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Contenido de calor del océano

El contenido de calor oceánico (OHC) ha ido en aumento durante décadas, ya que el océano ha estado absorbiendo la mayor parte del calor excedente resultante de las emisiones de ...

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El contenido de calor oceánico (OHC) ha ido en aumento durante décadas, ya que el océano ha estado absorbiendo la mayor parte del calor excedente resultante de las emisiones de gases de efecto invernadero derivadas de las actividades humanas. [ 1 ] El gráfico muestra el OHC calculado para profundidades de agua de 700 y 2000 metros.

El contenido de calor oceánico (OHC) o absorción de calor oceánico (OHU) es la energía absorbida y almacenada por los océanos . [ 2 ] Es un indicador importante del calentamiento global . [ 3 ] El contenido de calor oceánico se calcula midiendo la temperatura del océano en diferentes lugares y profundidades, e integrando la densidad superficial de un cambio en la energía entálpica sobre una cuenca oceánica o todo el océano. [ 4 ]

Entre 1971 y 2018, una tendencia ascendente constante [ 5 ] en el contenido de calor oceánico representó más del 90% del exceso de energía de la Tierra debido al calentamiento global. [ 6 ] [ 7 ] Los científicos estiman una tendencia de calentamiento de 0,43  ±  0,08  W/m² entre 1961 y 2022, que se acelera a aproximadamente 0,15  ±  0,04  W/m² por  década. [ 8 ] Para 2020, aproximadamente un tercio de la energía añadida se había propagado a profundidades inferiores a 700 metros. [ 9 ] [ 10 ] Las cinco observaciones más altas de calor oceánico a una profundidad de 2000  metros ocurrieron en el período 2020-2024. [ 5 ] El principal impulsor de este aumento han sido las emisiones de gases de efecto invernadero causadas por el ser humano . [ 11 ] : 1228

Las mediciones del contenido de calor oceánico son cruciales para los modelos climáticos. Desde antes de 1960, buques y estaciones de investigación han muestreado las temperaturas de la superficie del mar y las temperaturas a mayor profundidad en todo el mundo. Desde el año 2000, una red en expansión de casi 4000 boyas robóticas Argo ha medido anomalías de temperatura, o el cambio en el contenido de calor oceánico. Los primeros 2000  metros del océano global han experimentado un calentamiento promedio desde la década de 1970, mientras que la tasa de calentamiento varía regionalmente, con el Atlántico Norte subpolar calentándose más lentamente y el Océano Austral absorbiendo una cantidad desproporcionadamente grande de calor. [ 11 ] : 1230 El calentamiento de las profundidades oceánicas por debajo de los 2000  metros también ha sido mayor en el Océano Austral en comparación con otras cuencas oceánicas. [ 11 ] : 1230

Los cambios en la temperatura del océano afectan considerablemente a los ecosistemas marinos y terrestres. Por ejemplo, tienen múltiples impactos en los ecosistemas costeros y en las comunidades que dependen de sus servicios ecosistémicos . Entre los efectos directos se incluyen las variaciones del nivel del mar y del hielo marino , los cambios en la intensidad del ciclo del agua y la migración de la vida marina. [ 12 ]

Papel en la estabilidad climática

Los océanos de la Tierra desempeñan un papel fundamental en la estabilidad climática. Poseen una alta capacidad calorífica , lo que les permite almacenar grandes cantidades de energía con escasa variación de temperatura. Además, los océanos cubren el 70 % de la superficie terrestre. Medir el contenido de calor oceánico y monitorear sus cambios a lo largo del tiempo es esencial para comprender y modelar el clima. [ 13 ]

Definición

Gráfico de diferentes termoclinas (profundidad versus temperatura del océano ) basado en estaciones y latitud [ 14 ]

El contenido de calor oceánico es un término utilizado en oceanografía física para describir un tipo de energía potencial termodinámica almacenada en el océano. Se define en coordinación con la ecuación de estado del agua de mar. TEOS-10 es una norma internacional aprobada en 2010 por la Comisión Oceanográfica Intergubernamental . [ 15 ]

Cálculos

El cálculo del contenido de calor oceánico sigue el de la entalpía referenciada a la superficie oceánica, también llamada entalpía potencial . De este modo, los cambios en el contenido de calor oceánico (CCO) se hacen más fácilmente comparables a los intercambios de calor del agua de mar con el hielo, el agua dulce y el aire húmedo. [ 16 ] [ 17 ] El CCO siempre se informa como un cambio o como una "anomalía" con respecto a una línea base. Los valores positivos también cuantifican la absorción de calor oceánico (AHO) y son útiles para diagnosticar hacia dónde se dirige la mayor parte de las ganancias de energía planetaria derivadas del calentamiento global.

Para calcular el contenido de calor oceánico, se requieren mediciones de la temperatura del océano a partir de muestras de agua de mar recolectadas en diferentes ubicaciones y profundidades. [ 18 ] La integración de la densidad superficial del calor oceánico sobre una cuenca oceánica, o sobre todo el océano, proporciona el contenido total de calor oceánico. Por lo tanto, el contenido total de calor oceánico es una integral de volumen del producto de la temperatura, la densidad y la capacidad calorífica sobre la región tridimensional del océano para la cual se dispone de datos. [ 19 ] La mayor parte de las mediciones se han realizado a profundidades menores a unos 2000  m (1,25  millas). [ 20 ]

La densidad superficial del contenido de calor oceánico entre dos profundidades se calcula como una integral definida: [ 4 ] [ 19 ]

H=dopag∫h2h1ρ(z)Θ(z)dz{\displaystyle H=c_{p}\int _{h2}^{h1}\rho (z)\Theta (z)dz}

dónde dopag{\displaystyle c_{p}}es la capacidad calorífica específica del agua de mar ,h2{\displaystyle h_{2}}es la profundidad más baja,h1{\displaystyle h_{1}}es la profundidad superior,ρ(z){\displaystyle \rho (z)}es el perfil de densidad del agua de mar in situ , yΘ(z){\displaystyle \Theta (z)}es el perfil de temperatura conservador .dopag{\displaystyle c_{p}}se define a una única profundidad h0, generalmente elegida como la superficie del océano. En unidades del SI ,H{\displaystyle H}tiene unidades de julios por metro cuadrado (J·m −2 ).

En la práctica, la integral se puede aproximar mediante la suma utilizando una secuencia suave y bien comportada de datos in situ; incluyendo temperatura (t), presión (p), salinidad (s) y su densidad correspondiente (ρ). Temperatura conservativaΘ(z){\displaystyle \Theta (z)}son valores traducidos en relación con la presión de referencia (p0) en h0. En cálculos anteriores se ha utilizado un sustituto conocido como temperatura potencial . [ 21 ]

Las mediciones de temperatura en función de la profundidad del océano generalmente muestran una capa mixta superior (0–200  m), una termoclina (200–1500  m) y una capa oceánica profunda  (>1500 m). Estas profundidades límite son solo aproximaciones. La luz solar penetra hasta una profundidad máxima de unos 200 m; los 80 m  superiores de los cuales constituyen la zona habitable para la vida marina fotosintética, que cubre más del 70 % de la superficie terrestre. [ 22 ] La acción de las olas y otras turbulencias superficiales ayudan a igualar las temperaturas en toda la capa superior. 

A diferencia de las temperaturas superficiales, que disminuyen con la latitud, las temperaturas de las profundidades oceánicas son relativamente frías y uniformes en la mayoría de las regiones del mundo. [ 23 ] Aproximadamente el 50 % del volumen total del océano se encuentra a profundidades inferiores a 3000  m (1,85  millas), siendo el océano Pacífico el más grande y profundo de las cinco divisiones oceánicas. La termoclina es la transición entre las capas superficiales y profundas en términos de temperatura, flujos de nutrientes, abundancia de vida y otras propiedades. Es semipermanente en los trópicos, variable en las regiones templadas (a menudo más profunda durante el verano) y poco profunda o inexistente en las regiones polares. [ 24 ]

Medidas

La distribución global de flotadores activos en el arreglo Argo [ 25 ]

El contenido de calor oceánico se deriva de las mediciones de la temperatura del océano. Las mediciones de la temperatura del océano presentan dificultades, especialmente antes del despliegue de las boyas perfiladoras Argo . [ 20 ] Debido a la escasa cobertura espacial y la baja calidad de los datos, no siempre ha sido fácil distinguir entre las tendencias de calentamiento global a largo plazo y la variabilidad climática . Ejemplos de estos factores que complican la situación son las variaciones causadas por El Niño-Oscilación del Sur o los cambios en el contenido de calor oceánico causados ​​por grandes erupciones volcánicas . [ 3 ]

Argo es un programa internacional de boyas robóticas de perfilado desplegadas globalmente desde principios del siglo XXI. [ 26 ] Las 3000 unidades iniciales del programa se habían expandido a casi 4000 unidades para el año 2020. Al comienzo de cada ciclo de medición de 10 días, una boya desciende a una profundidad de 1000  metros y se deja llevar por la corriente durante nueve días. Luego desciende a 2000  metros y mide la temperatura, la salinidad (conductividad) y la profundidad (presión) durante un último día de ascenso a la superficie. En la superficie, la boya transmite el perfil de profundidad y los datos de posición horizontal a través de repetidores satelitales antes de repetir el ciclo. [ 27 ]

Desde 1992, los altímetros de la serie de satélites TOPEX/Poseidon y Jason han observado el contenido oceánico integrado verticalmente, que es un componente importante del aumento del nivel del mar. Desde 2002, GRACE y GRACE-FO han monitoreado remotamente los cambios oceánicos mediante gravimetría . [ 28 ] La colaboración entre Argo y las mediciones satelitales ha dado lugar a mejoras continuas en las estimaciones del contenido oceánico y otras propiedades oceánicas globales. [ 25 ]

Causas de la absorción de calor

El oceanógrafo Josh Willis analiza la capacidad calorífica del agua , realiza un experimento para demostrarla utilizando un globo de agua y describe cómo la capacidad del agua para almacenar calor afecta al clima de la Tierra.

El aumento de gases de efecto invernadero causado por el ser humano ha reducido la radiación infrarroja saliente de la atmósfera terrestre, lo que ha provocado un aumento del calor en todo el planeta. [ 29 ] Más del 90 % de esta absorción de calor planetario se manifiesta en el contenido de calor de los océanos. Este alto porcentaje es resultado de la alta capacidad calorífica de los océanos . [ 30 ] La mayor parte de la energía adicional que ingresa al planeta a través de la atmósfera es absorbida y retenida por el océano. [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]

Inventario de calor terrestre (acumulación de energía) en ZJ para los componentes del sistema climático de la Tierra en relación con 1960 y desde 1960 hasta 2018. El océano superior (0–300 m, línea azul claro, y 0–700 m, sombreado azul claro) representa la mayor cantidad de ganancia de calor. [ 6 ]

La absorción de calor planetaria o contenido de calor representa toda la energía añadida o extraída del sistema climático. [ 34 ] Se puede calcular como una acumulación a lo largo del tiempo de las diferencias observadas (o desequilibrios ) entre la radiación total entrante y saliente. Los cambios en el desequilibrio se han estimado desde la órbita terrestre mediante CERES y otros instrumentos remotos , y se han comparado con estudios in situ de los cambios en el inventario de calor en océanos, tierra, hielo y atmósfera. [ 6 ] [ 35 ] [ 36 ] Lograr resultados completos y precisos con cualquiera de los métodos de contabilidad es un desafío, pero de maneras diferentes que los investigadores consideran en su mayoría independientes entre sí. [ 35 ] Se cree que los aumentos en el contenido de calor planetario para el período 2005-2019, bien observado, superan las incertidumbres de medición. [ 29 ]

Desde la perspectiva oceánica, la irradiancia solar ecuatorial más abundante es absorbida directamente por las aguas superficiales tropicales de la Tierra e impulsa la propagación general del calor hacia los polos. La superficie también intercambia energía que ha sido absorbida por la troposfera inferior a través de la acción del viento y las olas. Con el tiempo, un desequilibrio sostenido en el balance energético de la Tierra permite un flujo neto de calor hacia o desde las profundidades oceánicas a través de la conducción térmica , el hundimiento y el afloramiento . [ 37 ] [ 38 ] Las liberaciones de OHC a la atmósfera ocurren principalmente a través de la evaporación y permiten el ciclo del agua planetario . [ 39 ] Las altas temperaturas de la superficie del mar ayudan a impulsar los ciclones tropicales , los ríos atmosféricos , las olas de calor atmosféricas y otros eventos meteorológicos extremos que pueden penetrar tierra adentro. [ 40 ] En conjunto, estos procesos permiten que el océano sea el mayor reservorio térmico de la Tierra , que funciona para regular el clima del planeta; actuando como sumidero y fuente de energía. [ 31 ]

Las temperaturas del aire en la superficie terrestre han estado aumentando más rápido que la temperatura de la superficie del mar .
El efecto invernadero atrapa el calor en la atmósfera inferior y los océanos, de modo que la atmósfera superior, al recibir menos energía reflejada, se enfría. [ 41 ]

Desde la perspectiva de las regiones terrestres y cubiertas de hielo, su porción de absorción de calor se reduce y se retrasa debido a la inercia térmica dominante del océano. Aunque el aumento promedio de la temperatura de la superficie terrestre ha superado al de la superficie oceánica debido a la menor inercia (menor coeficiente de transferencia de calor) de la tierra sólida y el hielo, las temperaturas aumentarían más rápidamente y en mayor medida sin la presencia total del océano. [ 31 ] También se han estado realizando mediciones de la rapidez con la que el calor se mezcla con las profundidades oceánicas para lograr un mejor cierre de los balances energéticos del océano y del planeta. [ 42 ]

Observaciones y cambios recientes

El contenido de calor oceánico global de los 2000 m superiores alcanzó un nuevo récord en 2024, superando el valor de 2023 en 16 ± 8 ZJ, continuando una racha de récords anuales durante los últimos ocho años. [ 43 ] Numerosos estudios independientes en los últimos años han encontrado un aumento multidecadal en el OHC de las regiones superiores del océano que ha comenzado a penetrar en regiones más profundas. [ 6 ] [ 20 ] Numerosos estudios independientes en los últimos años han encontrado un aumento multidecadal en el OHC de las regiones superiores del océano que ha comenzado a penetrar en regiones más profundas. [ 6 ] [ 20 ] El océano superior (0–700  m) se ha calentado desde 1971, mientras que es muy probable que el calentamiento haya ocurrido en profundidades intermedias (700–2000  m) y es probable que las temperaturas del océano profundo (por debajo de 2000  m) hayan aumentado. [ 11 ] : 1228 La absorción de calor resulta de un desequilibrio de calentamiento persistente en el balance energético de la Tierra , causado fundamentalmente por el aumento antropogénico de los gases de efecto invernadero atmosféricos . [ 44 ] : 41 Existe una confianza muy alta en que el aumento del contenido de calor oceánico en respuesta a las emisiones antropogénicas de dióxido de carbono es esencialmente irreversible en escalas de tiempo humanas. [ 11 ] : 1233

Mapa de la anomalía de calor oceánico en los primeros 700  metros para el año 2020 en comparación con el promedio de 1993-2020. [ 45 ] Algunas regiones acumularon más energía que otras debido a factores de transporte como los vientos y las corrientes.

Estudios basados ​​en mediciones de Argo indican que los vientos superficiales del océano , especialmente los vientos alisios subtropicales en el Océano Pacífico , modifican la distribución vertical del calor oceánico. [ 46 ] Esto produce cambios en las corrientes oceánicas y un aumento de la circulación de vuelco subtropical , que también está relacionada con los fenómenos de El Niño y La Niña . Dependiendo de las fluctuaciones de la variabilidad natural estocástica, durante los años de La Niña se transporta aproximadamente un 30 % más de calor de la capa superior del océano hacia las profundidades. Además, estudios han demostrado que aproximadamente un tercio del calentamiento observado en el océano se produce en la capa oceánica de 700 a 2000 metros. [ 47 ]

Los estudios de modelos indican que las corrientes oceánicas transportan más calor a capas más profundas durante los años de La Niña, siguiendo cambios en la circulación del viento. [ 48 ] [ 49 ] Los años con mayor absorción de calor oceánico se han asociado con fases negativas de la oscilación interdecadal del Pacífico (IPO). [ 50 ] Esto es de particular interés para los científicos del clima que utilizan los datos para estimar la absorción de calor oceánico .

El contenido de calor de la capa superior del océano en la mayoría de las regiones del Atlántico Norte está dominado por la convergencia del transporte de calor (un lugar donde se encuentran las corrientes oceánicas), sin grandes cambios en la relación entre temperatura y salinidad. [ 51 ] Además, un estudio de 2022 sobre el calentamiento antropogénico en el océano indica que el 62 % del calentamiento de los años entre 1850 y 2018 en el Atlántico Norte a lo largo de los 25°N se mantiene en el agua por debajo de los 700 m, donde se almacena un porcentaje importante del calor excedente del océano. [ 52 ]

Un estudio de 2015 concluyó que los aumentos del contenido de calor oceánico en el Océano Pacífico fueron compensados ​​por una distribución abrupta de OHC en el Océano Índico. [ 53 ]

Un reanálisis de gran conjunto del calentamiento oceánico publicado en 2024 estimó una tendencia de calentamiento de 0,43  ±  0,08  W/m² entre 1961 y 2022, junto con una tasa de aceleración estadísticamente significativa de 0,15  ±  0,04  W/m² por  década [ 8 ] , lo cual es consistente con análisis independientes similares. [ 54 ] [ 55 ] La tasa neta de cambio en los primeros 2000  metros desde 2003 hasta 2018 fue+0,58 ± 0,08  W/m 2 (o ganancia energética media anual de 9,3 zettajulios ). [ 3 ] 

Captación de calor del Océano Austral

A medida que las emisiones de gases de efecto invernadero causadas por el ser humano provocan un mayor calentamiento, uno de los efectos más notables del cambio climático en los océanos es el aumento del contenido de calor oceánico, que representó más del 90% del calentamiento global total desde 1971. [ 56 ] Gran parte de este aumento ha ocurrido en el océano extratropical del hemisferio sur al sur de los 30°S. [ 57 ] [ 58 ] En la Antártida Occidental , la temperatura en la capa superior del océano se ha calentado 1  °C (1,8  °F) desde 1955, y la Corriente Circumpolar Antártica (CCA) también se está calentando más rápido que el promedio global. [ 59 ] Este calentamiento afecta directamente el flujo de masas de agua cálidas y frías que componen la circulación de vuelco, y también reduce la capa de hielo marino (que es altamente reflectante y por lo tanto eleva el albedo de la superficie de la Tierra) en el hemisferio sur, así como el balance de masa de las plataformas de hielo de la Antártida y los glaciares periféricos. [ 60 ] Por estas razones, los modelos climáticos muestran consistentemente que el año en que el calentamiento global alcanzará los 2  °C (3,6  °F) (inevitable en todos los escenarios de cambio climático donde las emisiones de gases de efecto invernadero no se han reducido drásticamente) depende del estado de la circulación más que de cualquier otro factor aparte de las propias emisiones. [ 61 ]

Impactos

El calentamiento de los océanos es una de las causas del blanqueamiento de los corales [ 62 ] y contribuye a la migración de especies marinas . [ 63 ] Las olas de calor marinas son regiones con temperaturas del agua persistentemente elevadas que ponen en peligro la vida. [ 64 ] La redistribución de la energía interna del planeta por la circulación atmosférica y las corrientes oceánicas produce variabilidad climática interna , a menudo en forma de oscilaciones irregulares , [ 65 ] y ayuda a mantener la circulación termohalina global . [ 66 ] [ 67 ]

El aumento del OHC representa entre el 30 y el 40 % del aumento global del nivel del mar entre 1900 y 2020 debido a la expansión térmica . [ 68 ] [ 69 ] También es un acelerador del derretimiento del hielo marino , los icebergs y los glaciares de marea . La pérdida de hielo reduce el albedo polar , amplificando los desequilibrios energéticos tanto regionales como globales. [ 70 ] El retroceso del hielo resultante ha sido rápido y generalizado para el hielo marino del Ártico , [ 71 ] y dentro de los fiordos del norte, como los de Groenlandia y Canadá . [ 72 ] Los impactos en el hielo marino antártico y las vastas plataformas de hielo antárticas que terminan en el Océano Austral han variado según la región y también están aumentando debido al calentamiento de las aguas. [ 73 ] [ 74 ] La ruptura de la plataforma de hielo Thwaites y sus vecinas de la Antártida Occidental contribuyó con aproximadamente el 10 % del aumento del nivel del mar en 2020. [ 75 ] [ 76 ]

El océano también funciona como sumidero y fuente de carbono, con un papel comparable al de las regiones terrestres en el ciclo del carbono de la Tierra . [ 77 ] [ 78 ] De acuerdo con la dependencia de la temperatura de la ley de Henry , las aguas superficiales que se calientan son menos capaces de absorber gases atmosféricos, incluido el oxígeno y las crecientes emisiones de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero de la actividad humana. [ 79 ] [ 80 ] Sin embargo, la tasa en la que el océano absorbe dióxido de carbono antropogénico se ha triplicado aproximadamente desde principios de la década de 1960 hasta finales de la década de 2010; una escala proporcional al aumento del dióxido de carbono atmosférico. [ 81 ] El aumento en los niveles de CO 2 causa acidificación del océano, que es donde el pH del océano disminuye debido a la absorción de CO 2 . Esto impacta a varias especies incluyendo la reducción de las tasas de crecimiento y calcificación para los calcificadores, la disminución de la capacidad de regulación ácido-base en los bivalvos y siendo perjudicial para las vías metabólicas de los organismos, lo que puede disminuir la cantidad de energía que estos organismos pueden producir. [ 82 ]

El calentamiento de las profundidades oceánicas tiene el potencial adicional de derretir y liberar parte de la vasta reserva de depósitos de hidrato de metano congelado que se han acumulado allí de forma natural. [ 83 ]

Véase también

Referencias

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