Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio

Figura 1.Contribuciones al desequilibrio energético (positivo) de la Tierra en 2005-2010. Las estimaciones para los océanos profundos del Sur y Abisales son de Purkey y Johnson (2010) basadas en observaciones dispersas.(Crédito: El desequilibrio de energía de la Tierra es la diferencia entre la cantidad de energía solar absorbida por la Tierra y la cantidad de energía que el planeta irradia al espacio en forma de calor. Si el desequilibrio es positivo, entra más energía que sale, podemos esperar que la Tierra se vuelva más cálida en el futuro, pero más fría si el desequilibrio es negativo. El desequilibrio energético de la Tierra es, por lo tanto, la medida más crucial del estado del clima de la Tierra y define las expectativas para el cambio climático futuro.

El desequilibrio de energía surge debido a los cambios de los forzamientos climáticos que actúan en el planeta en combinación con la inercia térmica del planeta. Por ejemplo, si el Sol se vuelve más brillante, es un forzamiento positivo que causará calentamiento. Si la Tierra fuera como Mercurio, un cuerpo compuesto de material de baja conductividad y sin océanos, la temperatura de su superficie aumentaría rápidamente a un nivel en el que el planeta estaría irradiando de nuevo tanta energía térmica al espacio como la energía solar absorbida.

La temperatura de la Tierra no se ajusta tan rápido como la de Mercurio debido a la inercia térmica del océano, que es sustancial porque el océano se mezcla a profundidades considerables por vientos y convección. Por lo tanto, se requieren siglos para que la temperatura de la superficie de la Tierra responda plenamente a un forzamiento climático.

Los forzamientos climáticos son perturbaciones impuestas al equilibrio energético de la Tierra. Los forzamientos naturales incluyen cambios en el brillo del Sol y erupciones volcánicas que depositan aerosoles en la estratosfera, enfriando así la Tierra al reflejar la luz solar al espacio. Los principales forzamientos climáticos provocados por el hombre son los gases de efecto invernadero (principalmente CO2), que causan calentamiento al atrapar la radiación térmica de la Tierra, y los aerosoles fabricados por el hombre, que, al igual que los aerosoles volcánicos, reflejan la luz solar y tienen un efecto de enfriamiento.

Consideremos el efecto de un forzamiento climático de larga duración. Digamos que el Sol se vuelve más brillante, permaneciendo más brillante durante un siglo o más, o que los seres humanos aumentan los gases de efecto invernadero de larga duración. Cualquiera de los dos forzamientos da como resultado que entre más energía que salga. A medida que el planeta se calienta en respuesta a este desequilibrio, el calor irradiado al espacio por la Tierra aumenta. Eventualmente, la Tierra alcanzará una temperatura global lo suficientemente cálida como para irradiar al espacio tanta energía como recibe del Sol, estabilizando así el clima en el nuevo nivel. En cualquier momento durante este proceso, el desequilibrio de energía planetaria restante nos permite estimar cuánto calentamiento global aún está «en curso».»

Muchas naciones comenzaron, hace aproximadamente una década, a desplegar flotadores alrededor del océano mundial que podrían «yo-yo» un instrumento que mide la temperatura del océano a una profundidad de 2 km. En 2006 había alrededor de 3000 flotadores que cubrían la mayor parte del océano mundial. Estos flotadores permitieron a von Schuckmann y Le Traon (2011) estimar que durante el período de 6 años 2005-2010 los 2 km superiores del océano mundial ganaron energía a una velocidad de 0,41 W/m2 promedio sobre el planeta.

Utilizamos otras mediciones para estimar la energía que va al océano más profundo, a los continentes y al derretimiento de hielo en todo el mundo en el período 2005-2010. Encontramos un desequilibrio total de energía de la Tierra de +0,58±0,15 W/m2 dividido como se muestra en la Fig. 1.

El papel del Sol.El desequilibrio positivo medido en 2005-2010 es particularmente importante porque se produjo durante el mínimo solar más profundo en el período de monitoreo solar preciso (Fig. 2). Si el Sol fuera el único forzamiento climático o el forzamiento climático dominante, entonces el planeta ganaría energía durante los máximos solares, pero perdería energía durante los mínimos solares.

El hecho de que la Tierra ganara energía a una velocidad de 0,58 W/m2 durante un mínimo solar prolongado profundo revela que hay un fuerte forzamiento positivo que supera al forzamiento negativo por una irradiación solar por debajo del promedio. Ese resultado no es una sorpresa, dado el conocimiento de otros forzamientos, pero proporciona una refutación inequívoca de las afirmaciones de que el Sol es el forzamiento climático dominante.

Objetivo de CO2.El desequilibrio energético planetario medido proporciona una evaluación precisa inmediata de la cantidad de CO2 atmosférico que se necesitaría reducir para restablecer el equilibrio energético de la Tierra, que es el requisito básico para estabilizar el clima. Si no se modificaran otros forzamientos climáticos, aumentar la radiación de la Tierra al espacio en 0,5 W/m2 requeriría reducir el CO2 en ~30 ppm a 360 ppm. Sin embargo, dado que el desequilibrio de 0,58±0,15 W/m2 se midió durante un mínimo solar profundo, probablemente sea necesario aumentar la radiación al espacio más cerca de 0.75 W / m2, lo que requeriría reducir el CO2 a ~345 ppm, sin cambios en otros forzamientos. Por lo tanto, el desequilibrio energético de la Tierra confirma una estimación anterior basada en otros motivos de que el CO2 debe reducirse a aproximadamente 350 ppm o menos para estabilizar el clima (Hansen et al., 2008).

Aerosoles.El desequilibrio energético planetario medido también nos permite estimar el forzamiento climático causado por los aerosoles atmosféricos creados por el hombre. Esto es importante porque se cree que el forzamiento de aerosoles es grande, pero prácticamente no se mide.

Se sabe que el forzamiento de gases de efecto invernadero (GEI) producido por el hombre es de aproximadamente +3 W/m2 (Fig. 3). El forzamiento neto de aerosoles de fabricación humana es negativo (enfriamiento), pero su magnitud es incierta dentro de un amplio rango (Fig. 3). El forzamiento de aerosoles es complejo porque hay varios tipos de aerosoles, con algunos aerosoles, como el hollín negro, que absorben parcialmente la luz solar incidente, calentando así la atmósfera. También los aerosoles sirven como núcleos de condensación para el vapor de agua, causando así un forzamiento climático adicional de los aerosoles al alterar las propiedades de las nubes. Como resultado, se necesitan mediciones mundiales sofisticadas para definir el forzamiento climático por aerosoles, como se analiza a continuación.

La importancia de conocer el forzamiento de aerosoles se demuestra considerando los dos casos siguientes: (1) forzamiento de aerosoles de aproximadamente -1 W/m2, de modo que el forzamiento climático neto es de ~ 2 W/m2, (2) forzamiento de aerosoles de -2 W/m2, lo que produce un forzamiento neto de ~1 W/m2. Ambos casos son posibles, debido a la incertidumbre en el forzamiento del aerosol.

Qué alternativa está más cerca de la verdad define los términos de un «trato faustiano» que la humanidad se ha fijado. El calentamiento global hasta ahora ha sido limitado, ya que el enfriamiento de aerosoles ha compensado parcialmente el calentamiento de los gases de efecto invernadero. Pero los aerosoles permanecen en el aire solo varios días, por lo que deben bombearse al aire cada vez más rápido para mantenerse al ritmo del aumento de los gases de efecto invernadero de larga duración (gran parte del CO2 de las emisiones de combustibles fósiles permanecerá en el aire durante varios milenios). Sin embargo, es probable que la preocupación por los efectos de la contaminación atmosférica por partículas en la salud lleve a una reducción eventual de los aerosoles artificiales. En ese momento, el pago faustiano de la humanidad vencerá.

Si el forzamiento neto real es de +2 W/m2 (forzamiento de aerosoles -1 W/m2), incluso un esfuerzo importante para limpiar los aerosoles, por ejemplo, una reducción a la mitad, aumenta el forzamiento neto solo un 25% (de 2 W/m2 a 2,5 W / m2). Pero si el forzamiento neto es de +1 W / m2 (forzamiento de aerosoles -2 W/m2), reducir los aerosoles a la mitad duplica el forzamiento climático neto (de 1 W/m2 a 2 W / m2). Dado que ya se han observado efectos climáticos globales (IPCC, 2007; Hansen et al., 2012), duplicar el forzamiento climático sugiere que la humanidad puede enfrentar un doloroso pago faustiano.

La mayoría de los modelos climáticos que contribuyeron a la última evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC, 2007) emplearon forzamientos de aerosoles en el rango de -0,5 a -1.1 W / m2 y logró un buen acuerdo con el calentamiento global observado durante el siglo pasado, lo que sugiere que el forzamiento de aerosoles es solo moderado. Sin embargo, hay una ambigüedad en los modelos climáticos. La mayoría de los modelos utilizados en el IPCC (2007) mezclan calor de manera eficiente en el océano intermedio y profundo, lo que resulta en la necesidad de un gran forzamiento climático (~2 W/m2) para calentar la superficie de la Tierra en los 0,8°C observados durante el siglo pasado. Pero si el océano mezcla el calor en el océano más profundo de manera menos eficiente, el forzamiento climático neto necesario para igualar el calentamiento global observado es menor.

El desequilibrio energético de la Tierra, si se mide con precisión, proporciona una forma de resolver esta ambigüedad. El caso de la rápida mezcla oceánica y el forzamiento de aerosoles pequeños requiere un gran desequilibrio de energía planetaria para producir el calentamiento de la superficie observado. El desequilibrio de energía planetaria requerido para producir el calentamiento observado para diferentes opciones de profundidad óptica de aerosol se muestra en la Fig. 4, basado en una representación simplificada de simulaciones climáticas globales (Hansen et al., 2011).

El desequilibrio de energía de la Tierra medido, +0,58 W / m2 durante 2005-2010, implica que el forzamiento de aerosoles es de aproximadamente -1.6 W/m2, un forzamiento negativo mayor que el empleado en la mayoría de los modelos del IPCC. Discutimos múltiples líneas de evidencia de que la mayoría de los modelos climáticos empleados en estos estudios anteriores tenían una mezcla oceánica moderadamente excesiva, lo que podría explicar el hecho de que lograron un buen ajuste al cambio de temperatura global observado con un forzamiento de aerosoles más pequeño.

El forzamiento climático de aerosoles grandes (negativos) hace imperativo que logremos una mejor comprensión de los aerosoles que causan este forzamiento. Desafortunadamente, el primer satélite capaz de medir las propiedades físicas detalladas de los aerosoles, la misión Glory (Mishchenko et al., 2007), sufrió un fallo de lanzamiento. Es urgente que se lleve a cabo una misión de sustitución, ya que el efecto neto actual de la variación de las emisiones en los países en desarrollo y desarrollados es muy incierto

Las mediciones mundiales para evaluar el forzamiento indirecto del clima por aerosoles, a través de los efectos de los aerosoles en las nubes, requieren mediciones polarimétricas simultáneas de alta precisión de la radiación solar reflejada y mediciones interferométricas de la radiación térmica emitida con los dos instrumentos mirando la misma zona al mismo tiempo. Se ha definido un concepto de misión de este tipo (Hansen et al., 1993) y reevaluaciones recientes indican que podría lograrse a un costo de alrededor de 100 millones de dólares si lo llevara a cabo el sector privado sin necesidad de grupos de examen gubernamentales indebidos.

Enlace relacionado

Comunicado de Prensa de la NASA: El Presupuesto Energético de la Tierra Se Mantuvo Desequilibrado A Pesar de una Actividad Solar Inusualmente Baja

Hansen, J., W. Rossow, and I. Fung (Eds.), 1993:Long-term Monitoring of Global Climate Forcings and Feedbacks, NASA Conf. Publ. 3234, Instituto Goddard de Estudios Espaciales, Nueva York.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Kharecha, D. Beerling, R. Berner, V. Masson-Delmotte, M. Pagani, M. Raymo, D. L. Royer y J.C. Zachos, 2008: Target atmospheric CO2: Where should humanity aim?Abre Atmos. Sci. J., 2, 217-231, doi:10.2174 / 1874282300802010217.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Kharecha, y K. von Schuckmann, 2011: Desequilibrio energético de la Tierra e implicaciones.Atmos. Chem. Phys., 11,13421-13449, doi: 10.5194 / acp-11-13421-2011.

Hansen, J., Mki. Sato, y R. Ruedy, 2012:Percepciones del cambio climático: Los nuevos dados climáticos, URL http://www.columbia.edu/~jeh1/mailings/2012/20120105_PerceptionsAndDice.pdf, última consulta en enero. 6, 2012-no disponible Abr. 10,2018

Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC), Climate Change 2007: The Physical Science Basis, S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K. B. Averyt, M. Tignor y H. L. Miller (Eds.), Cambridge Univ. Press, 996 pp.

Mishchenko, M. I., B. Cairns, G. Kopp, C. F. Schueler, B. A. Fafaul, J. E. Hansen, R. J. Hooker, T. Itchkawich, H. B. Maring, and L. D. Travis, 2007: Accurate monitoring of terrestrial aerosols and total solar irradiance: Introducing the Glory mission.iBull. Amer. Meteorol. Soc., 88,677-691, doi: 10.1175 / BAMS-88-5-677.

Purkey, S. G., and G. C. Johnson, 2010: Warming of global abyssal and deep southern ocean between the 1990s and 2000s: contributions to global heat and sea level rise budgets,J. Climate, 23, 6336-6351,doi:10.1175/2010JCLI3682.1.

Von Schuckmann, K., y P.-Y. Le Traon, 2011: How well can we derive global ocean indicators from Argo data?Ocean Sci., 7,783-791, doi: 10.5194 / os-7-783-2011.

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