Sistema climático

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Los cinco componentes del sistema climático interactúan todos. Son la atmósfera, la hidrosfera, la criosfera, la litosfera y la biosfera.

El sistema climático de la Tierra es un sistema complejo con cinco componentes que interactúan entre sí: la atmósfera (aire), la hidrosfera (agua), la criosfera (hielo y permafrost), la litosfera (capa rocosa superior de la Tierra) y la biosfera (seres vivos). El clima es la caracterización estadística del sistema climático. Representa el tiempo promedio, generalmente durante un período de 30 años, y está determinado por una combinación de procesos, como las corrientes oceánicas y los patrones de viento. La circulación en la atmósfera y los océanos transporta calor desde las regiones tropicales a las regiones que reciben menos energía del Sol. La radiación solar es la principal fuerza impulsora de esta circulación. El ciclo del agua también mueve energía a través del sistema climático. Además, ciertos elementos químicos se mueven constantemente entre los componentes del sistema climático. Dos ejemplos de estos ciclos bioquímicos son los ciclos del carbono y del nitrógeno.

El sistema climático puede cambiar debido a la variabilidad interna y a factores externos. Estos factores externos pueden ser naturales, como las variaciones en la intensidad solar y las erupciones volcánicas, o causados por los seres humanos. La acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera, emitidos principalmente por la quema de combustibles fósiles, está provocando el cambio climático. La actividad humana también libera aerosoles refrigerantes, pero su efecto neto es mucho menor que el de los gases de efecto invernadero. Los cambios pueden verse amplificados por procesos de retroalimentación en los diferentes componentes del sistema climático.

Componentes

La atmósfera envuelve la Tierra y se extiende cientos de kilómetros desde la superficie. Está compuesta principalmente de nitrógeno inerte (78%), oxígeno (21%) y argón (0,9%). Algunos gases traza presentes en la atmósfera, como el vapor de agua y el dióxido de carbono, son los gases más importantes para el funcionamiento del sistema climático, ya que son gases de efecto invernadero que permiten que la luz visible del Sol penetre en la superficie, pero bloquean parte de la radiación infrarroja que emite la superficie de la Tierra para equilibrar la radiación solar. Esto hace que aumenten las temperaturas de la superficie.

El ciclo hidrológico es el movimiento del agua a través del sistema climático. El ciclo hidrológico no sólo determina los patrones de precipitación, sino que también influye en el movimiento de la energía a través del sistema climático.

La hidrosfera contiene toda el agua líquida de la Tierra, la mayor parte de la cual se encuentra en los océanos del mundo. El océano cubre el 71% de la superficie de la Tierra hasta una profundidad promedio de casi 4 kilómetros (2,5 millas), y el contenido de calor del océano es mucho mayor que el calor retenido por la atmósfera. Contiene agua de mar con un contenido de sal de aproximadamente el 3,5% en promedio, pero esto varía espacialmente. El agua salobre se encuentra en los estuarios y algunos lagos, y la mayor parte del agua dulce, el 2,5% de toda el agua, se encuentra en hielo y nieve.

La criosfera contiene todas las partes del sistema climático donde el agua es sólida. Esto incluye el hielo marino, las capas de hielo, el permafrost y la capa de nieve. Debido a que hay más tierra en el hemisferio norte en comparación con el hemisferio sur, una mayor parte de ese hemisferio está cubierta de nieve. Ambos hemisferios tienen aproximadamente la misma cantidad de hielo marino. La mayor parte del agua congelada se encuentra en las capas de hielo de Groenlandia y la Antártida, que tienen una altura promedio de unos 2 kilómetros (1,2 millas). Estas capas de hielo fluyen lentamente hacia sus márgenes.

La corteza terrestre, en concreto las montañas y los valles, configura los patrones eólicos globales: las grandes cadenas montañosas forman una barrera para los vientos y afectan a dónde y cuánto llueve. Las tierras más cercanas al océano abierto tienen un clima más moderado que las tierras más alejadas del océano. A los efectos de modelar el clima, la tierra suele considerarse estática, ya que cambia muy lentamente en comparación con los demás elementos que componen el sistema climático. La posición de los continentes determina la geometría de los océanos y, por tanto, influye en los patrones de circulación oceánica. La ubicación de los mares es importante para controlar la transferencia de calor y humedad en todo el planeta y, por tanto, para determinar el clima global.

Por último, la biosfera también interactúa con el resto del sistema climático. La vegetación suele ser más oscura o más clara que el suelo que hay debajo, de modo que una mayor o menor cantidad del calor del sol queda atrapada en las zonas con vegetación. La vegetación es buena para atrapar el agua, que luego es absorbida por sus raíces. Sin vegetación, esta agua se habría escurrido hacia los ríos más cercanos u otros cuerpos de agua. El agua absorbida por las plantas se evapora, contribuyendo al ciclo hidrológico. La precipitación y la temperatura influyen en la distribución de las diferentes zonas de vegetación. La asimilación de carbono del agua de mar por el crecimiento de pequeños fitoplancton es casi tanta como la de las plantas terrestres de la atmósfera. Aunque técnicamente los humanos son parte de la biosfera, a menudo se los trata como componentes separados del sistema climático de la Tierra, la antroposfera, debido al gran impacto humano en el planeta.

Flujos de energía, agua y elementos

La circulación atmosférica de la Tierra es impulsada por el desequilibrio energético entre el Ecuador y los polos. Está más influenciada por la rotación de la Tierra alrededor de su propio eje.

Energía y circulación general

El sistema climático recibe energía del Sol y, en mucha menor medida, del núcleo de la Tierra, así como de la energía de las mareas de la Luna. La Tierra emite energía al espacio exterior de dos formas: refleja directamente una parte de la radiación del Sol y emite radiación infrarroja en forma de radiación de cuerpo negro. El balance de energía entrante y saliente, y el paso de la energía a través del sistema climático, determina el balance energético de la Tierra. Cuando el total de energía entrante es mayor que la energía saliente, el desequilibrio energético de la Tierra es positivo y el sistema climático se está calentando. Si sale más energía, el desequilibrio energético es negativo y la Tierra experimenta un enfriamiento.

A los trópicos llega más energía que a las regiones polares y la diferencia de temperatura resultante impulsa la circulación global de la atmósfera y los océanos. El aire se eleva cuando se calienta, fluye hacia los polos y desciende nuevamente cuando se enfría, regresando al ecuador. Debido a la conservación del momento angular, la rotación de la Tierra desvía el aire hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur, formando así células atmosféricas diferenciadas. Los monzones, cambios estacionales en el viento y las precipitaciones que ocurren principalmente en los trópicos, se forman debido a que las masas terrestres se calientan más fácilmente que el océano. La diferencia de temperatura induce una diferencia de presión entre la tierra y el océano, impulsando un viento constante.

El agua del océano que tiene más sal tiene una mayor densidad y las diferencias de densidad juegan un papel importante en la circulación oceánica. La circulación termohalina transporta calor desde los trópicos a las regiones polares. La circulación oceánica también está impulsada por la interacción con el viento. El componente salino también influye en la temperatura del punto de congelación. Los movimientos verticales pueden hacer subir agua más fría a la superficie en un proceso llamado surgencia, que enfría el aire de arriba.

Ciclo hidrológico

El ciclo hidrológico o ciclo del agua describe cómo se mueve constantemente entre la superficie de la Tierra y la atmósfera. Las plantas evapotranspiran y la luz solar evapora el agua de los océanos y otros cuerpos de agua, dejando atrás la sal y otros minerales. El agua dulce evaporada luego vuelve a caer en la superficie. La precipitación y la evaporación no se distribuyen uniformemente en todo el planeta, ya que en algunas regiones, como los trópicos, hay más lluvia que evaporación y en otras, más evaporación que lluvia. La evaporación del agua requiere cantidades sustanciales de energía, mientras que durante la condensación se libera mucho calor. Este calor latente es la principal fuente de energía en la atmósfera.

Ciclos bioquímicos

El carbono se transporta constantemente entre los diferentes elementos del sistema climático: fijado por los seres vivos y transportado a través del océano y la atmósfera.

Los elementos químicos, vitales para la vida, se reciclan constantemente a través de los diferentes componentes del sistema climático. El ciclo del carbono es directamente importante para el clima, ya que determina las concentraciones de dos importantes gases de efecto invernadero en la atmósfera: CO2 y metano. En la parte rápida del ciclo del carbono, las plantas absorben dióxido de carbono de la atmósfera mediante la fotosíntesis; este es luego reemitido por la respiración de los seres vivos. Como parte del ciclo lento del carbono, los volcanes liberan CO2 mediante la desgasificación, liberando dióxido de carbono de la corteza y el manto de la Tierra. Como el CO2 de la atmósfera hace que la lluvia sea un poco ácida, esta lluvia puede disolver lentamente algunas rocas, un proceso conocido como meteorización. Los minerales que se liberan de esta manera, transportados al mar, son utilizados por los seres vivos cuyos restos pueden formar rocas sedimentarias, llevando el carbono de vuelta a la litosfera.

El ciclo del nitrógeno describe el flujo de nitrógeno activo. Como el nitrógeno atmosférico es inerte, los microorganismos primero tienen que convertirlo en un compuesto de nitrógeno activo en un proceso llamado fijación del nitrógeno, antes de que pueda ser utilizado como un componente básico en la biosfera. Las actividades humanas desempeñan un papel importante en los ciclos del carbono y del nitrógeno: la quema de combustibles fósiles ha desplazado el carbono de la litosfera a la atmósfera, y el uso de fertilizantes ha aumentado enormemente la cantidad de nitrógeno fijado disponible.

Cambios dentro del sistema climático

El clima varía constantemente, en escalas temporales que van desde las estaciones hasta la vida de la Tierra. Los cambios causados por los propios componentes y dinámicas del sistema se denominan variabilidad climática interna. El sistema también puede experimentar fuerzas externas provenientes de fenómenos externos al sistema (por ejemplo, un cambio en la órbita de la Tierra). Los cambios más prolongados, generalmente definidos como cambios que persisten durante al menos 30 años, se denominan cambios climáticos, aunque esta frase generalmente se refiere al cambio climático global actual. Cuando el clima cambia, los efectos pueden acumularse entre sí, y propagarse en cascada a través de las otras partes del sistema en una serie de retroalimentaciones climáticas (por ejemplo, cambios en el albedo), produciendo muchos efectos diferentes (por ejemplo, aumento del nivel del mar).

Variabilidad interna

Diferencia entre lo normal Temperatura de la superficie marina [°C] y temperaturas durante el fuerte El Niño de 1997. El Niño generalmente trae el tiempo más húmedo a México y Estados Unidos.

Los componentes del sistema climático varían continuamente, incluso sin presiones externas (forzamiento externo). Un ejemplo en la atmósfera es la Oscilación del Atlántico Norte (NAO), que funciona como un sube y baja de la presión atmosférica. Las Azores portuguesas suelen tener alta presión, mientras que en Islandia suele haber una presión menor. La diferencia de presión oscila y esto afecta a los patrones climáticos en toda la región del Atlántico Norte hasta Eurasia central. Por ejemplo, el clima en Groenlandia y Canadá es frío y seco durante una NAO positiva. Las diferentes fases de la Oscilación del Atlántico Norte pueden mantenerse durante varias décadas.

El océano y la atmósfera también pueden trabajar juntos para generar espontáneamente una variabilidad climática interna que puede persistir durante años o décadas. Algunos ejemplos de este tipo de variabilidad son El Niño-Oscilación del Sur, la oscilación decenal del Pacífico y la oscilación multidecenal del Atlántico. Estas variaciones pueden afectar la temperatura superficial media global al redistribuir el calor entre las profundidades del océano y la atmósfera, pero también al alterar la distribución de las nubes, el vapor de agua o el hielo marino, lo que puede afectar el presupuesto energético total de la Tierra.

Los aspectos oceánicos de estas oscilaciones pueden generar variabilidad en escalas temporales centenarias debido a que el océano tiene cientos de veces más masa que la atmósfera y, por lo tanto, una inercia térmica muy alta. Por ejemplo, las alteraciones de los procesos oceánicos, como la circulación termohalina, desempeñan un papel clave en la redistribución del calor en los océanos del mundo. La comprensión de la variabilidad interna ayudó a los científicos a atribuir el cambio climático reciente a los gases de efecto invernadero.

Clima externo forcing

En escalas de tiempo largas, el clima está determinado principalmente por la cantidad de energía que hay en el sistema y hacia dónde va. Cuando el presupuesto energético de la Tierra cambia, el clima cambia. Un cambio en el presupuesto energético se denomina forzamiento. Cuando el cambio es causado por algo externo a los cinco componentes del sistema climático, se denomina forzamiento externo. Los volcanes, por ejemplo, son el resultado de procesos profundos dentro de la Tierra que no se consideran parte del sistema climático. Al igual que nuestras acciones humanas, los cambios fuera del planeta, como la variación solar y la llegada de asteroides, también son "externos" a los cinco componentes del sistema climático.

El valor principal para cuantificar y comparar los forzamientos climáticos es el forzamiento radiativo.

Luz del sol

El Sol es la principal fuente de energía que llega a la Tierra y es el motor de la circulación atmosférica. La cantidad de energía que proviene del Sol varía en escalas de tiempo más cortas, incluido el ciclo solar de 11 años, y en escalas de tiempo más largas. Si bien el ciclo solar es demasiado pequeño para calentar y enfriar directamente la superficie de la Tierra, sí influye directamente en una capa superior de la atmósfera, la estratosfera, que puede tener un efecto en la atmósfera cercana a la superficie.

Ligeras variaciones en el movimiento de la Tierra pueden causar grandes cambios en la distribución estacional de la luz solar que llega a la superficie de la Tierra y en su distribución por el globo, aunque no en la luz solar media global y anual. Los tres tipos de cambio cinemático son las variaciones en la excentricidad de la Tierra, los cambios en el ángulo de inclinación del eje de rotación de la Tierra y la precesión del eje de la Tierra. Juntos, estos producen los ciclos de Milankovitch, que afectan al clima y son notables por su correlación con los períodos glaciales e interglaciales.

Gases de invernadero

Los gases de efecto invernadero atrapan el calor en la parte inferior de la atmósfera al absorber la radiación de onda larga. En el pasado de la Tierra, muchos procesos contribuyeron a las variaciones en las concentraciones de gases de efecto invernadero. Actualmente, las emisiones humanas son la causa del aumento de las concentraciones de algunos gases de efecto invernadero, como el CO2, el metano y el N2O. El principal contribuyente al efecto invernadero es el vapor de agua (~50%), y las nubes (~25%) y el CO2 (~20%) también desempeñan un papel importante. Cuando aumentan las concentraciones de gases de efecto invernadero de larga duración, como el CO2, aumentan la temperatura y el vapor de agua. En consecuencia, el vapor de agua y las nubes no se consideran fuerzas externas, sino una retroalimentación.

La erosión de los carbonatos y silicatos elimina el carbono de la atmósfera.

Aerosols

Las partículas líquidas y sólidas de la atmósfera, llamadas colectivamente aerosoles, tienen diversos efectos sobre el clima. Algunas dispersan principalmente la luz solar, enfriando el planeta, mientras que otras absorben la luz solar y calientan la atmósfera. Los efectos indirectos incluyen el hecho de que los aerosoles pueden actuar como núcleos de condensación de nubes, estimulando la formación de nubes. Las fuentes naturales de aerosoles incluyen la espuma marina, el polvo mineral, los meteoritos y los volcanes. Sin embargo, los seres humanos también contribuyen, ya que una actividad humana, como la combustión de biomasa o combustibles fósiles, libera aerosoles a la atmósfera. Los aerosoles contrarrestan algunos de los efectos de calentamiento de los gases de efecto invernadero emitidos hasta que vuelven a caer a la superficie en unos pocos años o menos.

A temperatura atmosférica de 1979 a 2010, determinada por los satélites de la NASA del MSU, los efectos aparecen en aerosoles liberados por grandes erupciones volcánicas (El Chichón y Pinatubo). El Niño es un evento separado de la variabilidad oceánica.

Aunque técnicamente los volcanes forman parte de la litosfera, que es parte del sistema climático, el vulcanismo se define como un agente de forzamiento externo. En promedio, solo hay varias erupciones volcánicas por siglo que influyen en el clima de la Tierra durante más de un año al expulsar toneladas de SO2 a la estratosfera. El dióxido de azufre se convierte químicamente en aerosoles que causan enfriamiento al bloquear una fracción de la luz solar en la superficie de la Tierra. Las pequeñas erupciones afectan la atmósfera solo sutilmente.

Uso de la tierra y cambio de cobertura

Los cambios en la cobertura terrestre, como el cambio de la cobertura hídrica (por ejemplo, el aumento del nivel del mar, el secado de lagos y las inundaciones repentinas) o la deforestación, en particular debido al uso humano de la tierra, pueden afectar el clima. La reflectividad de la zona puede cambiar, lo que hace que la región capte más o menos luz solar. Además, la vegetación interactúa con el ciclo hidrológico, por lo que las precipitaciones también se ven afectadas. Los incendios forestales liberan gases de efecto invernadero a la atmósfera y liberan carbono negro, que oscurece la nieve, lo que facilita su derretimiento.

Respuestas y comentarios

Algunos efectos del calentamiento global pueden potenciar (realimentación positiva) o inhibir (realimentación negativa) el calentamiento. Las observaciones y los estudios de modelado indican que hay una reacción positiva neta al calentamiento global actual de la Tierra.

Los diferentes elementos del sistema climático responden a las fuerzas externas de diferentes maneras. Una diferencia importante entre los componentes es la velocidad con la que reaccionan a una fuerza. La atmósfera suele responder en un plazo de un par de horas o semanas, mientras que las profundidades oceánicas y las capas de hielo tardan siglos o milenios en alcanzar un nuevo equilibrio.

La respuesta inicial de un componente a una fuerza externa puede verse atenuada por retroalimentaciones negativas y potenciada por retroalimentaciones positivas. Por ejemplo, una disminución significativa de la intensidad solar provocaría rápidamente una disminución de la temperatura en la Tierra, lo que permitiría que la capa de hielo y nieve se expandiera. La nieve y el hielo adicionales tienen un albedo o reflectividad más altos y, por lo tanto, reflejan más radiación solar hacia el espacio antes de que pueda ser absorbida por el sistema climático en su conjunto; esto, a su vez, hace que la Tierra se enfríe aún más.

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