Se observa un decremento importante debido a una reducción en la
cubierta de hielo y nieve, la cual está acoplada al campo térmico en superficie.
• Anomalías de la precipitación en porcentaje de normalidad, simuladas por el MTC
para Julio 2100 en el escenario A1FI. Se observa un decremento importante de la
precipitación en las regiones semi-áridas de México y un incremento en las regiones
húmedas.
Conclusiones.
El forzamiento radiativo inducido por el aumento de la concentración del CO2 es algo
superior a 1 W/m2 en 2000 y de acuerdo al escenario A1FI, llegaría a ser de ~5.7 W/m2 al
2100. Este forzamiento calculado por el MTC está dentro del rango de valores reportados
por el Tercer Reporte del IPCC.
Los procesos de retroalimentación en el sistema climático atmósfera-océanos-continentes
desempeñan un papel muy importante en el calentamiento global. En particular en el
Hemisferio Norte, el cambio inducido en la nubosidad por el calentamiento puede
incrementarlo en más de 3 veces.
El factor de retroalimentación se incrementa desde 1980 hasta el 2010, en donde alcanza
un valor máximo, para luego comenzar a decrecer monotónicamente, indicando un proceso
de auto-regulación en el sistema climático. Por ejemplo, la presencia de vapor de agua en la
atmósfera resulta en una superposición con la banda de 15 micras del CO2 que tiende a
saturar el espectro de absorción de la atmósfera al incrementarse el vapor de agua por el
calentamiento, de esta manera se activa un proceso de auto-regulación que se observa en
una disminución del factor de retroalimentación.
Los resultados muestran que en el Hemisferio Norte no existe un balance entre la
radiación solar entrante y la radiación atmosférica saliente en la tropopausa. El incremento
de la radiación solar entrante se debe a la disminución de la nubosidad por el
calentamiento.
En la distribución espacial del calentamiento en el Hemisferio Norte, la nubosidad
desempeña un rol importante. En invierno, hacia el año 2100, sobre las regiones polares su
presencia producirá un efecto invernadero que sobrecalentará la superficie, y en las
regiones de latitudes medias y tropicales su ausencia también sobrecalentará la superficie.
El efecto de las nubes en el sobrecalentamiento es más marcado en las regiones
continentales que en los océanos, lo cual se debe a la fuerte inercia térmica del océano.
FIN
• Tendencia lineal en el agua precipitable en la troposfera baja (%) por
década (arriba) y serie de tiempo mensual (abajo) de anomalías (%) relativas
a 1988-2004 sobre los océanos, así como su tendencia lineal (Trenberth et
al. 2005).
Anomalías anuales de la cubierta de nubes bajas (%) y de la temperatura (°C) del
aire en superficie en el Hemisferio Norte para el periodo 1984-2007. Las nubes
son obtenidas del Proyecto Internacional de Climatología de Nubes de Satélite
(ISCCP) y la temperatura de PD Jones et al. (2010). Se muestran las tendencias
climatológicas (líneas discontinuas) para ambas series.