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ACERCA DE LAS TENDENCIAS DE TEMPERATURA EN LA CAPA DE MEZCLA
OCEÁNICA Y EL CAMBIO CLIMÁTICO
Vicente Barros & Elizabeth Castañeda ([email protected])
Departamento de Ciencias de la Atmósfera – Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.
Ciudad Universitaria – Pabellón II. Piso 2. C.P. 1248. Buenos Aires. Argentina
Abstract
Within the mixed layer of the ocean, temperature is almost constant with depth, so it mean
value can be approximated by the sea surface temperature. This temperature, weighted by the maximum annual depth of the mixed layer, was integrated for both hemispheres and globally. A global
positive trend of this weighted temperature during 1948-1993 was detected, due to a Southern Hemisphere warming of about 0.07°C/10 years, while the Northern Hemisphere did not show any trend. In
terms of the heat stored, the weighted temperature trend during 1948-1993 is equivalent to an atmospheric warming of 4°C, indicating that the mixed layer weighted temperature evidences, more than the
atmospheric temperature, an energy flow unbalance during the last decades.
1. Introducción
La parte superior del océano afectada por los vientos mantiene sus propiedades verticales
homogéneas debido a la mezcla, conformando la capa de mezcla, donde en particular la temperatura
cambia poco o nada con la profundidad. Más debajo de la capa de mezcla, excepto en las regiones de
convección profunda de latitudes altas, aparece una zona de fuerte disminución de la temperatura con
la profundidad, la termoclina, que desacopla térmicamente el océano profundo de la capa superior a
escalas de tiempo anual y posiblemente decádica. La temperatura de superficie de mar (SST) es
representativa de la temperatura de la capa de mezcla y en gran medida condiciona el cambio de
energía entre el océano y la atmósfera. A causa de la gran diferencia en la capacidad calorífica entre el
aire y el agua, la temperatura de superficie del aire sobre los océanos tiende a ajustarse a la SST, no
habiendo grandes diferencias con ella ni, en consecuencia, con la temperatura de la capa de mezcla. La
profundidad de capa de mezcla (MLD) tiene un ciclo estacional forzado por el viento y el ciclo
radiativo estacional. En latitudes medias y altas, la variación estacional de esta profundidad es más
pronunciada. Por lo tanto, la parte del océano que interactúa térmicamente con la atmósfera varía
geográficamente y a lo largo del año. Cada año, la capa de mezcla alcanza una profundidad máxima y
es esta capa la que interactúa térmicamente con la atmósfera en la escala anual de tiempo. Namias y
Born (1970,1974) consideraron que las anomalías de temperatura que se forman en superficie y se
extienden en toda la capa de mezcla durante el invierno pueden permanecer casi intactas por debajo de
la termoclina estacional durante el verano siguiente, reapareciendo en superficie cuando la capa de
mezcla nuevamente se profundice en el siguiente otoño o invierno. Alexander y Deser (1995)
analizaron datos y simulaciones en el Hemisferio Norte que confirman la hipótesis de Namias y Born.
Estos resultados indican que la temperatura de la máxima profundidad de capa de mezcla (MMLD) que
se observa generalmente al final del tiempo invernal en latitudes medias y altas presenta una
continuidad en la escala interanual y parece ser un parámetro representativo de las tendencias térmicas
globales en escalas de tiempo decádica a secular.
Por lo tanto, en este trabajo el contenido anual de calor de la capa de océano limitada por la
MMLD es aproximado por la SST que corresponde al mes de la MMLD, pesada en cada punto por el
volumen correspondiente, por ejemplo, el producto entre MMLD, y la superficie asociado. La
temperatura de la capa de mezcla pesada (MLWT) se integra luego para ambos hemisferios y
globalmente.
2. Datos
Las MLD medias mensuales para todo el océano fueron desarrolladas por Monterey y Levitus
(1997). Computaron la profundidad de capa de mezcla de perfiles climatológicos medio mensuales de
temperatura potencial y densidad potencial en base en dos criterios diferentes: un cambio de
temperatura desde la superficie del océano de 0.5°C y un cambio de densidad desde la superficie del
océano de 0.125 (sigma unidades), con una resolución de 1° x 1 En este estudio, las MLDS calculadas
con el criterio de cambio de temperatura para las regiones entre 70°N y 70°S se combinan con las
obtenidas por los mismos autores para latitudes más altas con el criterio de cambio de densidad.
Los datos de SST pertenecen a dos grandes bases de datos: los COADS, una compilación
extensiva de observaciones de datos de tiempo desde buques de mercantes (Woodruff et al, 1993. La
cobertura de datos mejoró apreciablemente recién después de la Segunda Guerra Mundial, aunque la
falta de datos persistió en muchas regiones especialmente al sur de 40°S. Por estas limitaciones en los
datos, las tendencias calculadas en este estudio se limitaron al período 1948-1993. La segunda base de
son los análisis de SST globales mejorados por Reynolds (Reynolds y Smith, 1994). La técnica usa
datos tomados in situ y derivados de satélite para producir análisis mensuales. Las anomalías de SST
fueron obtenidas al restar la SST / Reynolds 1982 - 1993 de los promedios de la serie mensual de SST /
COADS del período 1948-1993.
3. Capacidad calorífica de la capa de océano limitada por la MMLD
Las Figuras 1 y 2 muestran las distribuciones globales de MMLD y sus meses correspondientes.
MMLD es menor de 100 metros para la mayoría del océano tropical. En latitudes altas, la MMLD
aumenta, en particular en el Hemisferio Sur donde alcanza 900 metros. La MMLD se observa en
ambos hemisferios en meses invernales y en unas pocas regiones ecuatoriales en octubre.
La Figura 3 muestra la capacidad calorífica de la capa de océano por encima de la MMLD
como una función de la latitud. La mayor parte de la capacidad calorífica está en el Hemisferio Sur,
debido tanto a la mayor extensión oceánica como a la mayor MMLD. La capacidad calorífica global es
de 3.97 * 1022 cal/°K, alrededor 29 veces más alta que el valor correspondiente a la atmósfera entera,
0.14 * 1022 cal/°K. Esto significa que la capacidad calorífica del sistema climático, definido para la
escala anual de tiempo, es provista prácticamente por la capa de océano por encima de la MMLD y nos
garantiza un análisis de sus tendencias de temperatura como una medio para comprender cuan bien el
presente calentamiento observado en la temperatura de superficie de aire representa al sistema
climático.
La Figura 4 presenta la variabilidad interanual de la MLWT para cada hemisferio y para el
globo. Puesto que los datos esporádicos y limitados hacen imposible calcular tendencias al sur de
50°S, nos referiremos como Hemisferio Sur a la porción al norte de esta latitud y por Global a esta
región más el Hemisferio Norte. La tendencia positiva global en el período de 46 años es casi
enteramente debida a la tendencia del Hemisferio Sur, de alrededor 0.07°C/10 años. El Hemisferio
Norte no presenta indicios de calentamiento, mientras en el Hemisferio Sur la diferencia entre valores
medios de la MLWT del último y del primer período de diez años es significativa (ver Tabla 2). La
pronunciada tendencia de enfriamiento del Hemisferio Norte desde finales de los ‘50 hasta mediados
de los ‘70 mostrada en la Figura 4 no es evidente en el Hemisferio Sur donde una tendencia constante
de calentamiento con una notable frecuencia de 10 años es observada.
La diferencia en la temperatura anual de superficie entre series hemisféricas es mucho menor
que en la MLWT (ver Tabla II y Jones et al, 1998). Aunque el Hemisferio Sur nuevamente muestra el
calentamiento mayor, el Hemisferio Norte tiene una apreciable tendencia positiva. Una posible
explicación es que el desbalance de flujo de energía afectó las latitudes del sur y el calentamiento
consiguiente que ha tenido lugar allí se propaga más rápido hacia el Hemisferio Norte mediante la
atmósfera que a través del océano. Sin embargo, debido a la gran diferencia en la capacidad calorífica,
un cambio relativamente pequeño en el transporte meridional podría producir una respuesta térmica
más rápida en la atmósfera que en el océano superior. De hecho, la correlación interhemisférica entre
los datos de temperatura del aire es mayor que la correspondiente a datos marinos, especialmente en las
frecuencias más altas del espectro interanual mientras que en escalas decádicas o más largas los datos
de tierra y mar muestran correlaciones comparables entre hemisferios.
4. Discusión
El forzante radiativo de los gases invernadero desde el tiempo pre-industrial se estima en 2.45
W/m2 con un error del 15% (IPCC, 1996), con una distribución uniforme sobre ambos hemisferios.
Otras emisiones antropogénicas como los sulfatos atmosféricos, reflejan la radiación solar hacia el
espacio; su contribución al forzante radiativo es negativa, en una magnitud que es incierta (Kiehl y
Briegleb, 1993). Debido a la distribución desigual de las fuentes de sulfatos y al corto tiempo de
residencia de estos sulfatos en la atmósfera, el forzante radiativo de los aerosoles debería ser
apreciablemente más grande en el Hemisferio Norte.
Alrededor del 70% de los forzantes radiativos son debido al incremento de los gases
invernadero y los aerosoles desde el decenio de 1950. Por lo tanto, en ausencia de otros cambios
inducidos por la variabilidad natural, la mayor parte del efecto antropogénico sobre el Clima debería
aparecer en las tendencias desde aproximadamente ese período. Sin embargo, la temperatura de
superficie media global exhibe su calentamiento más fuerte en la primera parte de este siglo, apoyando
la idea que la mayor parte de ese calentamiento fue por causas naturales. Después de los ‘50, en el
Hemisferio Sur, donde el efecto invernadero claramente supera el efecto aerosol, la MLWT tuvo una
tendencia positiva importante. En el Hemisferio Norte, esta tendencia es pequeña y no significativa
como puede esperarse por el efecto compensatorio de los gases de invernadero y los aerosoles. Este
resultado concuerda cualitativamente con las simulaciones de modelos. Taylor y Penner (1994), con
un forzante de sulfatos y CO2 encontraron una diferencia notable en las respuestas de temperatura de
superficie entre hemisferios: un aumento desde tiempo pre-industriales de 1.1°C en el Hemisferio Sur y
de sólo 0.5°C en el Hemisferio Norte. Ellos usaron un modelo general de circulación para la atmósfera
acoplado a una capa de mezcla de 50m en el océano; sin embargo,.la MMLD es en promedio más
profunda. Considerando que esto cambia la capacidad calorífica, y suponiendo una aproximada
correspondencia entre la temperatura media anual de superficie y la MLWT, hay un buen acuerdo
especialmente en el Hemisferio Sur donde la presencia de los forzantes aerosoles juegan un papel
menor.
El desbalance del flujo de energía, producido por un aumento del efecto invernadero, almacenó
calor en la capa de océano por encima de la MMLD en el Hemisferio Sur y en bajas latitudes en el
Hemisferio Norte. El aumento de temperatura resultante en el océano superior del Hemisferio Sur se
propagó hacia la troposfera. La correlación interanual entre la MLWT hemisférica y la temperatura de
superficie fue de 0.90 en el Hemisferio Sur y solamente de 0.63 en el Hemisferio Norte. Esta
diferencia podría atribuirse a la diferente proporción de mar y tierra de cada hemisferio, pero puede
también ser debida a la influencia de la temperatura de superficie del Hemisferio Sur sobre la
temperatura de superficie del Hemisferio Norte ya discutida. Por otra parte, la tendencia de la
temperatura de superficie del Hemisferio Norte es menor que la tendencia de la temperatura de
superficie del Hemisferio Sur y mayor que la tendencia de la MLWT del Hemisferio Norte, indicando
que la temperatura de superficie del Hemisferio Norte podría ser controlada por tanto la temperatura
del mar del Hemisferio Sur como la del Hemisferio Norte.
5.Conclusiones
En la escala anual, los componentes principales del sistema climático son la atmósfera y el
océano superior. La capacidad calorífica de este sistema es casi completamente provista por la capa de
mezcla del océano; dos tercios de esta capacidad calorífica se encuentra en el Hemisferio Sur. La
tendencia positiva significativa observada en la MLWT del Hemisferio Sur refleja, más que las
tendencias atmosféricas, el desbalance del flujo de energía. Desde el punto de vista del calor
almacenado, el calentamiento total de la capa de océano por encima de la MMLD desde 1948 a 1993
es equivalente a unos 4°C de la atmósfera entera.
Debido a la falta de datos adecuados, los resultados presentados en este trabajo deberían
considerarse únicamente como una aproximación de primer orden. No obstante, las tendencias de
MLWT observadas corresponden a lo que parece ser una señal de los forzantes radiativos de origen
antropogénicos de las últimas décadas, específicamente calentamiento del Hemisferio Sur y cambio
nulo o tendencias negativas en latitudes altas y medias del Hemisferio Norte. Esto agrega una nueva
evidencia de una tendencia global de calentamiento relacionado al aumento de los gases invernadero.
En este contexto, el control de la capa de mezcla oceánica a escala global aparece como una parte
necesaria de un Sistema de Observación del Clima Global para la vigilancia del Clima.
Referencias
Alexander, M. A. y Deser C.: 1995, ‘A Mechanism for the Recurrence of Wintertime Midlatitude SST
Anomalies’, J. Climate, 25, 122-137.
IPCC: 1996, ‘Climate Change 1995, The Science of Climate Change’, edited by J.T. Hougton, L. G. et.
al. Cambridge University Press, 570 pp.
Jones, P. D., Raper, S.C., Bradley, R.S., Díaz, H.F., Kelly, P.M., y Wigley, T.M.: 1986a, ‘Northern
Hemisphere Surface Air Temperature Variations: 1851-1984’, J. of Clim. and Appl. Meteor. 25.
Jones, P. D., Raper, S.C. y Wigley. T.M.:1986b, ‘Southern Hemisphere Surface Air Temperature
Variations 1851-1984’, J. Clim. Appl. Meteorol. 21, 1212-1230.
Jones, P. D., Parker, D.E., Osborne, T.J. y Briffa, K.R.: 1998, ‘Global and Hemispheric Temperature
Anomalies--Land and Marine Instrumental Records’, Trends: A Compendium of Data on Global
Change, Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, USA.
Kiehl, J. T. y Briegleb, B. P.: 1993’ ‘The Relative Role of Sulphate Aerosols and Greenhouse Gases in
Climate Forcing’, Science, 260, 311-314.
Monterey, G. y Levitus, S.: 1997, ‘Seasonal Variability of Mixed Layer Depth for the World Ocean’,
NOAA Atlas NESDIS 14. U.S. Department of Commerce. NOAA.
Namias, J. y Born, R.M.:1970, ‘Temporal Coherence in North Pacific Sea-Surface Temperature Patterns’, J. Geophys. Res. 75, 5952-5955.
Namias, J. y Born, R.M.: 1974, ‘Further Studies of Temporal Coherence in North Pacific Sea-Surface
Temperatures’, J. Geophys. Res, 79, 797-798.
Taylor, K. E. y Penner. J. E.: 1994, ‘Response of the Climate System to Atmospheric Aerosols and
Greenhouse Gases’, Nature, 369, 734-737.
Woodruff, S. D., Lubker, S. J., Wolter, K., Worley, S.J. y Elms, J. D.: 1993, ‘Comprehensive OceanAtmosphere Data Set (COADS) Release 1a: 1980-1992’, Earth System Monitor, Vol. 4, No. 1, September 1993, NOAA.
Figura 1. Meses de mayor profundidad de capa
Mezcla de mezcla.
Figura 2. Máxima Profundidad de Capa de
(MMLD, en metros)
1.20E+19
1.00E+19
cal/(°C km)
8.00E+18
6.00E+18
4.00E+18
2.00E+18
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
0.00E+00
-20 -10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-2.00E+18
Northern Hemisphere
latitude
Southern Hemisphere
Figura 3. Capacidad Calorífica de la capa oceánica en función de la latitud
0.5
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
1948
-0.1
1953
1958
1963
1968
1973
1978
1983
1988
-0.2
-0.3
Hemisferio Norte
-0.4
Hemisferio Sur
-0.5
1993
anomalía de temperatura (°C)
anomalía de temperatura(°C)
0.4
a)
b)
0.3
0.2
0.1
0.0
1948
-0.1
1953
1958
1963
1968
1973
1978
1983
1988
1993
-0.2
-0.3
Todos los océanos
-0.4
-0.5
años
years
Figura 4. Anomalías Anomalías de la Temperatura Pesada en la Capa de Mezcla (MLWT).
a)Hemisfeerios Norte y Sur; b) Todos los océanos
Tabla I Capacidades caloríficas hemisféricas y globales de la capa oceánica. (cal/°K)
Todos los océanos
3.98*1022
Hemisferio Norte
1.38*1022
Hemisferio Sur
2.59*1022
Tabla II. Tendencias de la Temperatura Pesada en la Capa de Mezcla (MLWT).
Diferencia entre promedios Desviación
de MLWT para los períodos Standard
1984-1993 y 1948-1957 (°C) Total (°C)
Hemisferio Norte 0.0369
0.1091
MWLT
Hemisferio Sur
0.2680*
0.1209
Todos los océanos 0.1631*
0.0894
0.1578
Temperatura Hemisferio Norte 0.1780
0.3660*
0.1668
de superficie Hemisferio Sur
Global
0.2560*
0.1453
(Jones et
al,1998)
* Significativa al nivel de confianza de 99% para un test t de Student.
Tendencia Lineal
(°C/año)
-0.0002
0.0071
0.0038
0.0042
0.0097
0.0064