Variabilidad y cambio climático

Variabilidad climática incluye todas las variaciones en el clima que duran más que los eventos meteorológicos individuales, mientras que el término cambio climático solo se refiere a aquellas variaciones que persisten durante un período más largo de tiempo, típicamente décadas o más. Cambio climático puede referirse a cualquier momento de la historia de la Tierra, pero el término ahora se usa comúnmente para describir el cambio climático contemporáneo. Desde la Revolución Industrial, el clima se ha visto cada vez más afectado por las actividades humanas.

El sistema climático recibe casi toda su energía del sol e irradia energía al espacio exterior. El balance de energía entrante y saliente y el paso de la energía a través del sistema climático es el presupuesto energético de la Tierra. Cuando la energía entrante es mayor que la energía saliente, el presupuesto energético de la Tierra es positivo y el sistema climático se está calentando. Si sale más energía, el presupuesto de energía es negativo y la Tierra se enfría.

La energía que se mueve a través del sistema climático de la Tierra encuentra su expresión en el clima, que varía según las escalas geográficas y el tiempo. Los promedios a largo plazo y la variabilidad del clima en una región constituyen el clima de la región. Dichos cambios pueden ser el resultado de la "variabilidad interna", cuando los procesos naturales inherentes a las distintas partes del sistema climático alteran la distribución de la energía. Los ejemplos incluyen la variabilidad en las cuencas oceánicas, como la oscilación decenal del Pacífico y la oscilación multidecenal del Atlántico. La variabilidad climática también puede resultar de forzamientos externos, cuando eventos fuera de los componentes del sistema climático producen cambios dentro del sistema. Los ejemplos incluyen cambios en la producción solar y vulcanismo.

La variabilidad climática tiene consecuencias para los cambios en el nivel del mar, la vida vegetal y las extinciones masivas; también afecta a las sociedades humanas.

Terminología

Variabilidad climática es el término para describir las variaciones en el estado medio y otras características del clima (como posibilidades o posibilidad de fenómenos meteorológicos extremos, etc.) "en todas las escalas espaciales y temporales más allá de los eventos climáticos individuales." Parte de la variabilidad no parece ser causada por sistemas conocidos y ocurre en momentos aparentemente aleatorios. Tal variabilidad se llama variabilidad aleatoria o ruido. Por otro lado, la variabilidad periódica ocurre con relativa regularidad y en distintos modos de variabilidad o patrones climáticos.

El término cambio climático se usa a menudo para referirse específicamente al cambio climático antropogénico (también conocido como calentamiento global). El cambio climático antropogénico es causado por la actividad humana, a diferencia de los cambios en el clima que pueden haber resultado como parte de los procesos naturales de la Tierra. En este sentido, el término cambio climático se ha convertido en sinónimo de calentamiento global antropogénico. Dentro de las revistas científicas, el calentamiento global se refiere al aumento de la temperatura de la superficie, mientras que el cambio climático incluye el calentamiento global y todo lo demás que afecta el aumento de los niveles de gases de efecto invernadero.

Un término relacionado, cambio climático, fue propuesto por la Organización Meteorológica Mundial (OMM) en 1966 para abarcar todas las formas de variabilidad climática en escalas de tiempo superiores a 10 años, pero independientemente de la causa. Durante la década de 1970, el término cambio climático reemplazó a cambio climático para centrarse en las causas antropogénicas, ya que quedó claro que las actividades humanas tenían el potencial de alterar drásticamente el clima. El cambio climático se incorporó en el título del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) y la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (UNFCCC). El cambio climático ahora se usa tanto como una descripción técnica del proceso, como también como un sustantivo usado para describir el problema.

Causas

En la escala más amplia, la velocidad a la que se recibe la energía del Sol y la velocidad a la que se pierde en el espacio determinan la temperatura y el clima de equilibrio de la Tierra. Esta energía se distribuye en todo el mundo por los vientos, las corrientes oceánicas y otros mecanismos para afectar los climas de diferentes regiones.

Los factores que pueden dar forma al clima se denominan forzamientos climáticos o "mecanismos de forzamiento". Estos incluyen procesos tales como variaciones en la radiación solar, variaciones en la órbita de la Tierra, variaciones en el albedo o reflectividad de los continentes, la atmósfera y los océanos, formación de montañas y deriva continental y cambios en las concentraciones de gases de efecto invernadero. El forzamiento externo puede ser antropogénico (p. ej., aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero y polvo) o natural (p. ej., cambios en la producción solar, la órbita de la Tierra, erupciones volcánicas). Hay una variedad de retroalimentaciones del cambio climático que pueden amplificar o disminuir el forzamiento inicial. También hay umbrales clave que, cuando se superan, pueden producir cambios rápidos o irreversibles.

Algunas partes del sistema climático, como los océanos y los casquetes polares, responden más lentamente a los forzamientos climáticos, mientras que otras responden más rápidamente. Un ejemplo de cambio rápido es el enfriamiento atmosférico después de una erupción volcánica, cuando la ceniza volcánica refleja la luz del sol. La expansión térmica del agua del océano después del calentamiento atmosférico es lenta y puede tardar miles de años. También es posible una combinación, por ejemplo, una pérdida repentina de albedo en el Océano Ártico a medida que se derrite el hielo marino, seguida de una expansión térmica más gradual del agua.

La variabilidad climática también puede ocurrir debido a procesos internos. Los procesos internos no forzados a menudo implican cambios en la distribución de energía en el océano y la atmósfera, por ejemplo, cambios en la circulación termohalina.

Variabilidad interna

Los cambios climáticos debido a la variabilidad interna a veces ocurren en ciclos u oscilaciones. Para otros tipos de cambio climático natural, no podemos predecir cuándo ocurrirá; el cambio se llama aleatorio o estocástico. Desde una perspectiva climática, el clima puede considerarse aleatorio. Si hay nubes pequeñas en un año en particular, hay un desequilibrio energético y los océanos pueden absorber el calor adicional. Debido a la inercia climática, esta señal se puede 'almacenar' en el océano y expresarse como variabilidad en escalas de tiempo más largas que las perturbaciones climáticas originales. Si las perturbaciones climáticas son completamente aleatorias y ocurren como ruido blanco, la inercia de los glaciares o los océanos puede transformar esto en cambios climáticos donde las oscilaciones de mayor duración también son oscilaciones más grandes, un fenómeno llamado ruido rojo. Muchos cambios climáticos tienen un aspecto aleatorio y un aspecto cíclico. Este comportamiento se denomina resonancia estocástica. La mitad del premio Nobel de física de 2021 se otorgó por este trabajo a Klaus Hasselmann junto con Syukuro Manabe por un trabajo relacionado con el modelado climático. Mientras que Giorgio Parisi, quien con sus colaboradores introdujo el concepto de resonancia estocástica, recibió la otra mitad, pero principalmente por su trabajo sobre física teórica.

Variabilidad océano-atmósfera

El Niño impacto

Impactos de La Niña

El océano y la atmósfera pueden trabajar juntos para generar espontáneamente una variabilidad climática interna que puede persistir durante años o décadas a la vez. Estas variaciones pueden afectar la temperatura global promedio de la superficie al redistribuir el calor entre las profundidades del océano y la atmósfera y/o al alterar la distribución de las nubes, el vapor de agua y el hielo marino, lo que puede afectar el balance total de energía de la Tierra.

Oscilaciones y ciclos

Una oscilación climática o ciclo climático es cualquier oscilación cíclica recurrente dentro del clima global o regional. Son cuasiperiódicos (no perfectamente periódicos), por lo que un análisis de Fourier de los datos no tiene picos pronunciados en el espectro. Se han encontrado o supuesto muchas oscilaciones en diferentes escalas de tiempo:

• el Niño-Oscilación Sur (ENSO) – Un patrón a gran escala de temperaturas más cálidas (El Niño) y más frías (La Niña) de superficies marinas tropicales en el Océano Pacífico con efectos mundiales. Es una oscilación autosuficiente, cuyos mecanismos son bien estudiados. ENSO es la fuente más conocida de variabilidad interanual en el clima y el clima alrededor del mundo. El ciclo ocurre cada dos a siete años, con El Niño de nueve meses a dos años en el ciclo a largo plazo. La lengua fría del Océano Pacífico ecuatorial no se calienta tan rápido como el resto del océano, debido al aumento de las aguas frías frente a la costa oeste de Sudamérica.
• la oscilación Madden-Julian (MJO) – Un patrón en movimiento hacia el este de mayor precipitación sobre los trópicos con un período de 30 a 60 días, observado principalmente en los Océanos Indico y Pacífico.
• la oscilación del Atlántico Norte (NAO) – Los índices de la NAO se basan en la diferencia de presión normalizada del nivel del mar (SLP) entre Ponta Delgada, Azores y Stykishólmur/Reykjavík, Islandia. Los valores positivos del índice indican que los tejidos más fuertes que los promedios sobre las latitudes medias.
• la oscilación cuasi-bienal – una oscilación bien comprendida en los patrones del viento en la estratosfera alrededor del Ecuador. Durante un período de 28 meses el viento dominante cambia de este a oeste y de espalda.
• Oscilación del Centenario Pacífico - una oscilación climática predicha por algunos modelos climáticos
• la oscilación decadal del Pacífico – El patrón dominante de variabilidad de la superficie del mar en el Pacífico Norte a escala decadal. Durante una fase "guerrera", o "positiva", el Pacífico occidental se vuelve fresco y parte del calor del océano oriental; durante una fase "cool" o "negativa", el patrón opuesto ocurre. Se considera no como un solo fenómeno, sino una combinación de diferentes procesos físicos.
• la oscilación interdecadal del Pacífico (OIP) – Variabilidad amplia de la cuenca en el Océano Pacífico con un período entre 20 y 30 años.
• la oscilación multidecadal atlántica – Un patrón de variabilidad en el Atlántico Norte de unos 55 a 70 años, con efectos sobre lluvias, sequías y frecuencia e intensidad de huracanes.
• Ciclos climáticos del norte de África – variación climática impulsada por el monzón del norte de África, con un período de decenas de miles de años.
• la oscilación ártica (AO) y la oscilación antártica (AAO) – Los modos anulares están ocurriendo naturalmente, patrones hemisféricos de variabilidad climática. En los plazos de semanas a meses explican el 20-30% de la variabilidad en sus respectivos hemisferios. El Modo Anular del Norte o la oscilación del Ártico (AO) en el Hemisferio Norte, y el Modo Anular del Sur o la oscilación Antártica (AAO) en el hemisferio sur. Los modos anulares tienen una fuerte influencia en la temperatura y precipitación de las masas terrestres de media a alta latitud, como Europa y Australia, alterando los caminos promedio de las tormentas. La NAO puede considerarse un índice regional del AO/NAM. Se definen como la primera EOF de presión del nivel del mar o altura geopotencial de 20°N a 90°N (NAM) o 20°S a 90°S (SAM).
• Ciclos Dansgaard-Oeschger – ocurren en aproximadamente 1.500 años ciclos durante el último máximo glacial

Cambios en las corrientes oceánicas

Un esquema de la circulación termohalina moderna. Hace decenas de millones de años, el movimiento continental-plato formó una brecha sin tierra alrededor de la Antártida, permitiendo la formación del CAC, que mantiene las aguas cálidas lejos de la Antártida.

Los aspectos oceánicos de la variabilidad climática pueden generar variabilidad en escalas de tiempo 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.

Las corrientes oceánicas transportan mucha energía desde las cálidas regiones tropicales hasta las frías regiones polares. Los cambios que ocurrieron alrededor de la última edad de hielo (en términos técnicos, el último glacial) muestran que la circulación en el Atlántico Norte puede cambiar repentina y sustancialmente, lo que lleva a cambios climáticos globales, a pesar de que la cantidad total de energía que ingresa al sistema climático no 39; no cambia mucho. Estos grandes cambios pueden provenir de los llamados eventos Heinrich, donde la inestabilidad interna de las capas de hielo provocó la liberación de enormes icebergs en el océano. Cuando la capa de hielo se derrite, el agua resultante es muy baja en sal y fría, lo que provoca cambios en la circulación.

Vida

La vida afecta el clima a través de su papel en los ciclos del carbono y del agua y mediante mecanismos como el albedo, la evapotranspiración, la formación de nubes y la meteorización. Ejemplos de cómo la vida puede haber afectado el clima pasado incluyen:

• glaciación 2.3 billones de años atrás desencadenado por la evolución de la fotosíntesis oxigena, que agotó la atmósfera del dióxido de carbono de gases de efecto invernadero e introdujo oxígeno libre
• otra glaciación hace 300 millones de años usada por entierro a largo plazo de detritus resistente a la descomposición de las plantas terrestres vasculares (creando un sumidero de carbono y formando carbón)
• terminación del Térmico Paleoceno-Eoceno Máximo 55 millones de años atrás por el floreciente fitoplancton marino
• reversal of global warming 49 million years ago by 800,000 years of arctic azolla blooms
• enfriamiento mundial durante los últimos 40 millones de años impulsados por la expansión de los ecosistemas de pastizales

Forzamiento climático externo

Gases de efecto invernadero

CO₂ concentraciones en los últimos 800.000 años medidos a partir de núcleos de hielo (azul/verde) y directamente (negro)

Mientras que los gases de efecto invernadero liberados por la biosfera a menudo se consideran un proceso climático interno o de retroalimentación, los climatólogos suelen clasificar los gases de efecto invernadero emitidos por los volcanes como externos. Los gases de efecto invernadero, como el CO₂, el metano y el óxido nitroso, calientan el sistema climático al atrapar la luz infrarroja. Los volcanes también son parte del ciclo extendido del carbono. Durante períodos de tiempo (geológicos) muy prolongados, liberan dióxido de carbono de la corteza y el manto de la Tierra, lo que contrarresta la absorción por las rocas sedimentarias y otros sumideros geológicos de dióxido de carbono.

Desde la revolución industrial, la humanidad se ha sumado a los gases de efecto invernadero al emitir CO₂ a partir de la combustión de combustibles fósiles, cambiar el uso de la tierra a través de la deforestación y ha alterado aún más el clima con aerosoles (materia particulada en el atmósfera), liberación de gases traza (por ejemplo, óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono o metano). Otros factores, incluidos el uso de la tierra, el agotamiento del ozono, la cría de animales (los animales rumiantes, como el ganado, producen metano) y la deforestación, también juegan un papel.

El Servicio Geológico de EE. UU. estima que las emisiones volcánicas se encuentran en un nivel mucho más bajo que los efectos de las actividades humanas actuales, que generan entre 100 y 300 veces la cantidad de dióxido de carbono emitido por los volcanes. La cantidad anual producida por las actividades humanas puede ser mayor que la cantidad liberada por supererupciones, la más reciente de las cuales fue la erupción Toba en Indonesia hace 74.000 años.

Variaciones orbitales

Milankovitch ciclos de hace 800.000 años en el pasado a 800.000 años en el futuro.

Las ligeras variaciones en el movimiento de la Tierra provocan cambios en la distribución estacional de la luz solar que llega a la superficie de la Tierra y en cómo se distribuye por todo el mundo. Hay muy pocos cambios en la cantidad de luz solar anual promediada por área; pero puede haber fuertes cambios en la distribución geográfica y estacional. Los tres tipos de cambio cinemático son variaciones en la excentricidad de la Tierra, cambios en el ángulo de inclinación del eje de rotación de la Tierra y precesión del eje de la Tierra. Combinados, estos producen ciclos de Milankovitch que afectan el clima y son notables por su correlación con los períodos glaciales e interglaciales, su correlación con el avance y retroceso del Sahara y por su aparición en el registro estratigráfico.

Durante los ciclos glaciales, hubo una alta correlación entre las concentraciones de CO₂ y las temperaturas. Los primeros estudios indicaron que las concentraciones de CO₂ retrasaron las temperaturas, pero ha quedado claro que no siempre es así. Cuando la temperatura del océano aumenta, la solubilidad del CO₂ disminuye, por lo que se libera del océano. El intercambio de CO₂ entre el aire y el océano también puede verse afectado por otros aspectos del cambio climático. Estos y otros procesos que se refuerzan a sí mismos permiten que pequeños cambios en el movimiento de la Tierra tengan un gran efecto en el clima.

Emisión solar

Variaciones de actividad solar durante los últimos siglos basadas en observaciones de manchas solares y isótopos de berilio. El período de extraordinariamente pocos manchas solares a finales del siglo XVII fue el mínimo Maunder.

El Sol es la principal fuente de entrada de energía al sistema climático de la Tierra. Otras fuentes incluyen la energía geotérmica del núcleo de la Tierra, la energía de las mareas de la Luna y el calor de la descomposición de los compuestos radiactivos. Se sabe que ambas variaciones a largo plazo en la intensidad solar afectan el clima global. La producción solar varía en escalas de tiempo más cortas, incluido el ciclo solar de 11 años y las modulaciones a más largo plazo. Correlación entre las manchas solares y el clima y tenue en el mejor de los casos.

Hace entre tres y cuatro mil millones de años, el Sol emitía solo el 75 % de la energía que emite hoy. Si la composición atmosférica hubiera sido la misma que hoy, el agua líquida no debería haber existido en la superficie de la Tierra. Sin embargo, hay evidencia de la presencia de agua en la Tierra primitiva, en los eones Hadeano y Arcaico, lo que lleva a lo que se conoce como la paradoja del débil Sol joven. Las soluciones hipotéticas a esta paradoja incluyen una atmósfera muy diferente, con concentraciones de gases de efecto invernadero mucho más altas que las que existen actualmente. Durante los siguientes aproximadamente 4 mil millones de años, la producción de energía del Sol aumentó. Durante los próximos cinco mil millones de años, la muerte final del Sol, cuando se convierta en una gigante roja y luego en una enana blanca, tendrá grandes efectos en el clima, y la fase de gigante roja posiblemente terminará con cualquier vida en la Tierra que sobreviva hasta ese momento.

Volcanismo

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, desde la variabilidad oceánica.

Las erupciones que se consideran lo suficientemente grandes como para afectar el clima de la Tierra en una escala de más de 1 año son las que inyectan más de 100 000 toneladas de SO2 en la estratosfera. Esto se debe a las propiedades ópticas del SO₂ y los aerosoles de sulfato, que absorben o dispersan fuertemente la radiación solar, creando una capa global de neblina de ácido sulfúrico. En promedio, tales erupciones ocurren varias veces por siglo y causan enfriamiento (al bloquear parcialmente la transmisión de la radiación solar a la superficie de la Tierra) durante un período de varios años. Aunque los volcanes son técnicamente parte de la litosfera, que a su vez es parte del sistema climático, el IPCC define explícitamente el vulcanismo como un agente forzante externo.

Las erupciones notables en los registros históricos son la erupción del monte Pinatubo en 1991, que redujo las temperaturas globales en aproximadamente 0,5 °C (0,9 °F) durante hasta tres años, y la erupción del monte Tambora en 1815, que provocó el año sin verano.

A mayor escala, algunas veces cada 50 a 100 millones de años, la erupción de grandes provincias ígneas trae grandes cantidades de roca ígnea del manto y la litosfera a la superficie de la Tierra. El dióxido de carbono en la roca luego se libera a la atmósfera. Las erupciones pequeñas, con inyecciones de menos de 0,1 Mt de dióxido de azufre en la estratosfera, afectan a la atmósfera solo de manera sutil, ya que los cambios de temperatura son comparables con la variabilidad natural. Sin embargo, debido a que las erupciones más pequeñas ocurren a una frecuencia mucho más alta, también afectan significativamente la atmósfera de la Tierra.

Tectónica de placas

A lo largo de millones de años, el movimiento de las placas tectónicas reconfigura las áreas terrestres y oceánicas globales y genera topografía. Esto puede afectar los patrones globales y locales del clima y la circulación atmósfera-océano.

La posición de los continentes determina la geometría de los océanos y, por lo 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 mundo y, por lo tanto, para determinar el clima global. Un ejemplo reciente de control tectónico sobre la circulación oceánica es la formación del Istmo de Panamá hace unos 5 millones de años, que interrumpió la mezcla directa entre los océanos Atlántico y Pacífico. Esto afectó fuertemente la dinámica oceánica de lo que ahora es la Corriente del Golfo y puede haber llevado a la cubierta de hielo del Hemisferio Norte. Durante el período Carbonífero, hace unos 300 a 360 millones de años, la tectónica de placas puede haber desencadenado un almacenamiento de carbono a gran escala y un aumento de la glaciación. La evidencia geológica apunta a un "megamonzonal" patrón de circulación durante la época del supercontinente Pangea, y el modelado climático sugiere que la existencia del supercontinente fue propicia para el establecimiento de los monzones.

El tamaño de los continentes también es importante. Debido al efecto estabilizador de los océanos sobre la temperatura, las variaciones anuales de temperatura son generalmente menores en las áreas costeras que en el interior. Por lo tanto, un supercontinente más grande tendrá más área en la que el clima es fuertemente estacional que varios continentes o islas más pequeños.

Otros mecanismos

Se ha postulado que las partículas ionizadas conocidas como rayos cósmicos podrían afectar la capa de nubes y, por lo tanto, el clima. Como el sol protege a la Tierra de estas partículas, se planteó la hipótesis de que los cambios en la actividad solar también influyen indirectamente en el clima. Para probar la hipótesis, el CERN diseñó el experimento CLOUD, que mostró que el efecto de los rayos cósmicos es demasiado débil para influir en el clima de manera notable.

Existe evidencia de que el impacto del asteroide Chicxulub hace unos 66 millones de años afectó severamente el clima de la Tierra. Se lanzaron a la atmósfera grandes cantidades de aerosoles de sulfato, lo que redujo las temperaturas globales hasta en 26 °C y produjo temperaturas bajo cero durante un período de 3 a 16 años. El tiempo de recuperación de este evento tomó más de 30 años. El uso a gran escala de armas nucleares también ha sido investigado por su impacto en el clima. La hipótesis es que el hollín liberado por incendios a gran escala bloquea una fracción significativa de la luz solar durante un año, lo que provoca una fuerte caída de las temperaturas durante algunos años. Este posible evento se describe como invierno nuclear.

Humanos' el uso de la tierra afecta la cantidad de luz solar que refleja la superficie y la concentración de polvo. La formación de nubes no solo está influenciada por la cantidad de agua en el aire y la temperatura, sino también por la cantidad de aerosoles en el aire, como el polvo. A nivel mundial, hay más polvo disponible si hay muchas regiones con suelos secos, poca vegetación y vientos fuertes.

Evidencia y medición de cambios climáticos

La paleoclimatología es el estudio de los cambios en el clima a lo largo de toda la historia de la Tierra. Utiliza una variedad de métodos proxy de la Tierra y las ciencias de la vida para obtener datos conservados dentro de cosas como rocas, sedimentos, capas de hielo, anillos de árboles, corales, conchas y microfósiles. Luego usa los registros para determinar los estados pasados de las diversas regiones climáticas de la Tierra y su sistema atmosférico. Las mediciones directas brindan una visión más completa de la variabilidad climática.

Medidas directas

Los cambios climáticos que ocurrieron después del despliegue generalizado de dispositivos de medición se pueden observar directamente. Los registros globales razonablemente completos de la temperatura de la superficie están disponibles a partir de mediados del siglo XIX. Otras observaciones se derivan indirectamente de documentos históricos. Los datos satelitales de nubes y precipitaciones han estado disponibles desde la década de 1970.

La climatología histórica es el estudio de los cambios históricos en el clima y su efecto en la historia y el desarrollo humanos. Las fuentes primarias incluyen registros escritos como sagas, crónicas, mapas y literatura de historia local, así como representaciones pictóricas como pinturas, dibujos e incluso arte rupestre. La variabilidad climática en el pasado reciente puede derivarse de cambios en los patrones agrícolas y de asentamiento. La evidencia arqueológica, la historia oral y los documentos históricos pueden ofrecer información sobre los cambios climáticos pasados. Los cambios en el clima se han relacionado con el surgimiento y el colapso de varias civilizaciones.

Medidas de proxy

Variaciones en CO2, temperatura y polvo del núcleo de hielo de Vostok en los últimos 450.000 años.

Varios archivos del clima pasado están presentes en rocas, árboles y fósiles. A partir de estos archivos, se pueden derivar medidas indirectas del clima, los llamados proxies. La cuantificación de la variación climatológica de la precipitación en siglos y épocas anteriores es menos completa, pero se aproxima utilizando indicadores indirectos como sedimentos marinos, núcleos de hielo, estalagmitas de cuevas y anillos de árboles. El estrés, la escasez de precipitaciones o las temperaturas inadecuadas pueden alterar la tasa de crecimiento de los árboles, lo que permite a los científicos inferir las tendencias climáticas mediante el análisis de la tasa de crecimiento de los anillos de los árboles. Esta rama de la ciencia que estudia esto se llama dendroclimatología. Los glaciares dejan morrenas que contienen una gran cantidad de material, incluida la materia orgánica, el cuarzo y el potasio que pueden fecharse, que registran los períodos en los que un glaciar avanzó y retrocedió.

El análisis de hielo en núcleos extraídos de una capa de hielo, como la capa de hielo de la Antártida, se puede utilizar para mostrar un vínculo entre la temperatura y las variaciones globales del nivel del mar. El aire atrapado en las burbujas en el hielo también puede revelar las variaciones de CO₂ de la atmósfera del pasado lejano, mucho antes de las influencias ambientales modernas. El estudio de estos núcleos de hielo ha sido un indicador significativo de los cambios en el CO₂ durante muchos milenios, y continúa brindando información valiosa sobre las diferencias entre las condiciones atmosféricas antiguas y modernas. La relación ¹⁸O/¹⁶O en calcita y muestras de núcleos de hielo utilizadas para deducir la temperatura del océano en el pasado distante es un ejemplo de un método proxy de temperatura.

Los restos de plantas, y en concreto el polen, también se utilizan para estudiar el cambio climático. Las distribuciones de plantas varían bajo diferentes condiciones climáticas. Diferentes grupos de plantas tienen polen con formas distintivas y texturas superficiales, y dado que la superficie exterior del polen está compuesta de un material muy resistente, resisten la descomposición. Los cambios en el tipo de polen que se encuentra en diferentes capas de sedimento indican cambios en las comunidades de plantas. Estos cambios son a menudo un signo de un clima cambiante. Como ejemplo, los estudios de polen se han utilizado para rastrear patrones de vegetación cambiantes a lo largo de las glaciaciones del Cuaternario y especialmente desde el último máximo glacial. Los restos de escarabajos son comunes en agua dulce y sedimentos terrestres. Las diferentes especies de escarabajos tienden a encontrarse en diferentes condiciones climáticas. Dado el extenso linaje de escarabajos cuya composición genética no se ha alterado significativamente a lo largo de los milenios, el conocimiento del rango climático actual de las diferentes especies y la edad de los sedimentos en los que se encuentran restos, pueden inferir condiciones climáticas pasadas.

Análisis e incertidumbres

Una dificultad para detectar los ciclos climáticos es que el clima de la Tierra ha estado cambiando de manera no cíclica en la mayoría de las escalas de tiempo paleoclimatológicas. Actualmente nos encontramos en un período de calentamiento global antropogénico. En un marco de tiempo más amplio, la Tierra está emergiendo de la última edad de hielo, enfriándose desde el óptimo climático del Holoceno y calentándose desde la 'Pequeña Edad de Hielo', lo que significa que el clima ha estado cambiando constantemente durante los últimos 15,000 años o más. asi que. Durante los períodos cálidos, las fluctuaciones de temperatura suelen ser de menor amplitud. El período Pleistoceno, dominado por repetidas glaciaciones, se desarrolló a partir de condiciones más estables en el clima del Mioceno y el Plioceno. El clima del Holoceno ha sido relativamente estable. Todos estos cambios complican la tarea de buscar un comportamiento cíclico en el clima.

La retroalimentación positiva, la retroalimentación negativa y la inercia ecológica del sistema tierra-océano-atmósfera a menudo atenúan o revierten los efectos más pequeños, ya sea de forzamientos orbitales, variaciones solares o cambios en las concentraciones de gases de efecto invernadero. Ciertas retroalimentaciones que involucran procesos como las nubes también son inciertas; para estelas, cirros naturales, sulfuro de dimetilo oceánico y un equivalente terrestre, existen teorías en competencia sobre los efectos en las temperaturas climáticas, por ejemplo, contrastando la hipótesis de Iris y la hipótesis de CLAW.

Impactos

Vida

Top: Clima de edad del hielo árido

Medio: Período Atlántico, cálido y húmedo

Tema: Potential vegetation in climate now if not for human effects like agriculture.

Vegetación

Puede ocurrir un cambio en el tipo, distribución y cobertura de la vegetación debido a un cambio en el clima. Algunos cambios en el clima pueden resultar en un aumento de las precipitaciones y el calor, lo que resulta en un mejor crecimiento de las plantas y el posterior secuestro de CO₂ en el aire. Se espera que los efectos afecten la tasa de muchos ciclos naturales, como las tasas de descomposición de la hojarasca vegetal. Un aumento gradual en el calor en una región conducirá a tiempos de floración y fructificación más tempranos, lo que impulsará un cambio en el momento de los ciclos de vida de los organismos dependientes. Por el contrario, el frío hará que los biociclos de las plantas se retrasen.

Los cambios más grandes, más rápidos o más radicales, sin embargo, pueden provocar estrés en la vegetación, pérdida rápida de plantas y desertificación en ciertas circunstancias. Un ejemplo de esto ocurrió durante el Colapso de la Selva Carbonífera (CRC), un evento de extinción hace 300 millones de años. En ese momento, vastas selvas tropicales cubrían la región ecuatorial de Europa y América. El cambio climático devastó estas selvas tropicales, fragmentando abruptamente el hábitat en 'islas' y provocando la extinción de muchas especies de plantas y animales.

Vida salvaje

Una de las formas más importantes en que los animales pueden lidiar con el cambio climático es la migración a regiones más cálidas o más frías. En una escala de tiempo más larga, la evolución hace que los ecosistemas, incluidos los animales, se adapten mejor a un nuevo clima. El cambio climático rápido o grande puede causar extinciones masivas cuando las criaturas se estiran demasiado para poder adaptarse.

Humanidad

Los colapsos de civilizaciones pasadas, como la maya, pueden estar relacionados con ciclos de precipitaciones, especialmente sequías, que en este ejemplo también se correlacionan con la piscina cálida del hemisferio occidental. Hace unos 70 000 años, la erupción del supervolcán Toba creó un período especialmente frío durante la edad de hielo, lo que provocó un posible cuello de botella genético en las poblaciones humanas.

Cambios en la criosfera

Glaciares y capas de hielo

Los glaciares se consideran entre los indicadores más sensibles de un clima cambiante. Su tamaño está determinado por un balance de masa entre la entrada de nieve y la salida de derretimiento. A medida que aumentan las temperaturas, los glaciares retroceden a menos que aumenten las precipitaciones de nieve para compensar el derretimiento adicional. Los glaciares crecen y se encogen debido tanto a la variabilidad natural como a las fuerzas externas. La variabilidad de la temperatura, la precipitación y la hidrología pueden determinar fuertemente la evolución de un glaciar en una estación en particular.

Los procesos climáticos más significativos desde mediados hasta finales del Plioceno (hace aproximadamente 3 millones de años) son los ciclos glacial e interglacial. El período interglacial actual (el Holoceno) ha durado unos 11.700 años. Formado por variaciones orbitales, respuestas como el ascenso y descenso de las capas de hielo continentales y cambios significativos en el nivel del mar ayudaron a crear el clima. Sin embargo, otros cambios, incluidos los eventos de Heinrich, los eventos de Dansgaard-Oeschger y Younger Dryas, ilustran cómo las variaciones glaciales también pueden influir en el clima sin el forzamiento orbital.

Cambio del nivel del mar

Durante el Último Máximo Glacial, hace unos 25 000 años, el nivel del mar era aproximadamente 130 m más bajo que el actual. La desglaciación posterior se caracterizó por un rápido cambio del nivel del mar. A principios del Plioceno, las temperaturas globales eran de 1 a 2 °C más cálidas que la temperatura actual, pero el nivel del mar era de 15 a 25 metros más alto que el actual.

Hielo marino

El hielo marino juega un papel importante en el clima de la Tierra, ya que afecta la cantidad total de luz solar que se refleja en la Tierra. En el pasado, los océanos de la Tierra han estado cubiertos casi en su totalidad por hielo marino en varias ocasiones, cuando la Tierra se encontraba en el llamado estado de Tierra Bola de Nieve, y completamente libres de hielo en períodos de clima cálido. Cuando hay una gran cantidad de hielo marino presente en todo el mundo, especialmente en los trópicos y subtrópicos, el clima es más sensible a los forzamientos, ya que la retroalimentación del hielo y el albedo es muy fuerte.

Historia climática

Varios forzamientos climáticos suelen fluir a lo largo del tiempo geológico, y algunos procesos de la temperatura de la Tierra pueden autorregularse. Por ejemplo, durante el período Snowball Earth, grandes capas de hielo glacial se extendían hasta el ecuador de la Tierra, cubriendo casi toda su superficie, y un albedo muy alto creaba temperaturas extremadamente bajas, mientras que la acumulación de nieve y hielo probablemente eliminaba el dióxido de carbono a través de la atmósfera. declaración. Sin embargo, la ausencia de cubierta vegetal para absorber el CO₂ atmosférico emitido por los volcanes hizo que el gas de efecto invernadero pudiera acumularse en la atmósfera. También hubo una ausencia de rocas de silicato expuestas, que utilizan CO₂ cuando se someten a la meteorización. Esto creó un calentamiento que luego derritió el hielo y volvió a subir la temperatura de la Tierra.

Máximo térmico paleoceno

Cambios climáticos en los últimos 65 millones de años, utilizando datos proxy incluyendo ratios Oxygen-18 de foraminifera.

El Máximo Térmico del Paleoceno-Eoceno (PETM, por sus siglas en inglés) fue un período de tiempo con un aumento de la temperatura promedio global de más de 5 °C a 8 °C durante todo el evento. Este evento climático ocurrió en el límite de tiempo de las épocas geológicas del Paleoceno y el Eoceno. Durante el evento se liberaron grandes cantidades de metano, un potente gas de efecto invernadero. El PETM representa un "estudio de caso" para el cambio climático moderno como en los gases de efecto invernadero se liberaron en un período de tiempo geológicamente relativamente corto. Durante el PETM, tuvo lugar una extinción masiva de organismos en las profundidades del océano.

La cenozoica

A lo largo del Cenozoico, múltiples forzamientos climáticos provocaron el calentamiento y el enfriamiento de la atmósfera, lo que condujo a la formación temprana de la capa de hielo antártica, su posterior derretimiento y su posterior regeneración. Los cambios de temperatura ocurrieron algo repentinamente, con concentraciones de dióxido de carbono de alrededor de 600-760 ppm y temperaturas aproximadamente 4 °C más cálidas que las actuales. Durante el Pleistoceno, los ciclos de glaciaciones e interglaciales ocurrieron en ciclos de aproximadamente 100 000 años, pero pueden permanecer más tiempo dentro de un interglacial cuando la excentricidad orbital se acerca a cero, como durante el interglacial actual. Los interglaciares anteriores, como la fase Eemian, crearon temperaturas más altas que las actuales, niveles del mar más altos y cierto derretimiento parcial de la capa de hielo de la Antártida occidental.

Las temperaturas climatológicas afectan sustancialmente la nubosidad y la precipitación. A temperaturas más bajas, el aire puede contener menos vapor de agua, lo que puede provocar una disminución de las precipitaciones. Durante el Último Máximo Glacial de hace 18.000 años, la evaporación térmica de los océanos hacia las masas de tierra continental fue baja, lo que provocó grandes áreas de desierto extremo, incluidos los desiertos polares (fríos pero con bajas tasas de nubosidad y precipitación). Por el contrario, el clima del mundo era más nublado y húmedo que en la actualidad cerca del comienzo del período cálido del Atlántico de hace 8000 años.

El Holoceno

Cambio de temperatura en los últimos 12 000 años, de diversas fuentes. La curva negra gruesa es un promedio.

El Holoceno se caracteriza por un enfriamiento a largo plazo que comenzó después del Holoceno Óptimo, cuando las temperaturas probablemente estaban apenas por debajo de las temperaturas actuales (segunda década del siglo XXI), y un fuerte monzón africano creó condiciones de pastizales en el Sahara durante el Subpluvial del Neolítico. Desde entonces, se han producido varios eventos de enfriamiento, que incluyen:

• la Oscilación Piora
• la Edad Media de Bronce fría época
• la Edad de Hierro fría época
• la pequeña edad del hielo
• la fase de enfriamiento c. 1940-1970, que llevó a la hipótesis de enfriamiento global

Por el contrario, también han tenido lugar varios períodos cálidos, que incluyen, entre otros:

• un período cálido durante el ápice de la civilización minoana
• el período romano de guerra
• el período de calentamiento medieval
• Moderno calentamiento durante el siglo XX

Ciertos efectos han ocurrido durante estos ciclos. Por ejemplo, durante el Período Cálido Medieval, el Medio Oeste de Estados Unidos estaba en sequía, incluidas las Colinas de Arena de Nebraska, que eran dunas de arena activas. La plaga de la muerte negra de Yersinia pestis también ocurrió durante las fluctuaciones de temperatura medievales y puede estar relacionada con los cambios climáticos.

La actividad solar puede haber contribuido a parte del calentamiento moderno que alcanzó su punto máximo en la década de 1930. Sin embargo, los ciclos solares no tienen en cuenta el calentamiento observado desde la década de 1980 hasta la actualidad. Eventos como la apertura del Paso del Noroeste y los mínimos récord recientes de hielo bajo de la contracción del Ártico moderno no han tenido lugar durante al menos varios siglos, ya que los primeros exploradores no pudieron cruzar el Ártico, incluso en verano. Los cambios en biomas y rangos de hábitat tampoco tienen precedentes, y ocurren a tasas que no coinciden con las oscilaciones climáticas conocidas.

Cambio climático moderno y calentamiento global

Como consecuencia de la emisión de gases de efecto invernadero por parte de los seres humanos, las temperaturas de la superficie global han comenzado a aumentar. El calentamiento global es un aspecto del cambio climático moderno, un término que también incluye los cambios observados en las precipitaciones, las trayectorias de las tormentas y la nubosidad. Como consecuencia, se ha descubierto que los glaciares de todo el mundo se están reduciendo significativamente. Las capas de hielo terrestres tanto en la Antártida como en Groenlandia han estado perdiendo masa desde 2002 y han experimentado una aceleración de la pérdida de masa de hielo desde 2009. Los niveles globales del mar han estado aumentando como consecuencia de la expansión térmica y el derretimiento del hielo. La disminución del hielo marino del Ártico, tanto en extensión como en espesor, durante las últimas décadas es una prueba más del rápido cambio climático.

Variabilidad entre regiones

Además de la variabilidad climática global y el cambio climático global a lo largo del tiempo, se producen numerosas variaciones climáticas al mismo tiempo en diferentes regiones físicas.

Los océanos' la absorción de alrededor del 90% del exceso de calor ha ayudado a que las temperaturas de la superficie terrestre aumenten más rápidamente que las temperaturas de la superficie del mar. El Hemisferio Norte, que tiene una relación masa terrestre-océano más grande que el Hemisferio Sur, muestra mayores aumentos de temperatura promedio. Las variaciones a lo largo de diferentes bandas de latitud también reflejan esta divergencia en el aumento de la temperatura promedio, con el aumento de la temperatura de los extratrópicos del norte superando al de los trópicos, que a su vez supera al de los extratropicales del sur.

Las regiones superiores de la atmósfera se han estado enfriando simultáneamente con un calentamiento en la atmósfera inferior, lo que confirma la acción del efecto invernadero y el agotamiento del ozono.

Las variaciones climáticas regionales observadas confirman las predicciones sobre los cambios en curso, por ejemplo, al contrastar las variaciones globales de año a año (más suaves) con las variaciones de año a año (más volátiles) en regiones localizadas. Por el contrario, comparar diferentes regiones' patrones de calentamiento a sus respectivas variabilidades históricas, permite colocar las magnitudes brutas de los cambios de temperatura en la perspectiva de lo que es la variabilidad normal para cada región.

Las observaciones de la variabilidad regional permiten el estudio de puntos de inflexión climáticos regionalizados, como la pérdida de la selva tropical, el derretimiento de la capa de hielo y del mar, y el deshielo del permafrost. Tales distinciones subyacen a la investigación sobre una posible cascada global de puntos de inflexión.