La sensibilidad climática es una medida de cuánto se enfriará o calentará el clima de la Tierra después de un cambio en el sistema climático, por ejemplo, cuánto se calentará por duplicar el dióxido de carbono ( CO
2) concentraciones. [1] En términos técnicos, la sensibilidad climática es el cambio promedio en la temperatura de la superficie de la Tierra en respuesta a cambios en el forzamiento radiativo , la diferencia entre la energía entrante y saliente en la Tierra . [2] La sensibilidad climática es una medida clave en la ciencia del clima , [3] y un área de enfoque para los científicos del clima, que desean comprender las consecuencias últimas del cambio climático antroprogénico .
La superficie de la Tierra se calienta como consecuencia directa del aumento de CO atmosférico
2, así como mayores 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 , como un aumento del vapor de agua atmosférico , que en sí mismo también es un gas de efecto invernadero. Debido a que los científicos no saben exactamente qué tan fuertes son estas retroalimentaciones climáticas , es difícil predecir con precisión la cantidad de calentamiento que resultará de un aumento dado en las concentraciones de gases de efecto invernadero. Si la sensibilidad climática resulta estar en el lado alto de las estimaciones científicas, el objetivo del Acuerdo de París de limitar el calentamiento global a menos de 2 ° C (3,6 ° F) será difícil de lograr. [4]
Los dos tipos principales de sensibilidad climática son la "respuesta climática transitoria" a corto plazo, el aumento en la temperatura promedio global que se espera que haya ocurrido en un momento en que el CO atmosférico
2la concentración se ha duplicado; y "sensibilidad climática de equilibrio", el mayor aumento a largo plazo en la temperatura promedio global que se espera que ocurra después de los efectos de un CO duplicado
2la concentración ha tenido tiempo de alcanzar un estado estable. La sensibilidad climática se estima típicamente de tres formas; utilizando observaciones directas de temperatura y niveles de gases de efecto invernadero tomadas durante la era industrial ; utilizando la temperatura estimada indirectamente y otras medidas del pasado más lejano de la Tierra; y modelar los diversos aspectos del sistema climático con computadoras.
Fondo
La velocidad a la que la energía llega a la Tierra como luz solar y sale de la Tierra como radiación de calor al espacio debe equilibrarse , o la cantidad total de energía térmica en el planeta en cualquier momento aumentará o disminuirá, lo que dará como resultado un planeta más cálido o más frío. general. Un desequilibrio entre las tasas de energía de radiación entrante y saliente se denomina forzamiento radiativo . Un planeta más cálido irradia calor al espacio más rápido , por lo que eventualmente se alcanza un nuevo equilibrio, con una temperatura planetaria más alta. Sin embargo, el calentamiento del planeta también tiene efectos colaterales . Estos efectos en cadena crean más calentamiento, en un bucle de retroalimentación exacerbadora . La sensibilidad climática es una medida de cuánto cambio de temperatura provocará una determinada cantidad de forzamiento radiativo. [2]
Forzamiento radiativo
El forzamiento radiativo se define generalmente como el desequilibrio entre la radiación entrante y saliente en la parte superior de la atmósfera . [5] El forzamiento radiativo se mide en vatios por metro cuadrado (W / m 2 ), el desequilibrio promedio de energía por segundo por cada metro cuadrado de la superficie de la Tierra. [6]
Los cambios en el forzamiento radiativo conducen a cambios a largo plazo en la temperatura global. [5] Varios factores pueden afectar el forzamiento radiativo: aumento de la radiación descendente debido al efecto invernadero , variabilidad de la radiación solar debido a cambios en la órbita planetaria , cambios en la irradiancia solar , efectos directos e indirectos causados por aerosoles (por ejemplo, cambios en el albedo debido a la capa de nubes) y cambios en el uso de la tierra (es decir, deforestación o pérdida de la capa de hielo reflectante). [6] En la investigación contemporánea, se comprende bien el forzamiento radiativo de los gases de efecto invernadero. A partir de 2019[actualizar], quedan grandes incertidumbres para los aerosoles. [7]
Números clave
Dióxido de carbono ( CO
2) los niveles 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 para 2020. Como CO
2es un gas de efecto invernadero , impide que la energía térmica salga de la atmósfera terrestre. En 2016, el CO atmosférico
2los niveles habían aumentado en un 45% con respecto a los niveles preindustriales, y el forzamiento radiativo causado por el aumento de CO
2ya era más de un 50% más alto que en tiempos preindustriales (debido a efectos no lineales). [8] [nota 1] Entre el inicio de la Revolución Industrial en el siglo XVIII y 2020, la temperatura de la Tierra aumentó un poco más de un grado Celsius (alrededor de dos grados Fahrenheit). [9]
Importancia social
Debido a que la economía de la mitigación del cambio climático depende en gran medida de la rapidez con que se logre la neutralidad de carbono , las estimaciones de la sensibilidad climática pueden tener importantes implicaciones económicas y de formulación de políticas. Un estudio sugiere que reducir a la mitad la incertidumbre del valor de la respuesta climática transitoria (TCR) podría ahorrar billones de dólares. [10] Los científicos no están seguros de la precisión de las estimaciones de los aumentos de gases de efecto invernadero en la temperatura futura (una mayor sensibilidad climática significaría aumentos más drásticos de la temperatura), lo que hace que sea más prudente tomar medidas climáticas significativas. [11] Si la sensibilidad climática resulta estar en el extremo superior de lo que estiman los científicos, será imposible lograr el objetivo del Acuerdo de París de limitar el calentamiento global a muy por debajo de 2 ° C; los aumentos de temperatura excederán ese límite, al menos temporalmente. Un estudio estimó que las emisiones no se pueden reducir lo suficientemente rápido para alcanzar la meta de 2 ° C si la sensibilidad del clima 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, es más probable que haya décadas en las que las temperaturas sean mucho más altas o mucho más bajas que el promedio a largo plazo. [12] [13]
Contribuyentes a la sensibilidad climática
El forzamiento radiativo es un componente de la sensibilidad climática. El forzamiento radiativo causado por una duplicación del CO atmosférico
2niveles (de los 280 ppm preindustriales) es de aproximadamente 3,7 vatios por metro cuadrado (W / m 2 ). En ausencia de retroalimentación, este desequilibrio energético eventualmente resultaría en aproximadamente 1 ° C (1.8 ° F) de calentamiento global . Esta cifra es sencilla de calcular utilizando la ley de Stefan-Boltzmann [nota 2] [14] y no se discute. [15]
Una contribución adicional surge de las retroalimentaciones climáticas , tanto exacerbando como reprimiendo . [16] La incertidumbre en las estimaciones de la sensibilidad climática se debe enteramente a la modelización de las retroalimentaciones en el sistema climático, incluida la retroalimentación del vapor de agua , la retroalimentación del albedo del hielo , la retroalimentación de las nubes y la retroalimentación de la tasa de lapso . [15] La supresión de la retroalimentación tiende a contrarrestar el calentamiento, aumentando la velocidad a la que se irradia energía al espacio desde un planeta más cálido. Las reacciones exacerbantes aumentan el calentamiento; por ejemplo, temperaturas más altas pueden hacer que el hielo se derrita, reduciendo el área de hielo y la cantidad de luz solar que refleja el hielo, lo que resulta en menos energía térmica que se irradia de regreso al espacio. La sensibilidad climática depende del equilibrio entre estas reacciones. [14]
Medidas de sensibilidad climática
Dependiendo de la escala de tiempo, hay 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), que incorporan el calentamiento de los ciclos de retroalimentación exacerbados . Estas no son categorías discretas; se superponen. Sensibilidad al CO atmosférico
2los aumentos se miden en la cantidad de cambio de temperatura para duplicar el CO atmosférico
2concentración. [17] [18]
Aunque la "sensibilidad climática" se usa generalmente para la sensibilidad al forzamiento radiativo causado por el aumento de CO atmosférico
2, 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 cambio unitario en el forzamiento radiativo , y el parámetro de sensibilidad climática [nota 3] se expresa, por lo tanto, en unidades de ° C / (W / m 2 ). La sensibilidad climática es aproximadamente la misma, cualquiera que sea la razón del forzamiento radiativo (por ejemplo, de los gases de efecto invernadero o la variación solar ). [19] Cuando la sensibilidad climática se expresa como el cambio de temperatura para un nivel de CO atmosférico
2el doble del nivel preindustrial, sus unidades son grados Celsius (° C).
Respuesta climática transitoria
La respuesta climática transitoria (TCR) se define como "es el cambio en la temperatura media global de la superficie, promediado durante un período de 20 años, centrado en el momento de duplicación del dióxido de carbono atmosférico, en una simulación de modelo climático" en el que el CO atmosférico
2la concentración está aumentando en un 1% por año. [20] Esta estimación se genera mediante simulaciones a más corto plazo. [21] La respuesta transitoria es menor que la sensibilidad climática de equilibrio, porque las retroalimentaciones más lentas, que exacerban el aumento de temperatura, toman más tiempo para responder por completo a un aumento en el CO atmosférico.
2concentración. Por ejemplo, las profundidades del océano tardan muchos siglos en alcanzar un nuevo estado estable después de una perturbación; durante este tiempo, continúa sirviendo como disipador de calor , enfriando la parte superior del océano. [22] La evaluación de la literatura del IPCC estima que el TCR probablemente se encuentre entre 1 ° C (1.8 ° F) y 2.5 ° C (4.5 ° F). [23]
Una medida relacionada es la respuesta climática transitoria a las emisiones acumuladas de carbono (TCRE), que es el cambio de temperatura superficial promediado a nivel mundial después de 1000 GtC de CO
2ha sido emitido. [24] Como tal, no sólo incluye evaluaciones de temperatura a forzar, sino también los del ciclo del carbono evaluaciones y ciclo del carbono. [25]
Sensibilidad climática de equilibrio
La sensibilidad climática de equilibrio (ECS) es el aumento de temperatura a largo plazo (temperatura media global de equilibrio del aire cerca de la superficie ) que se espera que resulte de una duplicación del CO atmosférico.
2concentración (ΔT 2 × ). Es una predicción de la nueva temperatura media global del aire cerca de la superficie una vez que el CO
2la concentración ha dejado de aumentar y la mayoría de las reacciones han tenido tiempo de surtir efecto. Alcanzar una temperatura de equilibrio puede llevar siglos, o incluso milenios, después de que el CO
2ha duplicado. El ECS es más alto que el TCR debido a los efectos amortiguadores a corto plazo de los océanos. [18] Se utilizan modelos informáticos para estimar ECS. [26] Una estimación completa significa modelar todo el período de tiempo durante el cual las retroalimentaciones significativas continúan cambiando las temperaturas globales en el modelo; por ejemplo, equilibrar completamente las temperaturas del océano requiere ejecutar un modelo de computadora que cubre miles de años. Sin embargo, existen métodos menos intensivos en computación . [27]
El Quinto Informe de Evaluación del IPCC ( AR5 ) declaró que "existe una alta confianza de que es extremadamente improbable que ECS sea inferior a 1 ° C y una confianza media de que es probable que la ECS esté entre 1,5 ° C y 4,5 ° C y muy poco probable que sea superior a 6 ° C C". [28] Las escalas de tiempo prolongadas involucradas con ECS lo convierten posiblemente en una medida menos relevante para las decisiones de política en torno al cambio climático. [29]
Sensibilidad climática efectiva
Una aproximación común a ECS es la sensibilidad climática de equilibrio efectivo . La sensibilidad climática efectiva es una estimación de la sensibilidad climática de equilibrio utilizando datos de un sistema climático, ya sea en un modelo o en observaciones del mundo real, que aún no está en equilibrio. [20] Las estimaciones asumen que el efecto de amplificación neto de las retroalimentaciones (medido después de un período de calentamiento) permanecerá constante después. [30] Esto no es necesariamente cierto, ya que la retroalimentación puede cambiar con el tiempo . [31] [20] En muchos modelos climáticos, la retroalimentación se vuelve más fuerte con el tiempo, por lo que la sensibilidad climática efectiva es menor que la ECS real. [32]
Sensibilidad del sistema terrestre
Por definición, la sensibilidad climática de equilibrio no incluye retroalimentaciones que tardan milenios en emerger, como cambios a largo plazo en el albedo de la Tierra debido a cambios en las capas de hielo y la vegetación. Incluye la lenta respuesta del calentamiento del océano profundo, que también lleva milenios, y como tal, el ECS no refleja el calentamiento futuro real que ocurriría si el CO
2se estabiliza al doble de los valores preindustriales. [33] La sensibilidad del sistema terrestre (ESS) incorpora los efectos de estos ciclos de retroalimentación más lentos, como el cambio en el albedo de la Tierra debido al derretimiento de grandes capas de hielo continentales (que cubrieron gran parte del hemisferio norte durante el Último Máximo Glacial , y actualmente cubren Groenlandia y Antártida ). También se incluyen los cambios en el albedo como resultado de cambios en la vegetación y los cambios en las circulaciones oceánicas. [34] [35] Estos ciclos de retroalimentación a más largo plazo hacen que el ESS sea más grande que el ECS, posiblemente el doble. Los datos de la historia geológica de la Tierra se utilizan para estimar la ESS. Las diferencias entre las condiciones climáticas modernas y las de hace mucho tiempo significan que las estimaciones de la EEE futura son muy inciertas. [36] Al igual que para ECS y TCR, el ciclo del carbono no está incluido en la definición de ESS, pero todos los demás elementos del sistema climático sí lo están. [37]
Sensibilidad a la naturaleza del forzamiento
Se pueden comparar diferentes agentes forzantes, como los gases de efecto invernadero y los aerosoles, utilizando su forzamiento radiativo (que es el desequilibrio radiativo inicial promediado en todo el globo). La sensibilidad climática es la cantidad de calentamiento por forzamiento radiativo. En una primera aproximación, no importa la causa del desequilibrio radiativo, si se trata de gases de efecto invernadero o de otra cosa. Sin embargo, el forzamiento radiativo de fuentes distintas del CO
2puede causar un calentamiento de la superficie algo más grande o más pequeño que un forzamiento radiativo similar debido al CO
2; la cantidad de retroalimentación varía, principalmente porque estos forzamientos no se distribuyen uniformemente por todo el mundo . Los forzamientos que inicialmente calientan el hemisferio norte, la tierra o las regiones polares con más fuerza son sistemáticamente más efectivos a temperaturas cambiantes que un forzamiento equivalente debido al CO
2, cuyo forzamiento se distribuye de manera más uniforme por todo el globo. Esto se debe a que estas regiones tienen más retroalimentaciones que se refuerzan a sí mismas, como la retroalimentación del albedo del hielo. Varios estudios indican que los aerosoles emitidos por humanos son más efectivos que el CO
2a las temperaturas globales cambiantes, mientras que el forzamiento volcánico es menos efectivo. [38] Cuando la sensibilidad climática al CO
2El forzamiento se estima utilizando la temperatura histórica y el forzamiento (causado por una combinación de aerosoles y gases de efecto invernadero), y este efecto no se tiene en cuenta, por lo que se subestimará la sensibilidad climática. [39]
Dependencia del estado
Si bien la sensibilidad climática se ha definido como el cambio de temperatura a corto o largo plazo resultante de cualquier duplicación de CO
2, hay evidencia de que la sensibilidad del sistema climático de la Tierra no es constante. Por ejemplo, el planeta tiene hielo polar y glaciares a gran altitud . Hasta que el hielo del mundo se haya derretido por completo, un ciclo de retroalimentación del albedo del hielo exacerbado hace que el sistema sea más sensible en general. [40] A lo largo de la historia de la Tierra, se cree que hubo múltiples períodos en los que la nieve y el hielo cubrieron casi todo el globo. En la mayoría de los modelos de este estado de "Tierra de bolas de nieve", partes de los trópicos estaban al menos intermitentemente libres de capa de hielo. A medida que el hielo avanzaba o retrocedía, la sensibilidad climática habría sido muy alta, ya que los grandes cambios en el área de la capa de hielo habrían provocado una fuerte retroalimentación del albedo del hielo . Se cree que los cambios en la composición atmosférica volcánica han proporcionado el forzamiento radiativo necesario para escapar del estado de bola de nieve. [41]
A lo largo del período Cuaternario (el más reciente de 2,58 millones de años), el clima ha oscilado entre períodos glaciares , de los cuales el más reciente fue el Último Máximo Glacial , y períodos interglaciares , de los cuales el más reciente es el Holoceno actual , pero la sensibilidad climática es difícil. a determinar en este período. El máximo térmico del Paleoceno-Eoceno , hace alrededor de 55,5 millones de años, fue inusualmente cálido y puede haberse caracterizado por una sensibilidad climática superior a la media. [42]
La sensibilidad climática puede cambiar aún más si se cruzan los puntos de inflexión . Es poco probable que los puntos de inflexión provoquen cambios a corto plazo en la sensibilidad climática. Si se cruza un punto de inflexión, se espera que la sensibilidad climática cambie en la escala de tiempo del subsistema que está llegando a su punto de inflexión. Especialmente si hay múltiples puntos de inflexión que interactúan, la transición del clima a un nuevo estado puede ser difícil de revertir. [43]
Las dos definiciones más utilizadas de sensibilidad climática especifican el estado climático: ECS y TCR se definen para una duplicación con respecto al CO
2niveles en 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 CO
2que 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 la emisión de CO2 adicional.
2se libera a la atmósfera. [40]
Estimación de la sensibilidad climática
Estimaciones históricas
Svante Arrhenius , en el siglo XIX, fue la primera persona en cuantificar el calentamiento global como consecuencia de una duplicación del CO
2concentración. En su primer artículo sobre el tema, estimó que la temperatura global aumentaría alrededor de 5 a 6 ° C (9,0 a 10,8 ° F) si la cantidad de CO
2fue duplicado. En un trabajo posterior, revisó esta estimación a 4 ° C (7,2 ° F). [44] Arrhenius usó las observaciones de Samuel Pierpont Langley de la radiación emitida por la luna llena para estimar la cantidad de radiación que fue absorbida por el vapor de agua y el CO.
2. Para tener en cuenta la retroalimentación del vapor de agua, asumió que la humedad relativa permanecería igual bajo el calentamiento global. [45] [46]
El primer cálculo de la sensibilidad climática utilizando mediciones detalladas de los espectros de absorción , y el primero en utilizar una computadora para integrar numéricamente la transferencia radiativa a través de la atmósfera, fue realizado por Syukuro Manabe y Richard Wetherald en 1967. [47] Suponiendo una humedad constante, calcularon una sensibilidad climática de equilibrio de 2,3 ° C por duplicación de CO
2(que redondearon a 2 ° C, el valor más citado de su trabajo, en el resumen del artículo). Este trabajo ha sido llamado "posiblemente el mayor artículo sobre ciencia del clima de todos los tiempos" [48] y "el estudio más influyente del clima de todos los tiempos". [49]
Un comité sobre calentamiento global antropogénico , convocado en 1979 por la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos y presidido por Jule Charney , [50] estimó la sensibilidad climática de equilibrio en 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, hablando en 2004, "Charney eligió 0.5 ° C como un margen de error razonable, lo restó del número de Manabe y lo agregó al de Hansen, dando lugar al rango de 1.5 a 4.5 ° C (2.7 a 8.1 ° F) de sensibilidad climática probable que ha apareció en todas las evaluaciones de invernadero desde ... " [51] En 2008, el climatólogo Stefan Rahmstorf dijo:" En ese momento [se publicó], el rango [de incertidumbre] [de la estimación del informe Charney] estaba en un terreno muy inestable. luego, varios centros de investigación climática de todo el mundo han desarrollado muchos modelos enormemente mejorados ". [15]
Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático
A pesar de un progreso considerable en la comprensión del sistema climático de la Tierra , las evaluaciones continuaron informando rangos de incertidumbre similares para la sensibilidad climática durante algún tiempo después del informe Charney de 1979. [54] El primer informe de evaluación del IPCC de 1990 estimó que la sensibilidad climática de equilibrio a una duplicación del CO
2se sitúa entre 1,5 y 4,5 ° C (2,7 y 8,1 ° F), con una "mejor estimación a la luz de los conocimientos actuales" de 2,5 ° C (4,5 ° F). [55] Este informe utilizó modelos con representaciones simplificadas de la dinámica del océano . El informe complementario del IPCC, 1992 , que utilizó modelos de circulación de todo el océano , no vio "ninguna razón de peso para justificar un cambio" en la estimación de 1990; [56] y el Segundo Informe de Evaluación del IPCC dijeron que "no han surgido razones sólidas para cambiar [estas estimaciones]". [57] En estos informes, gran parte de la incertidumbre en torno a la sensibilidad climática se atribuyó a un conocimiento insuficiente de los procesos de las nubes. El tercer informe de evaluación del IPCC de 2001 también mantuvo este rango probable. [58]
Los autores del Cuarto Informe de Evaluación del IPCC de 2007 [52] afirmaron que la confianza en las estimaciones de la sensibilidad climática de equilibrio había aumentado sustancialmente desde el Tercer Informe Anual. [59] Los autores del IPCC concluyeron que es muy probable que la ECS sea superior a 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 aproximadamente 3 ° C (5,4 ° F). El IPCC declaró que, debido a razones físicas fundamentales y limitaciones de datos, no se podía descartar una sensibilidad climática superior a 4.5 ° C (8.1 ° F), pero que las estimaciones de sensibilidad climática en el rango probable coincidían mejor con las observaciones y el clima sustituto. datos . [59]
El Quinto Informe de Evaluación del IPCC de 2013 volvió al rango anterior de 1,5 a 4,5 ° C (2,7 a 8,1 ° F) (con alta confianza), porque algunas estimaciones que utilizan datos de la era industrial resultaron bajas. (Consulte la siguiente sección para obtener más detalles). [18] El informe también indicó que es extremadamente improbable que ECS sea inferior a 1 ° C (1.8 ° F) (nivel de confianza alto), y es muy poco probable que sea superior a 6 ° C ( 11 ° F) (confianza media). Estos valores se estimaron combinando los datos disponibles con el juicio de expertos. [53]
Cuando el IPCC comenzó a producir su Sexto Informe de Evaluación del IPCC, muchos modelos climáticos comenzaron a mostrar una mayor sensibilidad climática. Las estimaciones de la sensibilidad climática de equilibrio cambiaron de 3,2 ° C a 3,7 ° C y las estimaciones de la respuesta climática transitoria de 1,8 ° C a 2,0 ° C. Probablemente esto se deba a una mejor comprensión del papel de las nubes y los aerosoles. [60]
Métodos de estimación
Usando datos de la era industrial (1750-presente)
La sensibilidad climática se puede estimar utilizando el aumento de temperatura observado, la absorción de calor oceánica observada y el forzamiento radiativo modelado u observado. Estos datos están vinculados a través de un modelo simple de balance energético para calcular la sensibilidad climática. [61] El forzamiento radiativo a menudo se modela, porque los satélites de observación de la Tierra que lo miden existieron solo durante una parte de la era industrial (solo desde mediados del siglo XX). Las estimaciones de la sensibilidad climática calculadas usando estas limitaciones energéticas globales han sido consistentemente más bajas que las calculadas usando otros métodos, [62] alrededor de 2 ° C (3.6 ° F) o menos. [61] [63] [64] [65]
Las estimaciones de la respuesta climática transitoria (TCR) calculadas a partir de modelos y los datos de observación pueden conciliarse si se tiene en cuenta que se toman 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 hay mediciones disponibles para evaluar el modelo, las diferencias en las estimaciones de TCR son insignificantes. [18] [66]
Un modelo climático muy simple podría estimar la sensibilidad climática a partir de datos de la era industrial [15] esperando que el sistema climático alcance el equilibrio y luego midiendo el calentamiento resultante, Δ T eq (° C). Entonces sería posible calcular la sensibilidad climática de equilibrio, S (° C), utilizando el forzamiento radiativo Δ F (W / m 2 ) y el aumento de temperatura medido. El forzamiento radiativo resultante de una duplicación de CO
2, F 2El CO 2 es relativamente bien conocido, a aproximadamente 3,7 W / m 2 . La combinación de esta información da como resultado la siguiente ecuación:
- .
Sin embargo, el sistema climático no está en equilibrio. El calentamiento real va a la zaga del calentamiento de equilibrio, en gran parte porque los océanos absorben calor y tardarán siglos o milenios en alcanzar el equilibrio. [15] La estimación de 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 / m 2 ), de modo que la sensibilidad climática se puede estimar mediante:
El aumento de la temperatura global entre el comienzo del período industrial ( tomado como 1750 ) y 2011 fue de aproximadamente 0,85 ° C (1,53 ° F). En 2011, el forzamiento radiativo debido al CO
2y otros gases de efecto invernadero de larga duración, principalmente metano , óxido nitroso y clorofluorocarbonos , emitidos desde el siglo XVIII fue de aproximadamente 2,8 W / m 2 . El forzamiento climático, Δ F , también contiene contribuciones de la actividad solar (+0,05 W / m 2 ), aerosoles (−0,9 W / m 2 ), ozono (+0,35 W / m 2 ) y otras influencias menores, lo que hace que el total forzando durante el período industrial a 2,2 W / m 2 , según la mejor estimación del IPCC AR5, con una incertidumbre sustancial. [67] La absorción de calor del océano estimada por el IPCC AR5 como 0,42 W / m 2 , [68] arroja un valor de 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: [69] si se conoce la capacidad calorífica efectiva del sistema climático y la escala de tiempo se estima utilizando autocorrelación de la temperatura medida, se puede derivar una estimación de la sensibilidad climática. En la práctica, sin embargo, la determinación simultánea de la escala de tiempo y la capacidad calorífica es difícil. [70] [71] [72]
Se ha intentado utilizar el ciclo solar de 11 años para limitar la respuesta climática transitoria. [73] La irradiancia solar es aproximadamente 0,9 W / m 2 más alta durante un máximo solar que durante un mínimo solar , y los efectos de esto se pueden observar en las temperaturas globales medias medidas durante el período 1959-2004. [74] Desafortunadamente, los mínimos solares en este período coincidieron con erupciones volcánicas, que tienen un efecto de enfriamiento en la temperatura global . Debido a que las erupciones causaron una disminución mayor y menos cuantificada en el forzamiento radiativo que la irradiancia solar reducida, es cuestionable si se pueden derivar conclusiones cuantitativas útiles de las variaciones de temperatura observadas. [75]
Las observaciones de erupciones volcánicas también se han utilizado para tratar de estimar la sensibilidad climática, pero como los aerosoles de una sola erupción duran como máximo un par de años en la atmósfera, el sistema climático nunca puede acercarse al equilibrio y hay menos enfriamiento que lo habría si los aerosoles permanecieran en la atmósfera por más tiempo. Por lo tanto, las erupciones volcánicas brindan información solo sobre un límite inferior en la sensibilidad climática transitoria. [76]
Usando datos del pasado de la Tierra
La sensibilidad climática histórica se puede estimar utilizando reconstrucciones de las temperaturas pasadas de la Tierra y el CO
2niveles. Los paleoclimatólogos han estudiado diferentes períodos geológicos, como el Plioceno cálido ( hace 5,3 a 2,6 millones de años) y el Pleistoceno más frío (hace 2,6 millones a 11,700 años), [77] buscando períodos que sean de alguna manera análogos o informativos sobre el clima actual. cambio. Los climas más atrás en la historia de la Tierra son más difíciles de estudiar, porque hay menos datos disponibles sobre ellos. Por ejemplo, CO pasado
2las concentraciones se pueden derivar del aire atrapado en los núcleos de hielo , pero a partir de 2020[actualizar], el núcleo de hielo continuo más antiguo tiene menos de un millón de años. [78] Los períodos recientes, como el Último Máximo Glacial (LGM) (hace unos 21.000 años) y el Holoceno Medio (hace unos 6.000 años), a menudo se estudian, especialmente cuando hay más información disponible sobre ellos. [79] [80]
Una estimación de sensibilidad de 2007 realizada con datos de los 420 millones de años más recientes es coherente con las sensibilidades de los modelos climáticos actuales y con otras determinaciones. [81] El Máximo Térmico Paleoceno-Eoceno (hace unos 55,5 millones de años), un período de 20.000 años durante el cual una gran cantidad de carbono entró en la atmósfera y las temperaturas globales promedio aumentaron en aproximadamente 6 ° C (11 ° F), también proporciona un buena oportunidad para estudiar el sistema climático cuando estaba en un estado cálido. [82] Los estudios de los últimos 800.000 años han concluido que la sensibilidad climática fue mayor en los períodos glaciales que en los períodos interglaciares. [83]
Como sugiere el nombre, el LGM era mucho más frío que hoy; hay buenos datos sobre el CO atmosférico
2concentraciones y forzamiento radiativo durante ese período. [84] Si bien el forzamiento orbital era diferente al actual, tuvo poco efecto sobre las temperaturas medias anuales. [85] La estimación de la sensibilidad climática a partir de la LGM se puede realizar de varias formas diferentes. [84] Una forma es utilizar estimaciones del forzamiento radiativo global y la temperatura directamente. El conjunto de mecanismos de retroalimentación activos durante el LGM, sin embargo, puede ser diferente de las retroalimentaciones causadas por una duplicación de CO
2en el presente, introduciendo incertidumbre adicional. [85] [86] En un enfoque diferente, se utiliza un modelo de complejidad intermedia para simular las condiciones durante el LGM. Se ejecutan varias versiones de este modelo único, con diferentes valores elegidos para parámetros inciertos, de modo que cada versión tiene un ECS diferente. Los resultados que simulan mejor el enfriamiento observado durante el LGM probablemente producen los valores ECS más realistas. [87]
Usando modelos climáticos
Los modelos climáticos se utilizan para simular el CO
2-impulsada por el calentamiento del futuro y del pasado. Operan con principios similares a los modelos subyacentes que predicen el clima , pero se enfocan en procesos a más largo plazo. Los modelos climáticos generalmente comienzan con un estado inicial, luego aplican leyes físicas y conocimientos sobre biología para generar estados posteriores. Al igual que con el modelado meteorológico, ninguna computadora tiene el poder de modelar la complejidad total de todo el planeta, por lo que se utilizan simplificaciones para reducir esta complejidad a algo manejable. Una simplificación importante divide la atmósfera de la Tierra en células 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 . Los cálculos de las células modelo son mucho más rápidos que intentar simular cada molécula de aire por separado. [90]
Una resolución de modelo más baja (celdas de modelo grandes, 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 o de más corto plazo que un solo paso de tiempo. Por lo tanto, los efectos de estos procesos de menor escala (y de más corto plazo) deben estimarse utilizando 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 de plantas promedio de un área bajo las condiciones modeladas. La sensibilidad climática es, por tanto, una propiedad emergente de estos modelos; no está prescrito, sino que se deriva de la interacción de todos los procesos modelados. [18]
Para estimar la sensibilidad climática, se ejecuta un modelo utilizando una variedad de forzamientos radiativos (duplicando rápidamente, doblando gradualmente o siguiendo las emisiones históricas) y los resultados de temperatura se comparan con el forzamiento aplicado. Los diferentes modelos dan diferentes estimaciones de la sensibilidad climática, pero tienden a caer dentro de un rango similar, como se describió anteriormente.
Pruebas, comparaciones y estimaciones
El modelado del sistema climático puede conducir a una amplia gama de resultados. Los modelos a menudo se ejecutan utilizando diferentes parámetros plausibles en su aproximación de las leyes físicas y el comportamiento de la biosfera, formando un conjunto de física perturbada que intenta modelar la sensibilidad del clima a diferentes tipos y cantidades de cambio en cada parámetro. Alternativamente, se combinan modelos estructuralmente diferentes desarrollados en diferentes instituciones, creando un conjunto. Al seleccionar solo aquellas simulaciones que pueden simular bien alguna parte del clima histórico, se puede realizar una estimación limitada de la sensibilidad climática. Una estrategia para obtener resultados más precisos es poner más énfasis en los modelos climáticos que funcionan bien en general. [91]
Un modelo se prueba utilizando observaciones, datos del paleoclima o ambos para ver si los replica con precisión. Si no es así, se buscan inexactitudes en el modelo físico y 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, [92] la capacidad de un modelo para reproducir la humedad relativa observada en los trópicos y subtrópicos, [93] los patrones de radiación térmica, [94] y la variabilidad de la temperatura a largo plazo. calentamiento histórico. [95] [96] [97] Los modelos climáticos conjuntos desarrollados en diferentes instituciones tienden a producir estimaciones limitadas de ECS que son ligeramente superiores a 3 ° C (5,4 ° F); los modelos con ECS ligeramente por encima de 3 ° C (5,4 ° F) simulan las situaciones anteriores mejor que los modelos con una menor sensibilidad climática. [98]
Existen muchos proyectos y grupos que comparan y analizan los resultados de múltiples modelos. Por ejemplo, el Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados (CMIP) se ha estado ejecutando desde la década de 1990. [99]
En preparación para el sexto informe del IPCC de 2021 , grupos científicos de todo el mundo han desarrollado una nueva generación de modelos climáticos. [100] [101] La sensibilidad climática estimada promedio ha aumentado en la fase 6 del Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados (CMIP6) en comparación con la generación anterior, con valores que van de 1.8 a 5.6 ° C (3.2 a 10.1 ° F) en 27 modelos climáticos globales y excediendo 4.5 ° C (8.1 ° F) en 10 de ellos. [102] [103] La causa del aumento de ECS radica principalmente en la mejora del modelado de las nubes; Ahora se cree que los aumentos de temperatura causan disminuciones más pronunciadas en el número de nubes bajas, y menos nubes bajas significan que el planeta absorbe más luz solar en lugar de reflejarse en el espacio. [102] [104] [105] Los modelos con los valores de ECS más altos, sin embargo, no son consistentes con el calentamiento observado. [106]
Notas
- ^ El CO
2el nivel en 2016 fue de 403 ppm, que es menos del 50% más alto que el CO preindustrial
2concentración de 278 ppm. Sin embargo, debido a que el aumento de las concentraciones tiene un efecto de calentamiento progresivamente menor, la Tierra ya estaba a más de la mitad del camino de duplicar el forzamiento radiativo causado por el CO
2. - ^ El cálculo es el siguiente. En equilibrio, la energía de la radiación entrante y saliente debe equilibrarse. La radiación salienteviene dada por la ley de Stefan-Boltzmann :. Cuando la radiación entrante aumenta, la radiación saliente y, por lo tanto, la temperatura también tiene que aumentar. El aumento de temperatura causada directamente por este forzamiento radiativo adicional,, debido a la duplicación de CO
2 luego es dado por- .
- ^ Aquí se utiliza la definición del IPCC. En algunas otras fuentes, el parámetro de sensibilidad climática se denomina simplemente sensibilidad climática. La inversa de este parámetro se denomina parámetro de retroalimentación climática y se expresa en (W / m 2 ) / ° C.
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enlaces externos
- ¿Qué es la 'sensibilidad climática'? Oficina Meteorológica
- Cómo estiman los científicos la 'sensibilidad climática' Carbon Brief