El año pasado, las temperaturas globales fueron 0,95ºC más cálidas que el promedio del siglo XX. La actividad humana es responsable de alrededor del 100% de este calentamiento.

Profundizando un poco más en estas cifras, se observa que las zonas continentales de la Tierra fueron 1,43ºC más cálidas que el promedio, mientras que los océanos fueron 0,77ºC más cálidos. Esto es una prueba de cómo los continentes del mundo se han calentado más rápidamente que sus océanos en las últimas décadas.

Este contraste entre el cambio de temperatura de la tierra y el océano determinará en gran medida el patrón global de calentamiento futuro y tiene importantes implicaciones para los seres humanos. Después de todo, somos una especie que prefiere vivir en tierra.

Pero, ¿qué es lo que provoca este contraste de calentamiento? Es una pregunta aparentemente simple, pero con una respuesta complicada. En este artículo, esbozo una robusta teoría cuantitativa para el contraste de calentamiento entre la tierra y el océano que ha sido desarrollada en los últimos años.

La capacidad calorífica

La física elemental sugiere que cuando se pone más calor en el sistema climático, la tierra debería calentarse más rápidamente que los océanos. Esto se debe a que la tierra tiene una "capacidad calorífica" menor que el agua, lo cual significa que necesita menos calor para elevar su temperatura.

El siguiente gráfico muestra cómo la superficie terrestre de la Tierra (línea amarilla) se ha calentado más rápidamente que el océano (azul oscuro) en el registro de observación.

Calentamiento en la tierra reflejado en los registros de temperatura de la superficie de la NOAA. El gráfico muestra las temperaturas medias anuales en la tierra (línea amarilla), el océano (azul oscuro) y la tierra y el océano combinados (azul claro). Todas las cifras son relativas al periodo 1901-2000. Datos de la NOAA; gráfico de Carbon Brief utilizando Highcharts.

Este efecto también se puede observar en diferentes partes del sistema climático por estaciones. Por ejemplo, a medida que el sol se mueve hacia el norte del ecuador durante la primavera del hemisferio norte, su energía calienta rápidamente la India en relación con los océanos circundantes. Este contraste en el calentamiento juega un papel clave en el retroceso de los vientos que impulsan el monzón del sur de Asia.

La pequeña capacidad calorífica de la tierra también ayuda a explicar por qué algunas regiones continentales, como Rusia y el centro de los Estados Unidos, pueden ser muy calurosas en verano, pero muy frías en invierno. Esto se conoce como "continentalidad".

Dado su papel fundamental en el contraste entre el calentamiento estacional de la tierra y el océano, la capacidad calorífica es el punto de partida lógico cuando se intenta explicar por qué los continentes se calientan más que los océanos en el marco del cambio climático. Pero existe un problema con esta explicación.

Contraste térmico

En un documento histórico de 1991, el meteorólogo Syukuro Manabe y sus colegas utilizaron un modelo climático inicial para comparar la respuesta temporal del sistema climático a los aumentos graduales de CO2 con la respuesta de equilibrio a largo plazo.

En otras palabras, comparaban el clima mientras el CO2 aumentaba con el clima una vez que el CO2 había dejado de aumentar para estabilizarse en su nuevo estado más cálido.

Si la diferencia de capacidades caloríficas entre la tierra y los océanos fuera el factor decisivo que controla el contraste de calentamiento, se esperaría que el contraste desaparecería una vez que los océanos hubieran tenido tiempo suficiente para calentarse.

Pero esto no es lo que descubrió Manabe. En cambio, descubrió que la relación entre el calentamiento de la tierra y el océano (ahora conocido como "factor de amplificación") era similar tanto en los experimentos de transición como en los de equilibrio.

Esto era una demostración del contraste entre el calentamiento de la tierra y el océano, que se opbserva en el mapa de abajo que muestra el calentamiento proyectado para el final de este siglo, como una respuesta fundamental al cambio climático que no está controlado por la cantidad de calor. Si la capacidad calorífica no puede explicar el calentamiento amplificado de la tierra en un clima cambiante, ¿quién puede?

Proyección del modelo climático del cambio en la temperatura próxima a la superficie para finales del siglo XXI (2080-2100) en relación con el período histórico (1980-2000). Datos del modelo GFDL-CM4 en el escenario de altas emisiones y con combustibles fósiles SSP58.5; gráfico de M Byrne.

Más allá de la capacidad calorífica

La primera explicación, presentada inicialmente por Manabe, recurre al equilibrio de energía de la superficie. Esto describe el intercambio de energía entre la superficie de la Tierra y la atmósfera que está sobre ella.

Cuando las concentraciones atmosféricas de CO2 aumentan, la radiación en la superficie de la Tierra se incrementa provocando un aumento de las temperaturas. Esto se debe a que una mayor cantidad del calor irradiado por la superficie de la Tierra está siendo retenida por los gases de efecto invernadero en la atmósfera.

Pero el alcance de este calentamiento superficial inducido por el CO2 depende en gran parte de la forma en que se equilibra con los factores que causan el enfriamiento, es decir, el enfriamiento causado por la evaporación y el enfriamiento debido al intercambio de calor entre la superficie de la tierra y el aire que la rodea. (El calentamiento atmosférico causado por este último también tiende a impedir la formación de nubes y, por lo tanto, puede causar un mayor sequedad de la superficie terrestre).

Los océanos, que tienen agua ilimitada para evaporarse, pueden enfriarse eficientemente en un clima cálido al evaporarse más y más agua con sólo un pequeño aumento de la temperatura. Los continentes, por otra parte, suelen tener una disponibilidad de humedad limitada y por lo tanto la evaporación está más restringida.

Esto significa que, en los continentes, la mayor parte de la radiación adicional que llega a la superficie en un clima cálido debe disiparse mediante el intercambio de calor seco y el enfriamiento radiativo de onda larga, en lugar de la evapotranspiración. Esto implica un mayor aumento de la temperatura de la superficie en comparación con los océanos que se evaporan libremente.

Esta teoría de "equilibrio de energía de superficie" para el contraste de calentamiento tierra-océano también se ha planteado en estudios más recientes.

Esta explicación del calentamiento continental amplificado es intuitiva e insinúa un papel clave de la "aridez" de la tierra en la determinación del cambio de temperatura. Pero necesita ser apoyada por números concretos.

Un problema con la teoría del balance energético de la tierra es que se basa en las propiedades de la superficie terrestre - que son variadas, complejas y notoriamente difíciles de simular - para ser representadas con precisión en los modelos climáticos. En particular, cuantificar cómo responderá la evapotranspiración a un clima cambiante -el ingrediente clave de la teoría del equilibrio de energía de superficie- requiere el conocimiento de la humedad regional del suelo y la vegetación y de cómo estas propiedades en sí mismas cambian con el clima. Una tarea difícil.

Además, los factores de la atmósfera superficial también son importantes: ¿cómo cambiarán las precipitaciones y los vientos? Los innumerables procesos que influyen en el equilibrio energético de la superficie terrestre hacen que sea difícil utilizar este marco como base para una teoría cuantitativa del contraste entre el calentamiento de la tierra y el océano. Aunque la perspectiva es conceptualmente útil, proporciona una comprensión incompleta de la física que impulsa el contraste de calentamiento.

Una nueva idea

Más que el equilibrio de la energía en la superficie, la dinámica atmosférica - el movimiento de la atmósfera y su estado termodinámico - sostiene una nueva interpretación del contraste de calentamiento entre la tierra y el océano que se ha desarrollado en la última década.

En un documento de 2008, el Profesor Manoj Joshi - entonces en el Centro Hadley de la Oficina de Meteorología y la Universidad de Reading y ahora en la Universidad de East Anglia - fue el primero en destacar que los procesos dinámicos en la atmósfera conectan la temperatura y la humedad en las regiones terrestres y oceánicas.

Específicamente, demostró que la tasa de descenso - la tasa de disminución de la temperatura con la altura - disminuye más fuertemente sobre el océano que sobre la tierra a medida que el ambiente se calienta. Esto se debe a que el aire sobre el océano, en cualquier momento, suele contener más vapor de agua que el aire sobre la tierra.

Estos cambios en el ritmo de descenso de la temperatura explican el contraste de calentamiento: un descenso más débil en el ritmo de descenso de la tierra implica un mayor aumento de la temperatura de la superficie terrestre en relación con el océano.

Este mecanismo no es necesariamente intuitivo, sino que se basa en procesos bien establecidos en la dinámica atmosférica. Actualmente se ha aceptado que los cambios en la tasa de pérdida de calor son el factor fundamental del contraste de calentamiento entre la tierra y el océano, especialmente en latitudes bajas (hasta aproximadamente 40N y 40S). El calentamiento amplificado en regiones como el Mediterráneo también se explica por el mismo mecanismo de la tasa de pérdida.

Una teoría cuantitativa

Con su trabajo de 2008, Joshi introdujo una nueva comprensión conceptual del contraste entre el calentamiento de la tierra y el océano. Pero, de nuevo, la explicación fue cualitativa.

Junto con el profesor Paul O'Gorman del Instituto Tecnológico de Massachusetts, me di cuenta de que el argumento de la tasa de pérdida podía extenderse y desarrollarse como una teoría cuantitativa.

La idea clave era que, aunque los cambios de temperatura y humedad en la tierra y el océano son muy diferentes, las limitaciones de la dinámica atmosférica que Joshi identificó implican que los cambios en una combinación particular de temperatura y humedad - específicamente, la energía contenida en una partícula de aire en reposo, una cantidad conocida como energía estática húmeda - son aproximadamente iguales. Esta idea nos permitió derivar una ecuación para el cambio de temperatura de la tierra, que publicamos en 2018.

Lo que nuestra ecuación demuestra es que la respuesta de la temperatura terrestre al cambio climático depende de dos factores: el calentamiento de los océanos y la sequedad de la tierra en el clima actual.

Cuanto más seca esté la tierra, más se calienta. La teoría ha sido verificada en modelos climáticos y usando datos de observación de los últimos 40 años. La teoría explica por qué se espera que el calentamiento de la tierra sea particularmente severo en las regiones subtropicales secas y áridas y también explica por qué la humedad relativa de la tierra ha estado disminuyendo en las últimas décadas.

Una importante repercusión de la teoría en las proyecciones de las futuras temperaturas de la tierra (que varían considerablemente entre los modelos) es que es crucial modelizar con precisión el grado de sequedad de la tierra en el clima actual, pero esto es técnicamente difícil debido a las complejidades de las superficies terrestres.

No se conoce bien

Esta nueva interpretación del contraste entre el calentamiento de la tierra y el océano ha sido bien acogida por las comunidades de investigación de la dinámica atmosférica y la dinámica del clima.

Pero sería justo decir que todavía no se sabe bien en las áreas más amplias de la ciencia climática y las comunidades de impactos climáticos que el contraste de calentamiento entre la tierra y el océano se debe a la sequedad y no a las diferencias en la capacidad calorífica.

Ciertamente no es bien conocido en la esfera pública. En términos de la teoría misma, algunos investigadores encuentran sorprendente que la complejidad de las superficies terrestres pueda ser incluida en un único parámetro de "aridez".

También encuentro sorprendente e inspirador que la respuesta de un sistema tan complejo como el clima continental pueda reducirse a una simple ecuación. Yo abogaría por más de este tipo de investigación conceptual en la ciencia del clima.

 

Fuente: Por: Dr Michael Byrne