Infografía extraída de Alma Máter 717, pags 6-7 (https://issuu.com/periodicoalmamater/docs/almamater_ed717_issuu)
El año pasado el profesor Pablo Cuartas (Astronomía, UdeA) y yo escribimos una pequeña pieza para el periódico Alma Máter, titulada «¿Por qué hay calentamiento global?» (https://issuu.com/periodicoalmamater/docs/almamater_ed717_issuu ). A continuación incluyo una versión extendida de dicha pieza. Los mensajes básicos incluyen: i) el cambio climático actual está en gran medida asociado con cambios en el efecto invernadero atmosférico, el cual es un fenómeno físico estudiado desde hace al menos 170 años; y ii) los modelos climáticos están basados en leyes físicas, y nos ayudan a entender los comportamientos no-lineales y emergentes del sistema climático real.
Es fácil escuchar que el planeta se está calentando, que hay un cambio climático, y que por esta razón tenemos muchos desastres naturales, y que tenemos que cambiar de fuentes de energía. Pero… ¿Cuáles son las razones detrás del calentamiento global?
¿Qué es el clima?
Usamos la palabra clima de forma cotidiana para referirnos a las condiciones atmosféricas a cierta hora del día, o de unos pocos días. Si tenemos una mañana soleada y cálida y después una tarde lluviosa y fría, la gente dice: “¡este clima está muy loco!”. Sin embargo es normal que la atmósfera tenga variaciones entre una hora y otra, entre la mañana y la tarde, entre el día y la noche, o a lo largo de varios días. A estas variaciones cortas se les conoce como estado del tiempo.
Sin embargo la palabra clima en realidad se refiere al estado promedio de la atmósfera a lo largo de los años, es decir, el clima de una región se refiere a las condiciones típicas de temperatura, lluvias, nubes, viento, etc., propias de un lugar. Por ejemplo, el clima de Medellín es más frío y lluvioso que el de La Guajira.
El clima también puede variar en periodos de años, décadas, o siglos, o en periodos incluso más largos. El clima puede tener periodos fríos y cálidos, o lluviosos y secos, de forma totalmente natural, sin que los humanos intervengan: a dichas fluctuaciones se les llama variabilidad natural. Por ejemplo, gran parte de Antioquia estuvo más cálido y seco entre 1991 y 1992, mientras que estuvo más frío y lluvioso entre 2010 y 2012. El sistema climático puede exhibir gran diversidad de variaciones, debido a la complejidad de sus componentes (incluyendo la atmósfera y el océano) y de las interacciones entre ellos. Algunas variaciones son debidas a la distancia y orientación de la órbita de la Tierra respecto al Sol, incluyendo variaciones más periódicas como las estaciones o los ciclos de Milankovitch. Otras variaciones no son periódicas, como la alternancia entre El Niño y La Niña. Si el clima siempre está teniendo variaciones ¿por qué tanto alboroto con el famoso cambio climático?
¿Qué es el efecto invernadero?
La atmósfera envuelve todo el planeta y está hecha por moléculas que no podemos ver a simple vista. Estas moléculas pueden absorber, dispersar y/o emitir parte de la energía que fluye a través del sistema climático en forma de radiación, incluyendo la luz del Sol, y otras formas no visibles como la radiación ultravioleta (que en exceso puede ser nociva para la piel) o la radiación infrarroja (que tiene que ver con la temperatura de los objetos). En 1856 Eunice Newton Foote, encontró que el vapor de agua (H2O en forma gaseosa) y el dióxido de carbono (CO2) son gases que pueden absorber una gran cantidad de la radiación y la usan para aumentar su temperatura. Años después, John Tyndall midió con mayor precisión estos efectos, llevándose de paso todo el crédito por el descubrimiento de estos fenómenos, casi por 150 años. El efecto neto es que la presencia del vapor de agua y el dióxido de carbono en la atmósfera hacen que la energía que entra del Sol no salga tan fácilmente, ayudando más bien a que la temperatura del planeta sea mayor que si no tuviéramos atmósfera. A este fenómeno se le conoce como efecto invernadero, y al dióxido de carbono, el vapor de agua y otros gases como el metano, se les llama gases de efecto invernadero. Hay que aclarar que no es que los gases de efecto invernadero impliquen una acumulación sin límites de la energía en la atmósfera (aunque hay casos dramáticos, como el de Venus). Lo que sucede en realidad es más bien que, con gases de efecto invernadero, la energía se transforma unas cuantas veces más antes de salir del planeta de nuevo al espacio, y en el proceso logramos quedar con temperaturas mayores que las que tendríamos si no existiera atmósfera.
Si la cantidad de gases de efecto invernadero en la atmósfera fuera constante, entonces el efecto neto produciría una temperatura de la atmósfera (incluyendo la que sentimos los humanos en la superficie terrestre) no muy variable, alrededor de cierto valor de equilibrio. Sin embargo, como conjeturó la misma Foote, si aumentara la cantidad de dióxido de carbono (u otros gases de efecto invernadero), entonces la temperatura debería aumentar también. Décadas más tarde (1896) el físico y químico Svante Arrhenius formuló la misma hipótesis, calculando incluso cuál sería el incremento en temperatura para diferentes latitudes si se aumentara la cantidad de dióxido de carbono. De este modo, la respuesta de la temperatura (una de muchas variables climáticas) al aumento de gases de efecto invernadero ha sido estudiada desde hace más de 160 años, lo cual nos sirve de indicador de la madurez del entendimiento de la física básica detrás de este aspecto del sistema climático. Sin embargo el problema no es tan simple, pues la energía en la atmósfera no solo fluye en forma de radiación, sino también por movimientos del aire. Entran los modelos climáticos.
¿Para qué sirven los modelos climáticos?
La parte de los rayos del Sol que logra llegar hasta la superficie terrestre calienta la superficie, que a su vez calienta el aire. El calentamiento no es uniforme debido a que la superficie de la Tierra es de tipo esférico, recibiendo más radiación por unidad de área cerca al ecuador. Además, la superficie tiene diferentes tipos de cobertura (e.g. agua, bosques, desiertos, casquetes polares) que se calientan diferente, ayudando con la producción de vientos. La atmósfera es un sistema fluido en el que se pueden crear porciones de aire caliente que tienden a subir (convección) y formar nubes, mientras otras porciones del fluido tienden a bajar. Todos estos movimientos transportan energía dentro de la atmósfera, tanto entre los trópicos y los polos, como entre la superficie y los niveles más altos. Si queremos saber cual es la temperatura de la atmósfera y la de la superficie, se hace necesario contar los flujos de energía más importantes, asociados tanto a la radiación como a la convección y a los vientos.
Estas cuentas están regidas por leyes básicas de la Física, incluyendo la conservación de la masa atmosférica, su cantidad de movimiento y de energía. Las ecuaciones correspondientes no son sencillas (diferenciales parciales, no-lineales, acopladas), y para poder solucionarlas es necesario hacer suposiciones y aproximaciones muy inteligentes antes de proceder a hacer los cálculos numéricos. En 1974 Syukuro Manabe enfrentó el reto de seleccionar y aproximar las ecuaciones físicas adecuadas para entender mejor qué pasaría si se doblara la cantidad de dióxido de carbono en una atmósfera. El conjunto de ecuaciones, aproximaciones y código computacional usados por Manabe constituyen un modelo de circulación general, que es un tipo de modelo climático. En general los modelos climáticos no buscan dar información demasiado detallada, como la hora y lugar donde va a llover (eso lo hacen los modelos meteorológicos); más bien se usan para entender y estimar la evolución y cambios del clima a lo largo de muchos meses, años, o siglos
Dentro de los hallazgos más importantes de Manabe (al duplicar la cantidad de dióxido de carbono en su modelo climático) está el incremento de la temperatura en los primeros niveles de la atmósfera (troposfera), pero un enfriamiento más arriba (estratósfera), además de lluvias más fuertes (a veces mencionado como “intensificación del ciclo hidrológico”). Manabe no era el primero en usar un modelo de circulación general (desde los 1950’s ya se usaban este tipo de modelos), pero la pregunta que estaba abordando era tan importante, y sus métodos tan novedosos, que en 2021 Manabe fue uno de los receptores del Premio Nobel de Física por este trabajo.
Partes muy importantes de los comportamientos reportados por Manabe se han venido observando en la atmósfera real de la Tierra: esto indica que la ciencia básica asociada a cambios cualitativos posibles en el sistema (e.g. aumento de temperaturas, lluvias más fuertes) se conoce bien. No obstante, la atmósfera real de la Tierra tiene muchísimos detalles que modelos como el de Manabe no incluían. Debemos tener en cuenta otros elementos para estudiar los cambios en el clima. Los modelos climáticos más recientes (como los evaluados en el último informe sobre del IPCC) son mucho más sofisticados, representando el sistema climático con mucho más detalle (tanto en resolución espacio-temporal como en cantidad y complejidad de procesos).
¿Cómo saber que hay calentamiento global?
El sistema climático de la Tierra es complejo, con múltiples componentes e interacciones, lo cual hace que los cambios en la temperatura de la baja atmósfera tengan muchas diferencias entre un lugar y otro del planeta a lo largo de los años y las décadas. Parte de estas fluctuaciones se deben a la variabilidad natural (a la cual nos referimos antes). Durante los últimos 150 años se ha notado un incremento general en la temperatura promedio del planeta, al tiempo que se han incrementado los niveles de dióxido de carbono, en mayor medida debido al uso de combustibles fósiles de los seres humanos, pero incluyendo otras acciones antropogénicas como la deforestación, la expansión de las áreas urbanas, entre otras.
Los modelos climáticos indican que continuar emitiendo gases de efecto invernadero a la atmósfera implica mayores incrementos en la temperatura global. Los modelos además sugieren cambios en otros aspectos del clima: lluvias más fuertes, sequías más largas, derretimiento acelerado del hielo en los polos y los glaciares, aumento en el nivel del mar, olas de calor, entre otros fenómenos que afectan tanto la supervivencia de los humanos como el funcionamiento y existencia de múltiples ecosistemas y especies.
La magnitud (qué tanto aumentaría la temperatura, o cambiaría la lluvia) y distribución (e.g. dónde se darían los mayores cambios) específica de estos fenómenos a lo largo del planeta es un tema de continuo monitoreo con una gran variedad de sistemas de medición que incluye estaciones climatológicas, radares meteorológicos, satélites, boyas en los océanos, torres de flujos en los bosques, campañas intensivas de medición, etc. Usando modelos climáticos cada vez más sofisticados también se busca entender y predecir los cambios generales de temperaturas, lluvias y otros aspectos del clima de diferentes regiones del mundo. Para ello es necesario incluir en tales modelos representaciones de las interacciones entre la atmósfera, la hidrosfera, criosfera, litosfera y biosfera.
En resumen, podemos decir que: i) la temperatura global del planeta ha ido incrementando y que esto se debe en mayor medida a las emisiones de gases de efecto invernadero por cuenta de los humanos; ii) entendemos bien la física básica detrás de este fenómeno; iii) los modelos climáticos nos ayudan a entender cambios generales en el clima sin necesidad de tener una correspondencia minuto a minuto entre los resultados de un modelo climático y la realidad, ya que nos interesan en realidad los promedios; y iv) es necesario seguir monitoreando y modelando el clima para cuantificar y entender mejor los detalles de los cambios en el clima en diferentes regiones del mundo.
* Ver páginas 6-7 de Alma Mater 717:
Ver además artículo asociado en páginas 8-9: “¿Por qué debemos hablar de emergencia climática?” , por la profesora Paola Arias.
"HydroMet" 