TEMA 02: Sistema climático (2017)

Apunte Español
Universidad Universidad de Valencia (UV)
Grado Ciencias Ambientales - 2º curso
Asignatura Meteorología y Climatología
Profesor E.L.
Año del apunte 2017
Páginas 9
Fecha de subida 19/10/2017
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Meteorología y climatología TEMA 2: SISTEMA CLIMÁTICO INTRODUCCIÓN El sistema climático está gobernado, no sólo por lo que sucede en la atmósfera, sino también en los océanos, la criosfera (glaciares, hielo sobre mar, y casquetes continentales de hielo), la geosfera (litosfera, la superficie sólida de la Tierra) y la biosfera (organismos vivos en los océanos y sobre la tierra).
Al cabo de los años se han ido descubriendo las diferentes componentes del sistema climático. Primero fue descubierta la atmósfera, y a raíz de ésta la hidrosfera, criosfera, litosfera y biosfera (siguiendo este orden).
Las interacciones entre estas “esferas” diferentes son difíciles de predecir, no sólo porque sus procesos respectivos ocurren en escalas de tiempo ampliamente diferentes. Los tiempos típicos de respuesta al equilibrio de los diferentes componentes del sistema climático varían de un simple día a milenios.
PROCESOS DEL SISTEMA CLIMÁTICO PROCESOS COMPLEJOS Además de las esferas, existen una serie de ciclos más complejo que el sistema climático, haciendo que este se caracterice por ser un sistema caótico y no lineal. Un ejemplo de ciclo es el ciclo del carbono.
Procesos aleatorios: se trata de un sistema que ocurre al azar, es decir, no se puede determinar.
Procesos caóticos: presentan una definición físico-química, en el cual, al producirse una alteración, como consecuencia se desvía de su camino. (Ej. el tiempo) Esta escala representa el tiempo necesario para recompensar una esfera cuando se perturba su estado.
GLOBAL MONTAGE OVERVIEW Se creó un algoritmo para comparar la temperatura superficial con las temperaturas infrarrojas de las imágenes del satélite. Este algoritmo mejoró la clasificación de nube/no-nube, incluyendo estratos marinos y filtrando las áreas que son muy frías, como las regiones polares.
Estas imágenes son para fines educativos y de información general, y no para serios fines científicos, comerciales o de otro tipo.
IMÁGENES DE SATÉLITES Los datos e imágenes de los satélites, dan a los científicos una visión integral de los sistemas interrelacionados y el clima de la Tierra.
EL MEJOR TERMÓMETRO GLOBAL DESDE EL ESPACIO El nuevo sensor que orbita la Tierra recoge información más detallada de la temperatura de la superficie (todos los días, en todo el mundo). Este termómetro global ayuda a los científicos en los estudios de las interacciones entre océanos y atmósfera terrestre.
La imagen representa las diferentes temperaturas de los océanos. Cada color corresponde a una temperatura. Ordenándolos de más frío a más caliente, la clasificación es: azúl, púrpura, rojo, amarillo y blanco.
LA RADIACIÓN SOLAR La Radiación Solar es la única fuente de energía significativa que gobierna el Sistema Climático.
El aire es bastante transparente a la radiación solar incidente de onda corta, por lo que ésta radiación no calienta directamente la atmósfera. En cambio, si calienta la superficie de la Tierra, que reemite la radiación en forma de onda larga, calentando así la atmósfera. Esta energía es emitida de forma distinta, el Sol lo hace en forma de luz y la Tierra en forma de calor.
El grado de calentamiento que resulta a partir de la radiación solar depende en parte de la naturaleza de la superficie terrestre. Los océanos y las superficies terrestres se calientan con ritmos diferentes. La tierra cubierta de vegetación absorbe y refleja la energía solar de forma diferente que los desiertos o las capas de hielo. De esta manera, las variaciones en la superficie crean patrones complejos de distribución de energía en la superficie.
Se almacena más energía en el ecuador y menos en los polos. Esta diferencia de energía de entrada, se equilibra con la pérdida de esta por los polos.
Además, dependiendo de las características que presente la superficie en la que se proyecta la energía, la cantidad de energía absorbida y reflejada variará.
COMPONENTES DEL SISTEMA CLIMÁTICO Atmósfera: su circulación, el calor (radiación terrestre) y la luz (radiación solar) que pasan a través de ella, además de los procesos que en ella ocurren (la formación de nubes y las reacciones de química atmosférica), determinan las concentraciones de algunos de sus componentes importantes (como el metano y el ozono).
Océano: hay un constante intercambio de calor, momento y agua entre el océano y la atmósfera. El océano actúa como un sumidero de calor para retrasar el cambio climático. Además, las corrientes oceánicas transportan grandes cantidades de calor y agua alrededor del mundo.
Criosfera: partes del mundo cuya superficie está afectada por hielo, principalmente hielo sobre mar.
Superficie Terrestre: incluyendo su vegetación y cobertura estacional de nieve, tiene una influencia importante en el flujo de aire sobre ella, la absorción de radiación solar y el ciclo hidrológico.
Biosfera: la vida sobre tierra (biosfera terrestre) y en el océano (biosfera marina) juegan un papel principal en el ciclo del carbono y por tanto en la determinación de la concentración atmosférica de CO2.
ATMÓSFERA Se trata de la componente más nerviosa del sistema climático, correspondiente a la capa de aire que rodea la Tierra. Esta capa está compuesta por la mezcla de gases y partículas sólidas y líquidas en suspensión. En los primeros 5 km se concentra la mitad de su masa, en cambio, por encima de los 60 km sólo queda una milésima parte de ella. Finalmente, su densidad disminuye progresivamente con la altura, además de que somos capaces de diferenciar varias capas en las que la temperatura y la humedad y demás propiedades que también dependen de este factor (altura).
HIDROSFERA Agua en fase líquida distribuida sobre la Tierra (océanos, lagos, masas interiores, ríos, aguas subterráneas). De todas las formas en las que se puede encontrar, la de mayor importancia climática con diferencia es el océano.
OCÉANOS Los océanos ocupan 2/3 de la superficie de la Tierra, desempeñando un papel esencial en el sistema climático.
Se encargan de absorber la mayor parte de la radiación solar (aprox. la mitad de la que alcanza la superficie de la Tierra) que es almacenada y redistribuida, por sus corrientes, antes de que escape a la atmósfera en forma de calor latente de evaporación o por radiación de onda larga.
Por otra parte, son una enorme reserva de almacenamiento de energía (masa y calor específico). Podremos encontrar un pequeño cambio en la temperatura de su superficie, en comparación con lo que ocurriría sobre tierra.
El océano es un buffer y regulador para la temperatura superficial de unos 100 m (inercia térmica).
(Inercia térmica: propiedad que indica la cantidad de calor que puede conservar un cuerpo y la velocidad con que lo cede o absorbe.) CARACTERÍSTICAS GENERALES 1) Mayor densidad que la atmósfera • • • • Mayor inercia mecánica Estratificación más pronunciada Parte superior más activa Contiene una capa de mezcla superficial de unos 100 m (Inercia mecánica: tendencia de los cuerpos a mantener el estado de movimiento o reposo en el que se encuentran.) 2) Circulaciones más lentas que las de la atmósfera • Grandes líneas de circulación quasi horizontales con las corrientes oceánicas familiares y las overturning termohalinas debidas a variaciones de densidad asociadas con cambios de temperatura y de salinidad.
En menor escala, la circulación también muestra eddies (remolinos, turbulencias) menos pronunciados que en la atmósfera.
ESTRUCTURA VERTICAL DEL OCÉANO Y TIEMPOS DE RELAJACIÓN Las corrientes se originan por los intercambios de calor, cantidad de movimiento y agua que se establecen entre el océano y la atmósfera, presentando una complicada estructura vertical y horizontal determinada por las configuraciones de los vientos que soplan desde el mar, así como por la distribución de los continentes y de las cordilleras sumergidas 1) Capa de mezcla superior (capa límite estacional): se mezcla anualmente desde la superficie. Presenta una profundidad de menos de 100 m en los trópicos y más de 100 m en los mares subpolares (excepto Pacífico N).
También se encuentran varios km en regiones muy reducidas de los mares polares.
2) Termoclina permanente y estacional (esfera de aguas cálidas) (termoclina permanente): se ventila o renueva, es decir, intercambia calor y gases, desde la capa límite estacional. Y presenta una profundidad de varios cientos de metros (hasta los 1000 m).
3) Océano profundo (esfera de aguas frías): la temperatura desciende lentamente hasta unos 1 – 3 ºC.
VARIACIÓN EN LAS CORRIENTES TERMOHALINAS Los océanos tienen una influencia importante en nuestro clima presente Por ejemplo, las corrientes superficiales dirigidas por el viento transportan grandes cantidades de calor desde los trópicos a las latitudes más frías, que calientan la atmósfera sobre ella. Otras corrientes superficiales transportan aguas frías hacia el ecuador, las cuales enfrían la atmósfera. En las demás partes, notablemente en las costas occidentales de los continentes, los vientos levantan las aguas superficiales; las aguas más frías de abajo ascienden a reemplazarlas y enfrían la atmósfera.
Las corrientes en el océano profundo afectan las variaciones del clima a largo plazo Sobre la mayor parte de los océanos, el agua superficial es más cálida, y por tanto menos densa, que el agua debajo de ella. Esto frena al agua superficial a hundirse hacia el océano profundo.
Sólo en ciertas regiones, la combinación de evaporación (que aumenta el contenido en sales del agua) y el enfriamiento invernal hacen el agua superficial suficientemente densa para que se hunda hacia abajo.
Este proceso de “formación de las aguas profundas” es el mecanismo primario por el que el calor y el carbono disuelto en el agua superficial se transportan hacia abajo, hacia las profundidades oceánicas, donde pueden permanecer durante miles de años o más.
Los cambios en las corrientes oceánicas profundas pueden haber causado las fluctuaciones climáticas naturales del pasado, y su papel en el almacenamiento o liberación del carbono “excedente” puede interaccionar con el cambio climático antropogénico en el futuro.
El océano contiene los mecanismos químicos y biológicos fundamentales en el control del CO2 en el sistema climático.
El CO2 se transfiere desde la atmósfera al interior del océano mediante el mecanismo de bomba física, producido por diferencias entre la presión parcial oceánica del CO2 y la correspondiente presión parcial en las capas inferiores de la atmósfera.
Por otra parte, la ventilación anual de la capa límite estacional, que tiene lugar desde la capa de mezcla superficial, controla la eficacia de la bomba biológica, mediante la cual el plancton oceánico convierte el CO2 disuelto en partículas de C que se sumergen hacia las aguas profundas.
Estas dos bombas son responsables de la extracción de CO2 del ciclo de C mundial, proceso que tiene lugar en periodos de tiempo superiores a cientos de años.
La rama oceánica del ciclo de C implica la existencia de un flujo de CO2 que se establece desde el aire hacia el mar en los puntos donde la capa superficial de mezcla presenta una presión parcial de CO2 menor que la de la atmósfera y viceversa. La presión parcial del CO2 en la capa de mezcla disminuye por el aumento de solubilidad en agua fría y por la producción intensificada de plancton durante la floración primaveral.
La tasa de intercambio gaseoso depende de la diferencia de presiones parciales de CO2 entre el aire y el mar, y de un coeficiente que es proporcional a la velocidad del viento.
CRIOSFERA Masas de hielo que cubren 11% de los continentes y 7% de los océanos. Está cubierta de nieve estacional en las latitudes altas.
PAPEL DE LA CRIOSFERA 1. Tiene un alto poder de reflexión de la radiación solar incidente, produciendo el efecto albedo. Las temperaturas bajas en las zonas afectadas se mantienen.
− − − Albedo de la Tierra, 30% Albedo del hielo, 40% Albedo de la nieve fresca, 90% 2. Presenta una reducida conductividad térmica, lo que dificulta la pérdida de calor hacia la atmósfera desde las tierras y aguas cubiertas de hielo y nieve.
Este fenómeno favorece el mantenimiento estable la temperatura de la atmósfera cerca del suelo, evitando movimientos ascendentes de aire.
DISMINUCIÓN DE LA CRIOSFERA El hielo refleja una gran cantidad de energía solar, que es expulsada hacia el espacio. Cualquier cambio en la cantidad de hielo y nieve de la Tierra, afectaría a la cantidad de energía solar absorbida por la superficie de la Tierra, y a su vez al clima del planeta.
Este suceso ya se está llevando a cabo mediante el calentamiento del Ártico. Su superficie de hielo y nieve ha disminuido durante los últimos años, afectando a todos sus ecosistemas.
LITOSFERA PROCESOS EN LA SUPERFICIE La vegetación y los suelos de la superficie terrestre controlan la forma en que la energía recibida del Sol se devuelve a la atmósfera.
Una parte se devuelve como radiación de onda larga (infrarroja), calentando la atmósfera conforme la superficie terrestre se va calentando. Otra parte se utiliza para evaporar agua, bien del suelo o bien de las hojas de las plantas, incorporando así agua a la atmósfera. Puesto que la evaporación de la humedad del suelo requiere energía, la humedad del suelo influye fuertemente en la temperatura de la superficie.
La textura de la superficie terrestre, su rugosidad, influye dinámicamente en la atmósfera modulando los vientos cerca de la superficie. La rugosidad viene determinada tanto por la topografía como por la cobertura vegetal. El viento también puede transportar partículas de polvo hacia la atmósfera, el cual interacciona con la radiación atmosférica.
PAPEL CRUCIAL DE LA SUPERFICIE EN EL TIEMPO Y EN EL CLIMA Este papel va desde algunas influencias puramente físicas (ex. En el arrastre aerodinámico en la atmósfera; el papel de las características del suelo en el control del contenido en humedad del suelo y la escorrentía) a algunas influencias biológicas de más envergadura (ex. la respuesta de los estomata a los cambios medioambientales).
La interacción con la biología, la naturaleza física de las interacciones superficie-atmósfera y el impacto del cambio global en estos procesos es parte del fin principal del Programa BAHC.
BIOSFERA ACOPLAMIENTO ENTRE LA ATMÓSFERA Y LA BIOSFERA La biosfera está constituida por los organismos vivos sobre tierra y en el mar. Ayuda a regular el clima a través de su papel en el ciclo del carbono.
La vegetación sobre tierra tiene un efecto significativo sobre la reflectividad de la superficie, el calor, la humedad y la energía. Debido a la complejidad de los procesos biológicos implicados, los científicos sólo pueden hacer estimaciones muy generales del papel de la biosfera en el sistema climático. Se necesitará mucha más investigación antes de que pueda cuantificarse la contribución de la biosfera a la variación del clima.
La biosfera marina y terrestre tienen un impacto significativo sobre la composición de la atmósfera. La biota influye en la absorción y liberación de los gases de efecto invernadero. A través de los procesos da fotosíntesis, tanto las plantas marinas como las terrestres (especialmente los bosques) almacenan cantidades significativas de C del CO2. Así, la biosfera juega un papel central en el ciclo del C, y también en los balances de otros muchos gases tales como CH4 y N2O. Otras emisiones biosféricas son los llamados compuestos volátiles orgánicos que pueden producir efectos importantes en la química atmosférica, en la formación de aerosoles y, por tanto, en el clima.
Puesto que el almacenamiento de C y el intercambio de gases traza vienen influidos por el clima, también pueden ocurrir procesos de retroalimentación entre el cambio climático y las concentraciones atmosféricas de gases traza. La influencia del clima en la biosfera está preservada en los fósiles, los anillos de los árboles, el polen y otros registros, de modo que lo que se conoce de los climas pasados procede de tales indicadores bióticos.
CAMBIOS EN LOS USOS DEL SUELO (ALBEDO) Se estima que el mayor efecto se encuentra en las altas latitudes. Esto se debe a que la deforestación ha hecho que los bosques cubiertos de nieve, con un albedo relativamente bajo, sean sustituidos por superficies abiertas cubiertas de nieve con un albedo superior.
Las fuerzas naturales van continuamente cambiando los parajes de la Tierra. Recientemente, las acciones humanas han alcanzado la magnitud de una fuerza geológica, transformando alrededor del 40% de la superficie terrestre de nuestro planeta.
Por qué Sucede la Deforestación La deforestación ocurre de muchas maneras. La mayor parte del aclareo de bosques se hace con FINES AGRÍCOLAS (plantar cultivos) y GANADEROS (pastoreo). Los agricultores pobres talan una pequeña área y queman los troncos de los árboles. La agricultura moderna, intensiva, se desarrolla en una escala mucho mayor, algunas veces deforestando varias decenas de km2 de una vez. Los grandes pastizales de ganado a menudo reemplazan los bosques de lluvias para producir carne para el mercado mundial.
La INDUSTRIA MADERERA es otra forma común de deforestación, talando los árboles para vender madera o pulpa. La tala de árboles puede ocurrir selectivamente (sólo se talan las especies de interés comercial) o por aclareo indiscriminado (se talan todo tipo de árboles). Esta industria utiliza maquinaria pesada para desalojar los árboles talados y construir carreteras, lo cual es verdaderamente perjudicial.
Hay otras razones para la deforestación como por ejemplo CONSTRUIR POBLADOS O PANTANOS, lo cual abate grandes zonas de bosques. Aun así, estos últimos casos sólo representan una pequeña proporción de la deforestación total.
PROCESOS DE RETROALIMENTACIÓN Procesos de Retroalimentación en el Sistema Climático: procesos que pueden o bien amplificar o bien disminuir la respuesta del sistema a cambios en los forzamientos.
De acuerdo con estimaciones generadas por los modelos climáticos actuales, más de la mitad del calentamiento que se espera como respuesta a actividades humanas procederá de mecanismos de realimentación internos al sistema climático, y menos de la mitad serán respuesta directa a factores externos que fuerzan directamente cambios en el sistema climático.
Más aún, una parte sustanciosa de las incertidumbres de las proyecciones de climas futuros se atribuye a un conocimiento inadecuado de los procesos de retroalimentación internos al sistema climático natural. Como consecuencia, es de importancia central comprender, modelizar, y realizar un seguimiento de los procesos climáticos de retroalimentación.
El esfuerzo en refinar nuestra comprensión de los procesos climáticos de retroalimentación críticos y mejorar su tratamiento en los modelos que se utilizan para proyectar escenarios climáticos futuros es un paso adelante efectivo en la búsqueda por conocer mejor cómo el clima puede evolucionar en el futuro en respuesta a forzamientos naturales e inducidos por el hombre.
Una estrategia apropiada para conseguir esto es hacer más comparaciones de modelos con datos y focalizarse particularmente en comprobaciones observacionales de cuán adecuadamente los modelos simulan los procesos de retroalimentación clave. Se necesita un mayor esfuerzo de investigación para observar, comprender y modelizar mejor los procesos de retroalimentación clave.
1) Procesos de retroalimentación que afectan primariamente la magnitud del cambio climático − − − − nubes - vapor de agua - gradiente atmosférico hielo - albedo ciclos biogeoquímicos y ciclo del carbono química atmosférica 2) Procesos de retroalimentación que afectan primariamente la respuesta transitoria del clima (el clima no responde de manera instantánea. Inercias, existencia de periodo transitorio hasta llegar a la situación estacionaria) − Absorción de calor por el océano y circulaciones oceánicas 3) Procesos de retroalimentación que afectan primariamente el patrón de cambio climático − − Hidrología sobre tierra y vegetación Modos naturales de variabilidad del sistema climático CICLOS DE RETROALIMENTACIÓN: INTERACCIONES QUE INFLUYEN EN EL CLIMA En el Sistema Climático, un ciclo de retroalimentación se refiere a un patrón de procesos de interacción donde un cambio en una variable, a través de la interacción con otras variables del sistema, o bien refuerza el proceso original, retroalimentación positiva o tiende a suprimirlo, retroalimentación negativa.
Para poder modelizar y predecir correctamente la variabilidad climática global, deben conocerse bien los ciclos de retroalimentación.
EJEMPLOS EN EL SISTEMA CLIMÁTICO VAPOR DE AGUA Una retroalimentación importante que da cuenta del gran calentamiento previsto por los modelos climáticos en respuesta a un aumento de CO2 es el aumento del vapor de agua atmosférico.
Un aumento en la temperatura de la atmósfera aumenta su capacidad de retención de agua. Sin embargo, puesto que la mayor parte de la atmósfera no está saturada, esto no significa automáticamente que el vapor de agua en sí mismo deba aumentar.
Dentro de la capa límite (primeros km 1 y 2 por debajo de la atmósfera), el vapor de agua aumenta al aumentar la temperatura. En la atmósfera libre por encima de la capa límite, donde el efecto invernadero del vapor de agua es más importante, la situación es difícil de cuantificar.
La retroalimentación del vapor de agua, según se deriva de los modelos actuales, duplica aproximadamente el calentamiento que le correspondería a un vapor de agua fijo.
Los modelos son capaces de simular las regiones húmedas y las más secas que se observan en los trópicos y sub-trópicos y cómo éstas evolucionan estacionalmente y de año a año. Aunque se reafirme, esto no proporciona una comprobación de las retroalimentaciones, si bien el balance de evidencia favorece una retroalimentación positiva del vapor de agua en condiciones de cielo despejado de magnitud comparable a la que se encuentra en las simulaciones.
ALBEDO Las temperaturas crecientes funden la nieve y el hielo sobre el mar, reduciendo la reflectividad de la superficie y, por tanto, aumentando la absorción de la radiación solar, lo cual, a su vez, aumenta las temperaturas, y así sucesivamente. El ciclo de retroalimentación puede también funcionar a la inversa.
Por ejemplo, si el clima se enfría, se fundirán menos nieves y hielo en verano, aumentando así el albedo y originando mayor enfriamiento conforme se refleja más radiación solar que se absorbe.
La retroalimentación temperatura — albedo es positiva porque se amplifica el cambio de la temperatura inicial.
COBERTURA NUBOSA Las retroalimentaciones entre temperatura, cobertura nubosa y radiación son agentes del cambio climático potencialmente importantes. Sin embargo, estos procesos no se conocen bien y la investigación en esta área es bastante activa.
Se piensa que, si el clima se calienta, la evaporación también aumentará, aumentando a su vez la cobertura nubosa. Puesto que las nubes tienen un albedo elevado, una mayor cobertura nubosa aumentará el albedo de la Tierra y disminuirá la cantidad de radiación absorbida en la superficie. Las nubes deben por tanto inhibir otros aumentos de la temperatura.
Esta retroalimentación temperatura — cobertura nubosa — radiación es negativa ya que el cambio de la temperatura inicial se reduce. Sin embargo, la cobertura nubosa también actúa como una manta para inhibir la pérdida de radiación de onda larga desde la atmósfera de la tierra.
Mediante este proceso, un aumento de la temperatura que lleve a un aumento de la cobertura nubosa puede llevar a un aumento siguiente en la temperatura – una retroalimentación positiva. Conocer qué proceso es el que domina es una cuestión compleja. El tipo de nube juega un papel fuerte, así como el contenido en agua y el tamaño de las partículas. Otro factor es si el albedo de las nubes es mayor o menor que el de la superficie.
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