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Sensibilidad climática

Diagrama de los factores que determinan la sensibilidad climática. Tras el aumento de los niveles de CO₂ , se produce un calentamiento inicial. Este calentamiento se ve amplific...

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Diagrama de los factores que determinan la sensibilidad climática. Tras el aumento de los niveles de CO₂ , se produce un calentamiento inicial. Este calentamiento se ve amplificado por el efecto neto de las retroalimentaciones climáticas .

La sensibilidad climática es una medida clave en la ciencia del clima y describe cuánto se calentará la superficie de la Tierra en respuesta a una duplicación de la concentración atmosférica de dióxido de carbono ( CO₂ ) . [ 1 ] [ 2 ] Su definición formal es: "El cambio en la temperatura de la superficie en respuesta a un cambio en la concentración atmosférica de dióxido de carbono (CO₂ ) u otro forzamiento radiativo". [ 3 ] : 2223 Este concepto ayuda a los científicos a comprender el alcance y la magnitud de los efectos del cambio climático .

La superficie terrestre se calienta como consecuencia directa del aumento del CO₂ atmosférico , así como del aumento de las concentraciones de otros gases de efecto invernadero como el óxido nitroso y el metano . El aumento de las temperaturas tiene efectos secundarios en el sistema climático . Estos efectos secundarios se denominan retroalimentaciones climáticas . Las retroalimentaciones autorreforzantes incluyen, por ejemplo, el derretimiento del hielo que refleja la luz solar, así como una mayor evapotranspiración . Este último efecto aumenta el vapor de agua atmosférico promedio, que a su vez es un gas de efecto invernadero .

Los científicos desconocen la magnitud exacta de estas retroalimentaciones climáticas. Por lo tanto, resulta difícil predecir la cantidad precisa de calentamiento que se producirá ante un determinado aumento en las concentraciones de gases de efecto invernadero. Si la sensibilidad climática resulta ser superior a las estimaciones científicas, el objetivo del Acuerdo de París de limitar el calentamiento global a menos de 2 °C (3,6 °F) será aún más difícil de alcanzar. [ 4 ]  

Existen dos tipos principales de sensibilidad climática: la respuesta climática transitoria es el aumento inicial de la temperatura global cuando se duplican los niveles de CO₂, y la sensibilidad climática de equilibrio es el mayor aumento de temperatura a largo plazo después de que el planeta se ajusta a la duplicación. La sensibilidad climática se estima mediante varios métodos: observar directamente la temperatura y las concentraciones de gases de efecto invernadero desde que comenzó la Revolución Industrial alrededor de la década de 1750, utilizar mediciones indirectas del pasado remoto de la Tierra y simular el clima .

Fundamentos

La velocidad a la que la energía llega a la Tierra (en forma de luz solar) y la abandona (en forma de radiación térmica al espacio) debe estar en equilibrio , o el planeta se calentará o enfriará. Un desequilibrio entre la energía de radiación entrante y saliente se denomina forzamiento radiativo . Un planeta más cálido irradia calor al espacio con mayor rapidez , por lo que finalmente se alcanza un nuevo equilibrio, con una temperatura más alta y un mayor contenido de energía almacenada . Sin embargo, el calentamiento del planeta también tiene efectos en cadena , que generan un mayor calentamiento en un ciclo de retroalimentación que se agrava . La sensibilidad climática es una medida de cuánto cambio de temperatura provocará una cantidad determinada de forzamiento radiativo. [ 5 ]

Forzamiento radiativo

Los forzamientos radiativos generalmente se cuantifican en vatios por metro cuadrado (W/m² ) y se promedian sobre la superficie superior de la Tierra, definida como la parte superior de la atmósfera . [ 6 ] La magnitud de un forzamiento es específica del impulsor físico y se define en relación con un período de tiempo de interés para su aplicación. [ 7 ] En el contexto de una contribución a la sensibilidad climática a largo plazo de 1750 a 2020, el aumento del 50 % en el CO₂ atmosférico2 se caracteriza por un forzamiento de aproximadamente +2,1 W/m².[ 8 ] En el contexto de las contribuciones a corto plazo al desequilibrio energético de la Tierra (es decir, su tasa de calentamiento/enfriamiento), los intervalos de tiempo de interés pueden ser tan cortos como el intervalo entre las muestras de datos de medición o simulación, y por lo tanto es probable que estén acompañados de valores de forzamiento más pequeños. Los forzamientos de tales investigaciones también se han analizado y reportado en escalas de tiempo decenales. [ 9 ] [ 10 ]

El forzamiento radiativo produce cambios a largo plazo en la temperatura global. [ 11 ] Varios factores contribuyen al forzamiento radiativo: aumento de la radiación descendente debido al efecto invernadero , variabilidad en la radiación solar por cambios en la órbita planetaria , cambios en la irradiancia solar , efectos directos e indirectos causados ​​por aerosoles (por ejemplo, cambios en el albedo por la nubosidad) y cambios en el uso del suelo (deforestación o pérdida de la capa de hielo reflectante). [ 6 ] En la investigación contemporánea, el forzamiento radiativo por gases de efecto invernadero se comprende bien. A partir de 2019, persisten grandes incertidumbres para los aerosoles. [ 12 ] [ 13 ]

Números clave

Los niveles de dióxido de carbono ( CO₂ ) aumentaron de 280 partes por millón (ppm) en el siglo XVIII, cuando los humanos en la Revolución Industrial comenzaron a quemar cantidades significativas de combustibles fósiles como el carbón, a más de 415 ppm en 2020. Como el CO₂ es un gas de efecto invernadero , impide que la energía térmica abandone la atmósfera terrestre. En 2016, los niveles atmosféricos de CO₂ habían aumentado un 45 % con respecto a los niveles preindustriales, y el forzamiento radiativo causado por el aumento de CO₂ ya era más de un 50 % mayor que en la época preindustrial debido a efectos no lineales. [ 14 ] [ nota 1 ] Entre el inicio de la Revolución Industrial en el siglo XVIII y el año 2020, la temperatura de la Tierra aumentó un poco más de un grado Celsius (aproximadamente dos grados Fahrenheit). [ 15 ]

Importancia social

Dado que la economía de la mitigación del cambio climático depende en gran medida de la rapidez con que se deba alcanzar la neutralidad de carbono , las estimaciones de sensibilidad climática pueden tener importantes implicaciones económicas y políticas. Un estudio sugiere que reducir a la mitad la incertidumbre del valor de la respuesta climática transitoria (TCR) podría ahorrar billones de dólares. [ 16 ] Una mayor sensibilidad climática implicaría aumentos más drásticos de la temperatura, lo que hace más prudente tomar medidas climáticas significativas. [ 17 ] Si la sensibilidad climática resulta estar en el extremo superior de lo que estiman los científicos, no se podrá alcanzar el objetivo del Acuerdo de París de limitar el calentamiento global a muy por debajo de 2  °C, y los aumentos de temperatura superarán ese límite, al menos temporalmente. Un estudio estimó que las emisiones no se pueden reducir lo suficientemente rápido para cumplir el  objetivo de 2 °C si la sensibilidad climática de equilibrio (la medida a largo plazo) es superior a 3,4 °C (6,1 °F) . [ 4 ] Cuanto más sensible sea el sistema climático a los cambios en las concentraciones de gases de efecto invernadero, más probable será que haya décadas en las que las temperaturas sean mucho más altas o mucho más bajas que el promedio a largo plazo. [ 18 ] [ 19 ]  

Factores que determinan la sensibilidad

El forzamiento radiativo causado por la duplicación de los niveles de CO₂ atmosférico ( desde los 280 ppm preindustriales) es de aproximadamente 3,7 vatios por metro cuadrado (W/m² ) . En ausencia de retroalimentaciones, el desequilibrio energético resultaría finalmente en un calentamiento global de aproximadamente 1 °C (1,8 °F) . Esta cifra es fácil de calcular utilizando la ley de Stefan-Boltzmann [ nota 2 ] [ 20 ] y es indiscutible. [ 21 ]  

Otra contribución surge de las retroalimentaciones climáticas , tanto autorrefuerzo como equilibrio . [ 22 ] [ 23 ] La incertidumbre en las estimaciones de sensibilidad climática proviene principalmente de las retroalimentaciones en el sistema climático, incluyendo la retroalimentación del vapor de agua , la retroalimentación hielo-albedo , la retroalimentación de las nubes y la retroalimentación del gradiente térmico . [ 21 ] Las retroalimentaciones de equilibrio tienden a contrarrestar el calentamiento al aumentar la tasa a la que se irradia energía al espacio desde un planeta más cálido. Las retroalimentaciones autorrefuerzo aumentan el calentamiento; por ejemplo, las temperaturas más altas pueden causar el derretimiento del hielo, lo que reduce el área de hielo y la cantidad de luz solar que refleja el hielo, lo que a su vez resulta en que se irradie menos energía térmica de vuelta al espacio. La reflectividad de una superficie se llama albedo . La sensibilidad climática depende del equilibrio entre esas retroalimentaciones. [ 20 ]

Tipos

Esquema de cómo se relacionan entre sí las diferentes medidas de sensibilidad climática.

Según la escala temporal, existen dos formas principales de definir la sensibilidad climática: la respuesta climática transitoria a corto plazo (TCR) y la sensibilidad climática de equilibrio a largo plazo (ECS), las cuales incorporan el calentamiento derivado de la exacerbación de los bucles de retroalimentación . No son categorías discretas, sino que se superponen. La sensibilidad a los aumentos de CO₂ atmosférico se mide en la magnitud del cambio de temperatura ante la duplicación de la concentración de CO₂ atmosférico . [ 24 ] [ 25 ]

Aunque el término "sensibilidad climática" se usa generalmente para referirse a la sensibilidad al forzamiento radiativo causado por el aumento del CO₂ atmosférico , es una propiedad general del sistema climático. Otros agentes también pueden causar un desequilibrio radiativo. La sensibilidad climática es el cambio en la temperatura del aire superficial por unidad de cambio en el forzamiento radiativo, y el parámetro de sensibilidad climática [ nota 3 ] se expresa, por lo tanto, en unidades de °C/(W/m² ) . La sensibilidad climática es aproximadamente la misma independientemente de la causa del forzamiento radiativo (como los gases de efecto invernadero o la variación solar ). [ 26 ] Cuando la sensibilidad climática se expresa como el cambio de temperatura para un nivel de CO₂ atmosférico que duplica el nivel preindustrial, sus unidades son grados Celsius (°C).

respuesta climática transitoria

La respuesta climática transitoria (RCT) se define como "el cambio en la temperatura superficial media global, promediada durante un período de 20 años, centrada en el momento de la duplicación del dióxido de carbono atmosférico, en una simulación de modelo climático" en la que la concentración de CO₂ atmosférico aumenta al 1% anual. [ 27 ] Esta estimación se genera utilizando simulaciones a corto plazo. [ 28 ] La respuesta transitoria es menor que la sensibilidad climática de equilibrio porque las retroalimentaciones más lentas, que exacerban el aumento de temperatura, tardan más en responder completamente a un aumento en la concentración de CO₂ atmosférico . Por ejemplo, el océano profundo tarda muchos siglos en alcanzar un nuevo estado estacionario después de una perturbación durante la cual continúa actuando como sumidero de calor, lo que enfría la superficie del océano. [ 29 ] La evaluación de la literatura del IPCC estima que la RCT probablemente se encuentra entre 1 °C (1,8 °F) y 2,5 °C (4,5 °F) . [ 30 ]    

Una medida relacionada es la respuesta climática transitoria a las emisiones acumuladas de carbono (TCRE), que es el cambio de temperatura superficial promedio global después de que se hayan emitido 1000 GtC de CO₂ . [ 31 ] Como tal, incluye no solo las retroalimentaciones de temperatura a los forzamientos, sino también el ciclo del carbono y las retroalimentaciones del ciclo del carbono. [ 32 ]

Sensibilidad climática de equilibrio

La sensibilidad climática de equilibrio (ECS) es el aumento de temperatura a largo plazo ( temperatura media global del aire cerca de la superficie en equilibrio ) que se espera que resulte de una duplicación de la concentración atmosférica de CO₂ (ΔT 2× ). Es una predicción de la nueva temperatura media global del aire cerca de la superficie una vez que la concentración de CO₂ haya dejado de aumentar y la mayoría de las retroalimentaciones hayan tenido tiempo de ejercer su efecto completo. Alcanzar una temperatura de equilibrio puede llevar siglos o incluso milenios después de que el CO₂ se haya duplicado. La ECS es mayor que la TCR debido a los efectos amortiguadores a corto plazo de los océanos. [ 25 ] Se utilizan modelos informáticos para estimar la ECS. [ 33 ] Una estimación exhaustiva significa que modelar todo el período de tiempo durante el cual las retroalimentaciones significativas continúan cambiando las temperaturas globales en el modelo, como las temperaturas oceánicas que se equilibran completamente, requiere ejecutar un modelo informático que cubra miles de años. Sin embargo, existen métodos menos intensivos en computación . [ 34 ]

El Sexto Informe de Evaluación del IPCC ( AR6 ) afirmó que existe una alta confianza en que la ECS se encuentra dentro del rango de 2,5  °C a 4  °C, con una mejor estimación de 3  °C. [ 35 ]

Las largas escalas de tiempo involucradas con ECS hacen que sea posiblemente una medida menos relevante para las decisiones políticas en torno al cambio climático. [ 36 ]

Sensibilidad climática efectiva

Una aproximación común a la ECS es la sensibilidad climática de equilibrio efectiva, que es una estimación de la sensibilidad climática de equilibrio utilizando datos de un sistema climático en un modelo u observaciones del mundo real que aún no está en equilibrio. [ 27 ] Las estimaciones suponen que el efecto de amplificación neta de las retroalimentaciones, medido después de algún período de calentamiento, permanecerá constante posteriormente. [ 37 ] Esto no es necesariamente cierto, ya que las retroalimentaciones pueden cambiar con el tiempo . [ 38 ] [ 27 ] En muchos modelos climáticos, las retroalimentaciones se vuelven más fuertes con el tiempo y, por lo tanto, la sensibilidad climática efectiva es menor que la ECS real. [ 39 ]

Sensibilidad del sistema terrestre

Por definición, la sensibilidad climática de equilibrio no incluye retroalimentaciones que tardan milenios en surgir, como los cambios a largo plazo en el albedo de la Tierra debido a cambios en las capas de hielo y la vegetación . Tampoco incluye la respuesta lenta del calentamiento de los océanos profundos, que tarda milenios. [ 40 ] La sensibilidad del sistema terrestre (ESS) incorpora los efectos de estos bucles de retroalimentación más lentos, como el cambio en el albedo de la Tierra por el derretimiento de grandes capas de hielo continentales , que cubrieron gran parte del hemisferio norte durante el Último Máximo Glacial y aún cubren Groenlandia y la Antártida . También se incluyen los cambios en el albedo como resultado de cambios en la vegetación, así como cambios en la circulación oceánica. [ 41 ] [ 42 ] Los bucles de retroalimentación a largo plazo hacen que la ESS sea mayor que la ECS, posiblemente el doble. Se utilizan datos de la historia geológica de la Tierra para estimar la ESS. Las diferencias entre las condiciones climáticas modernas y las de hace mucho tiempo significan que las estimaciones de la ESS futura son muy inciertas. [ 43 ] El ciclo del carbono no está incluido en la definición del ESS, pero todos los demás elementos del sistema climático sí lo están. [ 44 ]

Sensibilidad a la naturaleza de la fuerza

Los distintos agentes forzantes, como los gases de efecto invernadero y los aerosoles, pueden compararse mediante su forzamiento radiativo , el desequilibrio radiativo inicial promediado en todo el planeta. La sensibilidad climática es la cantidad de calentamiento por cada forzamiento radiativo. En una primera aproximación, la causa del desequilibrio radiativo no importa. Sin embargo, el forzamiento radiativo de fuentes distintas al CO₂ puede provocar un calentamiento superficial ligeramente mayor o menor que el mismo forzamiento promedio del CO₂ . La cantidad de retroalimentación varía principalmente porque los forzamientos no se distribuyen uniformemente en todo el planeta. Los forzamientos que calientan inicialmente el hemisferio norte, la tierra o las regiones polares generan más retroalimentaciones autorrefuerzantes (como la retroalimentación hielo-albedo) que un forzamiento equivalente del CO₂ , que se distribuye de forma más uniforme en todo el planeta. Esto da lugar a un mayor calentamiento general. Varios estudios indican que los aerosoles emitidos por el ser humano son más eficaces que el CO₂ para modificar las temperaturas globales, y el forzamiento volcánico es menos eficaz. [ 45 ] Cuando la sensibilidad climática al forzamiento del CO 2 se estima utilizando la temperatura histórica y el forzamiento (causado por una mezcla de aerosoles y gases de efecto invernadero), y no se tiene en cuenta ese efecto, la sensibilidad climática se subestima. [ 46 ]

Dependencia del estado

Representación artística de una Tierra bola de nieve.

La sensibilidad climática se ha definido como el cambio de temperatura a corto o largo plazo resultante de cualquier duplicación del CO₂ , pero hay evidencia de que la sensibilidad del sistema climático de la Tierra no es constante. Por ejemplo, el planeta tiene hielo polar y glaciares de gran altitud . Hasta que el hielo del mundo se haya derretido por completo, un bucle de retroalimentación hielo-albedo autorreforzante hace que el sistema sea más sensible en general. [ 47 ] A lo largo de la historia de la Tierra, se cree que en múltiples períodos la nieve y el hielo cubrieron casi todo el globo. En la mayoría de los modelos de la "Tierra Bola de Nieve", partes de los trópicos estuvieron al menos intermitentemente libres de hielo. A medida que el hielo avanzaba o retrocedía, la sensibilidad climática debió ser muy alta, ya que los grandes cambios en el área de cobertura de hielo habrían producido una retroalimentación hielo-albedo muy fuerte . Se cree que los cambios en la composición atmosférica volcánica proporcionaron el forzamiento radiativo necesario para escapar del estado de bola de nieve. [ 48 ]

La sensibilidad climática de equilibrio puede cambiar con el clima.

A lo largo del período Cuaternario (los últimos 2,58  millones de años), el clima ha oscilado entre períodos glaciales , el más reciente el Último Máximo Glacial , y períodos interglaciales , el más reciente el Holoceno actual , pero la sensibilidad climática de cada período es difícil de determinar. El Máximo Térmico del Paleoceno-Eoceno , hace unos 55,5  millones de años, fue inusualmente cálido y pudo haberse caracterizado por una sensibilidad climática superior a la media. [ 48 ]

La sensibilidad climática podría cambiar aún más si se superan los puntos de inflexión. Es improbable que los puntos de inflexión provoquen cambios a corto plazo en la sensibilidad climática. Si se supera un punto de inflexión, se espera que la sensibilidad climática cambie en la escala temporal del subsistema que alcanza dicho punto. Especialmente si existen múltiples puntos de inflexión que interactúan entre sí, la transición del clima a un nuevo estado podría ser difícil de revertir. [ 49 ]

Las dos definiciones más comunes de sensibilidad climática especifican el estado climático: la ECS y la TCR se definen para una duplicación con respecto a los niveles de CO₂ de la era preindustrial. Debido a los posibles cambios en la sensibilidad climática, el sistema climático puede calentarse en una cantidad diferente después de una segunda duplicación de CO₂ que después de una primera duplicación. Se espera que el efecto de cualquier cambio en la sensibilidad climática sea pequeño o insignificante en el primer siglo después de que se libere CO₂ adicional a la atmósfera . [ 47 ]

Estimación

Utilizando datos de la Era Industrial (1750-presente)

La sensibilidad climática se puede estimar utilizando el aumento de temperatura observado, la absorción de calor oceánico observada y el forzamiento radiativo modelado u observado. Los datos se vinculan a través de un modelo simple de balance energético para calcular la sensibilidad climática. [ 50 ] El forzamiento radiativo se modela a menudo porque los satélites de observación de la Tierra que lo miden solo han existido durante parte de la Era Industrial (solo desde finales de la década de 1950). Las estimaciones de sensibilidad climática calculadas utilizando estas restricciones energéticas globales han sido consistentemente más bajas que las calculadas utilizando otros métodos, [ 51 ] alrededor de 2 °C (3,6 °F) o menos. [ 50 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]  

Las estimaciones de la respuesta climática transitoria (RCT) calculadas a partir de modelos y datos de observación pueden conciliarse si se tiene en cuenta que se realizan menos mediciones de temperatura en las regiones polares, que se calientan más rápidamente que la Tierra en su conjunto . Si solo se utilizan las regiones para las que se dispone de mediciones al evaluar el modelo, las diferencias en las estimaciones de la RCT son insignificantes. [ 25 ] [ 55 ]

Un modelo climático muy simple podría estimar la sensibilidad climática a partir de datos de la Era Industrial [21] esperando a que el sistema climático alcance el equilibrio y luego midiendo el calentamiento resultante, ΔT eq ( ° C ) . El cálculo de la sensibilidad climática de equilibrio, S (°C), utilizando el forzamiento radiativo ΔF (W/m² ) y el aumento de temperatura medido, sería entonces posible. El forzamiento radiativo resultante de una duplicación del CO₂ , F₂ × CO₂ , es relativamente bien conocido , alrededor de 3,7 W/m² . Combinando esa información se obtiene la siguiente ecuación:

S=ΔTmiq×F2×doO2/ΔF{\displaystyle S=\Delta T_{eq}\times F_{2\times CO_{2}}/\Delta F}.

Sin embargo, el sistema climático no está en equilibrio, ya que el calentamiento real se retrasa con respecto al calentamiento de equilibrio, principalmente porque los océanos absorben calor y tardarán siglos o milenios en alcanzar el equilibrio. [ 21 ] Estimar la sensibilidad climática a partir de datos de la Era Industrial requiere un ajuste a la ecuación anterior. El forzamiento real que siente la atmósfera es el forzamiento radiativo menos la absorción de calor del océano, H (W/m² ) , y por lo tanto, la sensibilidad climática se puede estimar:

S=ΔT×F2×doO2/(ΔF−H).{\displaystyle S=\Delta T\times F_{2\times CO_{2}}/(\Delta FH).}

El aumento de la temperatura global entre el comienzo del Período Industrial (que se toma como 1750 ) y 2011 fue de aproximadamente 0,85 °C (1,53 °F) . En 2011, el forzamiento radiativo del CO₂ y otros gases de efecto invernadero de larga duración (principalmente metano , óxido nitroso y clorofluorocarbonos ) que se han emitido desde el siglo XVIII fue de aproximadamente 2,8 W/m² . El forzamiento climático, ΔF , también contiene contribuciones de la actividad solar (+0,05 W/m² ) , aerosoles (−0,9 W/m² ) , ozono (+0,35 W/m² ) y otras influencias menores, lo que lleva el forzamiento total durante el Período Industrial a 2,2 W/m² , según la mejor estimación del Quinto Informe de Evaluación del IPCC de 2014, con una incertidumbre sustancial. [ 56 ] La absorción de calor del océano, estimada por el mismo informe que sea 0,42 W/m 2 , [ 57 ] produce un valor para S de 1,8 °C (3,2 °F) .    

Otras estrategias

En teoría, las temperaturas de la era industrial también podrían usarse para determinar una escala de tiempo para la respuesta de temperatura del sistema climático y, por lo tanto, la sensibilidad climática: [ 58 ] si se conoce la capacidad calorífica efectiva del sistema climático y la escala de tiempo se estima usando la autocorrelación de la temperatura medida, se puede obtener una estimación de la sensibilidad climática. Sin embargo, en la práctica, la determinación simultánea de la escala de tiempo y la capacidad calorífica es difícil. [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]

Se han realizado intentos para utilizar el ciclo solar de 11 años para limitar la respuesta climática transitoria. [ 62 ] La irradiancia solar es aproximadamente 0,9 W/m² mayor durante un máximo solar que durante un mínimo solar , y esos efectos pueden observarse en las temperaturas globales promedio medidas desde 1959 hasta 2004. [ 63 ] Desafortunadamente, los mínimos solares en ese período coincidieron con erupciones volcánicas, que tienen un efecto de enfriamiento sobre la temperatura global . Debido a que las erupciones causaron una disminución mayor y menos cuantificada en el forzamiento radiativo que la reducción de la irradiancia solar, es cuestionable si se pueden derivar conclusiones cuantitativas útiles de las variaciones de temperatura observadas. [ 64 ]

Las observaciones de erupciones volcánicas también se han utilizado para intentar estimar la sensibilidad climática, pero dado que los aerosoles de una sola erupción permanecen en la atmósfera como máximo un par de años, el sistema climático nunca puede alcanzar el equilibrio, y el enfriamiento es menor que si los aerosoles permanecieran en la atmósfera durante más tiempo. Por lo tanto, las erupciones volcánicas solo proporcionan información sobre un límite inferior de la sensibilidad climática transitoria. [ 65 ]

Utilizando datos del pasado de la Tierra

La sensibilidad climática histórica se puede estimar utilizando reconstrucciones de las temperaturas pasadas de la Tierra y los niveles de CO₂ . Los paleoclimatólogos han estudiado diferentes períodos geológicos, como el cálido Plioceno (de 5,3 a 2,6 millones de años atrás) [ 66 ] y el más frío Pleistoceno (de 2,6 millones a 11.700 años atrás) [ 67 ] , y han buscado períodos que sean de alguna manera análogos o informativos sobre el cambio climático actual. Los climas más antiguos en la historia de la Tierra son más difíciles de estudiar porque hay menos datos disponibles sobre ellos. Por ejemplo, las concentraciones pasadas de CO₂ se pueden derivar del aire atrapado en núcleos de hielo , pero a partir de 2020  El núcleo de hielo continuo más antiguo tiene menos de un millón de años. [ 68 ] Los períodos recientes, como el Último Máximo Glacial (UMG) (hace unos 21.000 años) y el Holoceno Medio (hace unos 6.000 años), se estudian con frecuencia, especialmente cuando se dispone de más información sobre ellos. [ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]

Una estimación de sensibilidad de 2007 realizada utilizando datos de los últimos 420  millones de años es consistente con las sensibilidades de los modelos climáticos actuales y con otras determinaciones. [ 72 ] El Máximo Térmico del Paleoceno-Eoceno (hace unos 55,5  millones de años), un período de 20 000 años durante el cual una cantidad masiva de carbono entró en la atmósfera y las temperaturas globales promedio aumentaron aproximadamente 6 °C (11 °F) , también proporciona una buena oportunidad para estudiar el sistema climático cuando estaba en un estado cálido. [ 73 ] Los estudios de los últimos 800 000 años han concluido que la sensibilidad climática fue mayor en los períodos glaciales que en los interglaciales. [ 74 ]  

Como su nombre indica, el Último Máximo Glacial fue mucho más frío que hoy, y se dispone de buenos datos sobre las concentraciones atmosféricas de CO₂ y el forzamiento radiativo de ese período. [ 75 ] El forzamiento orbital del período fue diferente al actual, pero tuvo poco efecto directo sobre las temperaturas medias anuales. [ 76 ] La estimación de la sensibilidad climática a partir del Último Máximo Glacial puede hacerse de varias maneras diferentes. [ 75 ] Una forma es utilizar estimaciones del forzamiento radiativo global y la temperatura directamente. Sin embargo, el conjunto de mecanismos de retroalimentación activos durante el período puede ser diferente de las retroalimentaciones causadas por una duplicación actual del CO₂, [ 77 ] y tales diferencias de retroalimentación entre estados climáticos deben tenerse en cuenta al inferir la sensibilidad climática actual a partir de la evidencia paleoclimática. [ 78 ] [ 76 ] [ 79 ] En un enfoque diferente, se utiliza un modelo de complejidad intermedia para simular las condiciones durante el período. Se ejecutan varias versiones de este único modelo, con diferentes valores elegidos para los parámetros inciertos, de modo que cada versión tiene un ECS diferente. Los resultados que mejor simulan el enfriamiento observado durante el Último Máximo Glacial probablemente producen los valores de ECS más realistas. [ 80 ]

Utilizando modelos climáticos

Histograma de la sensibilidad climática de equilibrio, derivado a partir de diferentes supuestos plausibles.
Distribución de frecuencia de la sensibilidad climática de equilibrio basada en simulaciones de la duplicación del CO₂ . [ 81 ] Cada simulación de modelo tiene estimaciones diferentes para procesos que los científicos no comprenden suficientemente. Pocas de las simulaciones resultan en un calentamiento menor a 2 °C (3,6 °F) o significativamente mayor a 4 °C (7,2 °F) . [ 81 ] Sin embargo, la asimetría positiva , que también se encuentra en otros estudios, [ 82 ] sugiere que si las concentraciones de dióxido de carbono se duplican, la probabilidad de grandes o muy grandes aumentos de temperatura es mayor que la probabilidad de pequeños aumentos. [ 81 ]    

Los modelos climáticos simulan el calentamiento futuro impulsado por el CO₂, así como el pasado. Se basan en principios similares a los de los modelos que predicen el tiempo , pero se centran en procesos a largo plazo. Los modelos climáticos suelen partir de un estado inicial y luego aplican leyes físicas y conocimientos biológicos para predecir estados futuros. Al igual que con la modelización meteorológica, ningún ordenador tiene la capacidad de modelar la complejidad de todo el planeta, por lo que se utilizan simplificaciones para reducirla a algo manejable. Una simplificación importante consiste en dividir la atmósfera terrestre en celdas modelo. Por ejemplo, la atmósfera podría dividirse en cubos de aire de diez o cien kilómetros de lado. Cada celda modelo se trata como si fuera homogénea (uniforme). Los cálculos para las celdas modelo son mucho más rápidos que intentar simular cada molécula de aire por separado. [ 83 ]

Una menor resolución del modelo (celdas grandes y pasos de tiempo prolongados) requiere menos potencia de cálculo, pero no puede simular la atmósfera con tanto detalle. Un modelo no puede simular procesos más pequeños que las celdas del modelo ni de menor duración que un solo paso de tiempo. Por lo tanto, los efectos de los procesos de menor escala y menor duración deben estimarse mediante otros métodos. Las leyes físicas contenidas en los modelos también pueden simplificarse para acelerar los cálculos. La biosfera debe incluirse en los modelos climáticos. Los efectos de la biosfera se estiman utilizando datos sobre el comportamiento promedio del conjunto vegetal promedio de un área bajo las condiciones modeladas. Por consiguiente, la sensibilidad climática es una propiedad emergente de estos modelos; no está prescrita, sino que se deriva de la interacción de todos los procesos modelados. [ 25 ]

Para estimar la sensibilidad climática, se ejecuta un modelo utilizando diversos forzamientos radiativos (duplicación rápida, duplicación gradual o seguimiento de las emisiones históricas) y se comparan los resultados de temperatura con el forzamiento aplicado. Los distintos modelos proporcionan estimaciones diferentes de la sensibilidad climática, pero tienden a situarse dentro de un rango similar, como se describió anteriormente.

Pruebas, comparaciones y conjuntos climáticos

La modelización del sistema climático puede dar lugar a una amplia gama de resultados. A menudo se ejecutan modelos que utilizan diferentes parámetros plausibles en su aproximación de las leyes físicas y el comportamiento de la biosfera, lo que forma un conjunto físico perturbado que intenta modelar la sensibilidad del clima a diferentes tipos y magnitudes de cambio en cada parámetro. Alternativamente, se combinan modelos estructuralmente diferentes desarrollados en distintas instituciones, creando un conjunto. Al seleccionar solo las simulaciones que pueden reproducir bien alguna parte del clima histórico, se puede realizar una estimación restringida de la sensibilidad climática. Una estrategia para obtener resultados más precisos es dar mayor importancia a los modelos climáticos que, en general, tienen un buen desempeño. [ 84 ]

Un modelo se prueba utilizando observaciones, datos paleoclimáticos o ambos para ver si los reproduce con precisión. Si no lo hace, se buscan imprecisiones en el modelo físico y las parametrizaciones, y se modifica el modelo. Para los modelos utilizados para estimar la sensibilidad climática, se buscan métricas de prueba específicas que estén directa y físicamente vinculadas a la sensibilidad climática. Ejemplos de tales métricas son los patrones globales de calentamiento, [ 85 ] la capacidad de un modelo para reproducir la humedad relativa observada en los trópicos y subtrópicos, [ 86 ] patrones de radiación térmica, [ 87 ] y la variabilidad de la temperatura en torno al calentamiento histórico a largo plazo. [ 88 ] [ 89 ] [ 90 ] Los modelos climáticos de conjunto desarrollados en diferentes instituciones tienden a producir estimaciones restringidas de ECS que son ligeramente superiores a 3 °C (5,4 °F) . Los modelos con ECS ligeramente superior a 3 °C (5,4 °F) simulan mejor las situaciones anteriores que los modelos con una menor sensibilidad climática. [ 91 ]    

Existen numerosos proyectos y grupos dedicados a comparar y analizar los resultados de múltiples modelos. Por ejemplo, el Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados (CMIP) lleva funcionando desde la década de 1990. [ 92 ]

Estimaciones históricas

Svante Arrhenius, en el siglo XIX , fue el primero en cuantificar el calentamiento global como consecuencia de la duplicación de la concentración de CO₂ . En su primer trabajo sobre el tema, estimó que la temperatura global aumentaría entre 5 y 6 °C (9,0 y 10,8 °F) si se duplicaba la cantidad de CO₂ . En trabajos posteriores, revisó esa estimación a 4 ° C (7,2 °F) . [ 93 ] Arrhenius utilizó las observaciones de Samuel Pierpont Langley sobre la radiación emitida por la luna llena para estimar la cantidad de radiación absorbida por el vapor de agua y por el CO₂ . Para tener en cuenta la retroalimentación del vapor de agua, supuso que la humedad relativa se mantendría constante bajo el calentamiento global. [ 94 ] [ 95 ]    

El primer cálculo de sensibilidad climática que utilizó mediciones detalladas de espectros de absorción , así como el primer cálculo que empleó una computadora para la integración numérica de la transferencia radiativa a través de la atmósfera, fue realizado por Syukuro Manabe y Richard Wetherald en 1967. [ 96 ] Suponiendo una humedad constante, calcularon una sensibilidad climática de equilibrio de 2,3  °C por cada duplicación de CO₂ , valor que redondearon a 2 °C, el que se cita con mayor frecuencia en el resumen del artículo. Este trabajo ha sido calificado como  «posiblemente el artículo más importante sobre ciencia climática de todos los tiempos» [ 97 ] y «el estudio más influyente sobre el clima de todos los tiempos». [ 98 ]

Un comité sobre el calentamiento global antropogénico , convocado en 1979 por la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos y presidido por Jule Charney , [ 99 ] estimó que la sensibilidad climática de equilibrio era de 3 °C (5,4 °F) , más o menos 1,5 °C (2,7 °F) . La estimación de Manabe y Wetherald ( 2 °C (3,6 °F) ), la estimación de James E. Hansen de 4 °C (7,2 °F) y el modelo de Charney fueron los únicos modelos disponibles en 1979. Según Manabe, en 2004, "Charney eligió 0,5 °C como un margen de error razonable, lo restó del número de Manabe y lo sumó al de Hansen, dando lugar al rango de 1,5 a 4,5 °C (2,7 a 8,1 °F) de probable sensibilidad climática que ha aparecido en todas las evaluaciones de gases de efecto invernadero desde entonces ..." [ 100 ] En 2008, el climatólogo Stefan Rahmstorf dijo: "En ese momento [de su publicación], el rango [de incertidumbre] de la estimación [del informe Charney] era muy inestable. Desde entonces, muchos modelos enormemente mejorados han sido desarrollados por varios centros de investigación climática de todo el mundo." [ 21 ]            

Informes de evaluación del IPCC

Diagrama que muestra cinco estimaciones históricas de la sensibilidad climática de equilibrio según el IPCC.
Estimaciones históricas de la sensibilidad climática según las evaluaciones del IPCC. Los tres primeros informes proporcionaron un rango cualitativo probable, mientras que el cuarto y el quinto informe cuantificaron formalmente la incertidumbre. El rango azul oscuro se considera con una probabilidad superior al 66 %. [ 101 ] [ 102 ]

A pesar del considerable progreso en la comprensión del sistema climático de la Tierra , las evaluaciones continuaron reportando rangos de incertidumbre similares para la sensibilidad climática durante algún tiempo después del informe Charney de 1979. [ 103 ] El Primer Informe de Evaluación del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC), publicado en 1990, estimó que la sensibilidad climática de equilibrio a una duplicación de CO 2 se encontraba entre 1,5 y 4,5 °C (2,7 y 8,1 °F) , con una "mejor estimación a la luz del conocimiento actual" de 2,5 °C (4,5 °F) . [ 104 ] El informe utilizó modelos con representaciones simplificadas de la dinámica oceánica . El informe suplementario del IPCC de 1992 , que utilizó modelos de circulación oceánica completa , no vio "ninguna razón convincente para justificar el cambio" de la estimación de 1990; [ 105 ] y el Segundo Informe de Evaluación del IPCC declaró: «No han surgido razones de peso para cambiar [estas estimaciones]», [ 106 ] En los informes, gran parte de la incertidumbre en torno a la sensibilidad climática se atribuyó al conocimiento insuficiente de los procesos de las nubes. El Tercer Informe de Evaluación del IPCC de 2001 también mantuvo este rango probable. [ 107 ]    

Los autores del Cuarto Informe de Evaluación del IPCC de 2007 [ 101 ] afirmaron que la confianza en las estimaciones de la sensibilidad climática de equilibrio había aumentado sustancialmente desde el Tercer Informe Anual. [ 108 ] Los autores del IPCC concluyeron que es muy probable que la ECS sea mayor que 1,5 °C (2,7 °F) y que se encuentre en el rango de 2 a 4,5 °C (3,6 a 8,1 °F) , con un valor más probable de alrededor de 3 °C (5,4 °F) . El IPCC declaró que razones físicas fundamentales y limitaciones de datos impiden descartar una sensibilidad climática superior a 4,5 °C (8,1 °F) , pero las estimaciones de sensibilidad climática en el rango probable coincidieron mejor con las observaciones y los datos climáticos indirectos . [ 108 ]        

El Quinto Informe de Evaluación del IPCC de 2013 retomó el rango anterior de 1,5 a 4,5 °C (2,7 a 8,1 °F) (con alta confianza), debido a que algunas estimaciones basadas en datos de la era industrial resultaron bajas. [ 25 ] El informe también indicó que es extremadamente improbable que la ECS sea inferior a 1 °C (1,8 °F) (alta confianza), y muy improbable que sea superior a 6 °C (11 °F) (confianza media). Estos valores se estimaron combinando los datos disponibles con el juicio de expertos. [ 102 ]      

En preparación para el Sexto Informe de Evaluación del IPCC de 2021 , grupos científicos de todo el mundo desarrollaron una nueva generación de modelos climáticos. [ 109 ] [ 110 ] En 27 modelos climáticos globales , se produjeron estimaciones de una mayor sensibilidad climática. Los valores abarcaron de 1,8 a 5,6 °C (3,2 a 10,1 °F) y superaron los 4,5 °C (8,1 °F) en 10 de ellos. [ 111 ] [ 112 ] Las estimaciones para la sensibilidad climática de equilibrio cambiaron de 3,2 °C a 3,7 °C y las estimaciones para la respuesta climática transitoria de 1,8 °C a 2,0 °C. [ 113 ] La causa del aumento de la ECS reside principalmente en la mejora de la modelización de las nubes. Ahora se cree que los aumentos de temperatura provocan disminuciones más pronunciadas en el número de nubes bajas, y menos nubes bajas significa que el planeta absorbe más luz solar y refleja menos al espacio. [ 113 ] [ 111 ] [ 114 ] [ 115 ]        

Las deficiencias restantes en la simulación de nubes pueden haber llevado a sobreestimaciones, [ 116 ] ya que los modelos con los valores ECS más altos no fueron consistentes con el calentamiento observado. [ 117 ] Una quinta parte de los modelos comenzó a 'ejecutarse caliente', prediciendo que el calentamiento global produciría temperaturas significativamente más altas de lo que se considera plausible. [ 118 ] [ 119 ] Según estos modelos, conocidos como modelos calientes , las temperaturas globales promedio en el peor caso escenario aumentarían en más de 5  °C por encima de los niveles preindustriales para 2100, [ 120 ] con un impacto "catastrófico" en la sociedad humana. [ 121 ] En comparación, las observaciones empíricas combinadas con modelos físicos indican que el rango "muy probable" está entre 2,3 y 4,7  °C. También se sabe que los modelos con una sensibilidad climática muy alta son malos para reproducir las tendencias climáticas históricas conocidas, como el calentamiento durante el siglo XX o el enfriamiento durante la última edad de hielo . [ 119 ] Por estas razones, las predicciones de los modelos de calor se consideran inverosímiles y el IPCC les ha dado menos importancia en 2022. [ 116 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ El nivel de CO₂ en 2016 fue de 403 ppm, lo que representa menos del 50 % más que la concentración preindustrial de CO₂ de 278 ppm. Sin embargo, debido a que el aumento de las concentraciones tiene un efecto de calentamiento progresivamente menor, la Tierra ya había superado la mitad del camino para duplicar el forzamiento radiativo causado por el CO₂ .
  2. ↑ El cálculo es el siguiente. En equilibrio, la energía de la radiación entrante y saliente debe estar equilibrada. La radiación salienteF{\displaystyle F}viene dada por la ley de Stefan-Boltzmann :F=−σT4{\displaystyle F=-\sigma T^{4}}Cuando aumenta la radiación entrante, la radiación saliente y, por lo tanto, la temperatura también deben aumentar. El aumento de temperaturaΔT2×doO2{\displaystyle \Delta T_{2\times CO_{2}}}directamente causado por el forzamiento radiativo adicional,ΔF2×doO2{\displaystyle \Delta F_{2\times CO_{2}}}debido a la duplicación del CO 2 entonces viene dado por
    ΔF2×doO2=dFdTΔT2×doO2=4σT3ΔT2×doO2{\displaystyle \Delta F_{2\times CO_{2}}={\frac {dF}{dT}}\Delta T_{2\times CO_{2}}=4\sigma T^{3}\Delta T_{2\times CO_{2}}}.
    Dada una temperatura efectiva de 255 K (−18 °C; −1 °F) , un gradiente térmico constante y el valor de la constante de Stefan-Boltzmann   σ{\displaystyle \sigma }de 5,67×10−8{\displaystyle \times 10^{-8}}W/m 2 K −4 yΔF2×doO2{\displaystyle \Delta F_{2\times CO_{2}}}Alrededor de 4 W/m 2 , la ecuación da una sensibilidad climática de un mundo sin retroalimentación de aproximadamente 1 K.
  3. ↑ Aquí se utiliza la definición del IPCC. En otras fuentes, el parámetro de sensibilidad climática se denomina simplemente sensibilidad climática. El inverso de este parámetro se denomina parámetro de retroalimentación climática y se expresa en (W/m² ) /°C.

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  • ¿Qué es la "sensibilidad climática"? Met Office
  • Cómo los científicos estiman la "sensibilidad climática" - Carbon Brief