Resumen
La Circulación de Vuelco Meridional del Atlántico (AMOC) tiene un gran impacto en el clima, no solo en el Atlántico Norte, sino a nivel global. Los datos paleoclimáticos muestran que ha sido inestable en el pasado, conduciendo a algunos de los cambios climáticos más dramáticos y abruptos conocidos. Estas inestabilidades se deben a dos tipos diferentes de puntos de inflexión, uno vinculado a retroalimentaciones amplificadoras en el transporte de sal a gran escala y el otro en la mezcla convectiva que impulsa el flujo. Estos puntos de inflexión presentan un gran riesgo de cambios abruptos en la circulación oceánica y el clima a medida que llevamos a nuestro planeta más allá del clima estable del Holoceno hacia terreno desconocido.
Antecedentes
En 1751, el capitán de un barco inglés dedicado al comercio de esclavos hizo un descubrimiento histórico. Mientras navegaba a 25°N en el Atlántico Norte subtropical, el Capitán Henry Ellis bajó un "medidor de mar de cubo", ideado y proporcionado por el clérigo británico Reverendo Stephen Hales, a través de las cálidas aguas superficiales hasta las profundidades. Mediante una cuerda larga y un sistema de válvulas, se podía subir agua de diversas profundidades a la cubierta, donde su temperatura se leía de un termómetro incorporado. Para su sorpresa, el Capitán Ellis descubrió que el agua profunda estaba muy fria.
Informó sus hallazgos al Reverendo Hales en una carta: "El frío aumentaba regularmente, en proporción a las profundidades, hasta descender a 1188 metros: desde donde el mercurio en el termómetro bajó a 11,7 grados Celsius; y aunque después lo hundí a la profundidad de 1629 metros, no bajó más."
Estas fueron las primeras mediciones de temperatura del océano profundo registradas. Revelaron lo que ahora se sabe que es una característica física fundamental e impresionante del océano mundial: el agua profunda siempre está fría. Las aguas cálidas de los trópicos y subtrópicos están confinadas a una capa delgada en la superficie; el calor del sol no calienta lentamente las profundidades durante siglos o milenios como podría esperarse.
La carta de Ellis a Hales sugiere que no tenía idea del significado de gran alcance de su descubrimiento. Escribió: "Este experimento, que al principio parecía mera curiosidad, se volvió muy útil para nosotros. Mediante él, suministramos nuestro baño frío y enfriamos nuestros vinos o agua a placer; lo cual es enormemente agradable para nosotros en este clima ardiente".
De hecho, Ellis había descubierto la primera indicación de la circulación de vuelco del océano, el sistema de corrientes oceánicas profundas que circula aguas frías de origen polar alrededor del planeta.
Pero no fue hasta varias décadas después, en 1797, que otro inglés, el Conde Rumford, publicó una explicación correcta para el "útil" descubrimiento de Ellis: "Parece extremadamente difícil, si no del todo imposible, explicar este grado de frío en el fondo del mar en la zona tórrida, bajo cualquier otra suposición que no sea la de corrientes frías desde los polos; y la utilidad de estas corrientes para templar los calores excesivos de estos climas es demasiado evidente para requerir ilustración".
Ahora, más de 200 años después, tenemos una comprensión razonable del complejo sistema de circulación oceánica profunda y, lo que Rumford encontró tan evidente, el papel que juega en el clima. Sin embargo, algunos enigmas importantes permanece que pueden ser de fundamental importancia para nuestro futuro.
Cincuenta veces el uso de energía humana
Se llama AMOC (por sus siglas en inglés: Circulación de Vuelco Meridional del Atlántico, [Atlantic Meridional Overtuning Circulation]). Su flujo hacia el norte de aguas superficiales cálidas y el flujo de retorno profundo y frío hacia el Atlántico Sur, una curiosidad: transporta calor desde las latitudes altas del sur hacia el ecuador, de frío a cálido (Figura 1).
FIGURA 1. Este gráfico muestra un esquema altamente simplificado de la Circulación Meridional de Vuelco del Atlántico (AMOC) con un fondo de la tendencia de la temperatura de la superficie del mar desde 1993, proporcionada por el Servicio de Cambio Climático de Copernicus.
Todos los demás océanos se comportan "normalmente", moviendo el exceso de calor lejos de los trópicos bañados por el sol.
En el Atlántico Norte, la circulación de vuelco mueve calor a una tasa de un petavatio (10^15 vatios), aproximadamente 50 veces el uso de energía de toda la humanidad, o 3,5 veces la tasa de absorción de calor del océano global del calor vertido en las últimas décadas debido al calentamiento global causado por el hombre. Libera el calor en la región al sur de Groenlandia e Islandia, e incluso más al norte, hacia los mares nórdicos más allá de Islandia. Allí, entrega generosamente su calor a los vientos fríos hasta que el agua está tan fría y densa que se hunde en el abismo, a una profundidad entre 2000 y 3000 m. Allí "fluye como un gran río, a lo largo de todo el Atlántico". El calor liberado a la atmósfera hace que la región del Atlántico Norte sea mucho más cálida de lo que corresponde a su latitud, particularmente en la dirección del viento del océano (Figura 2). También es la razón principal por la que el hemisferio norte es en promedio ~1.4°C más cálido que el hemisferio sur, y por qué el ecuador térmico, la latitud donde la Tierra es más caliente, está a ~10° al norte del ecuador geográfico.
FIGURA 2 (arriba). Este mapa muestra cómo sería el mundo sin la Circulación Meridional de Vuelco del Atlántico (AMOC). Casi todo el hemisferio norte sería más frío, especialmente Islandia, Escandinavia y Gran Bretaña.
La temperatura no es el único ingrediente clave de la AMOC; el segundo factor es la salinidad: cuanto más salada es el agua, más densa es. Por lo tanto, la salinidad es un factor importante para el hundimiento descrito anteriormente. Así, esta circulación de vuelco también se llama circulación termohalina, es decir, una circulación impulsada por diferencias de temperatura y salinidad, en contraste con la circulación impulsada por el viento y las corrientes de marea. Mientras que la temperatura tiene una influencia estabilizadora en la AMOC, la salinidad tiene el poder de desestabilizaría.
FIGURA 3. (a) Diagrama de estabilidad de la AMOC en el modelo de cajas de Stommel, en función de la cantidad de agua dulce que ingresa al Atlántico norte. Las líneas verdes continuas muestran estados de equilibrio estables, la línea verde discontinua uno inestable. La curva azul muestra un camino que abandona las líneas de equilibrio durante un cambio climático rápido. (b) Aquí, la línea naranja traza los equilibrios de la AMOC en un modelo tridimensional de circulación oceánica global. La línea negra es el mismo experimento de trazado realizado con el modelo de cajas. Las líneas superiores naranja y negra se trazan de izquierda a derecha comenzando con la AMOC "encendida", las inferiores de derecha a izquierda comenzando con la AMOC "apagada".
Una historia de dos inestabilidades
En 1961, el oceanógrafo estadounidense Henry Stommel reconoció cómo la salinidad de las aguas atlánticas lleva a un punto de inflexión de la AMOC, un fenómeno que volvió a ser noticia el año pasado y este año. El agua se hunde en el Atlántico norte porque es lo suficientemente salada (a diferencia del Pacífico Norte). El agua es salada porque la AMOC lleva agua salada de los subtrópicos, una región de evaporación neta, a las latitudes más altas, una región de precipitación neta. En otras palabras, la AMOC fluye porque el Atlántico norte es salado, y es salado porque la AMOC fluye. Es un caso de "el huevo y la gallina", o en términos más técnicos, un efecto de retroalimentación auto-sostenido.
Esto funciona también al revés: si el Atlántico norte se vuelve menos salado debido a una entrada de agua dulce (lluvia o agua de deshielo), el agua se vuelve menos densa y la AMOC se desacelera. Así, trae menos sal a la región, lo que desacelera aún más la AMOC. Este proceso se llama retroalimentación del transporte de sal. Más allá de un umbral crítico, se convierte en un círculo vicioso auto-amplificante, y la AMOC se detiene. Ese umbral es el punto de inflexión de la AMOC (llamado Bifurcación de Stommel en la Figura 3). Como escribió Stommel en 1961: "El sistema está inherentemente lleno de posibilidades para especular sobre el cambio climático."
El modelo de Stommel consistía solo en una caja en una latitud alta y una caja subtropical que estaban conectadas por un flujo de reversión proporcional a la diferencia de densidad entre ellas. El modelo predecía este flujo, la temperatura, salinidad y densidad en ambas cajas. La Figura 3 muestra la fuerza de la AMOC en equilibrio según lo calculado por el modelo de cajas de Stommel, y el punto de inflexión que encontró.
Para modelos de cajas como el de Stommel, las curvas de equilibrio pueden calcularse analíticamente; la solución para la curva verde es simplemente una parábola. Para rastrear los estados de equilibrio de un modelo complejo, se añade agua dulce al Atlántico norte a una tasa muy lenta en aumento (por ejemplo, subiendo 0.1 Sv en 2000 años; 1 Sv = 10^6 m³/s) para permanecer cerca del equilibrio y ver dónde comienzan a dominar el debilitamiento o las retroalimentaciones, lo que sucede más allá del punto de inflexión. Un equipo de investigación desarrolló métodos para calcular directamente los estados de equilibrio en modelos tridimensionales del océano, pero no funciona en modelos complejos acoplados océano-atmósfera, por lo que es necesario aplicar el enfoque de trazado de añadir agua dulce lentamente.
En el régimen monestable (a la izquierda del forzamiento de agua dulce cero en la Figura 3), un colapso de la AMOC aún puede ser forzado por una gran adición temporal de agua dulce, pero la AMOC se recuperará después de que el forzamiento termine. En el régimen biestable, el sistema puede estar permanentemente en uno de dos estados estables, con la AMOC "encendida" o "apagada", dependiendo de las condiciones iniciales. Así, el flujo de la AMOC terminado por un forzamiento temporal no se recuperará sino que permanecerá en el estado estable "apagado". Los experimentos con tal adición temporal de agua dulce muestran que muchos, si no la mayoría, de los modelos climáticos están en el régimen monestable y, por lo tanto, comparativamente lejos del punto de inflexión. Esto no implica que no tengan este punto de inflexión o que no tengan un régimen biestable; solo muestra que no están en él para el clima actual (probablemente de manera incorrecta, ver la sección "¿Se puede confiar en los modelos climáticos?" más abajo).
El cambio climático puede alejar la AMOC de la línea de equilibrio, siguiendo algo parecido al camino azul en la Figura 3a, porque el calentamiento global moderno avanza demasiado rápido para que el océano se ajuste completamente. Después de cruzar la línea discontinua, la AMOC será atraída hacia el estado "apagado" incluso sin más empujes. Cabe destacar que la AMOC es aún más vulnerable a forzamientos más rápidos. Eso significa que los experimentos de trazado de equilibrio muy lento mostrados en la Figura 3b subestiman cuán cerca está el punto de inflexión de la AMOC en una situación de cambio climático rápido, como en la que estamos hoy en día.
Que este punto de inflexión y el régimen biestable son reales, y no solo un artefacto del modelo simple de Stommel, ha sido confirmado en numerosos modelos de todo el espectro de modelos desde el artículo de Stommel de 1961, incluidos modelos sofisticados de circulación oceánica tridimensional, modelos del sistema terrestre de complejidad intermedia y modelos climáticos acoplados completamente desarrollados, por ejemplo, el Modelo del Sistema Terrestre Comunitario (CESM).
La comparación se encontró el régimen biestable en los 11 modelos participantes, y no existe conocimiento de ningún modelo que haya sido probado y no tenga esta propiedad. Aunque este tipo de experimento no puede realizarse con modelos que simulan explícitamente remolinos de mesoescala en el océano, no se espera que haya una diferencia significativa, dado que la retroalimentación relevante de advección de sal opera a una escala muy grande.
Un segundo tipo de punto de inflexión también puede afectar la AMOC. Una parte importante del proceso de hundimiento en el Atlántico norte (llamado "formación de agua profunda") es la mezcla vertical profunda (convección) cuando la columna de agua se vuelve verticalmente inestable, debido a que el agua más densa se sitúa sobre el agua menos densa. La convección también podría apagarse como un interruptor, nuevamente debido al efecto desestabilizador de la salinidad. En las regiones de alta latitud, el océano típicamente gana agua dulce de la lluvia en la superficie, por lo que una vez que la convección se detiene durante suficiente tiempo, el agua dulce puede acumularse y formar una capa superficial de baja densidad. Esto hace que sea cada vez más difícil reiniciar la convección, y en algún momento, se apaga permanentemente. Se puede ver que esto funciona incluso si la convección es intermitente en presencia de variabilidad climática aleatoria.
Hay dos regiones principales de convección dentro de la AMOC actual: una en la región del giro subpolar del Atlántico norte (incluyendo los mares de Labrador e Irminger) y otra más al norte en los mares nórdicos. En muchos experimentos de modelos, la convección del Mar de Labrador ha sido propensa a apagarse, ralentizando no solo la AMOC sino también el giro subpolar, un enorme flujo de rotación en sentido antihorario al sur de Groenlandia e Islandia (Figura 4). Una vez que la convección (que normalmente extrae el calor de la columna de agua por mezcla de agua más caliente hasta la superficie, donde el calor se pierde a la atmósfera) ha sido limitado de esta manera, menos calor se pierde a través de la superficie del mar, y toda la columna de agua se vuelve menos densa. Esto ralentiza la AMOC, que después de todo es impulsada por las aguas frías y de alta densidad que empujan hacia el sur desde las altas latitudes. Por lo tanto, un cierre de la convección puede ayudar a desencadenar un cierre de la AMOC. Y debido a que la convección es un proceso a pequeña escala, no se captura bien en la mayoría de los modelos actuales, añadiendo una capa de incertidumbre sobre el futuro.
FIGURA 4. Se muestran los flujos superficiales actuales (líneas continuas) y los flujos profundos (líneas discontinuas) para el Atlántico norte y los mares nórdicos.
Cambios drásticos de la AMOC en el pasado
Basándonos en este entendimiento de los mecanismos de inestabilidad de la AMOC, podemos examinar algunos cambios climáticos dramáticos que han ocurrido en el pasado reciente—"reciente," es decir, desde una perspectiva del paleoclima, en los últimos 100.000 años.
En 1987, Wally Broecker publicó un artículo ahora famoso en la revista Nature titulado "¿Sorpresas desagradables en el invernadero?". En él, discutía datos de núcleos de sedimentos profundos del mar y agujeros perforados en la capa de hielo de Groenlandia, señalando que estos datos revelan que "el clima cambió frecuentemente y en grandes saltos" en lugar de manera suave y gradual. Dados los patrones regionales de estos cambios, identificó a la AMOC (en ese momento conocida como la "cinta transportadora del Atlántico") como la culpable. Advirtió que al liberar gases de efecto invernadero, "jugamos a la ruleta rusa con el clima [y] nadie sabe qué hay en la recámara activa del arma."
En las décadas desde entonces, hemos llegado a distinguir dos tipos de eventos climáticos abruptos que ocurrieron repetidamente durante la última Edad de Hielo, centrados alrededor del Atlántico norte pero con repercusiones globales.
El primer tipo son los eventos Dansgaard-Oeschger (DO), nombrados en honor al investigador danés de núcleos de hielo Willy Dansgaard y su colega suizo Hans Oeschger. Más de 20 eventos se muestran prominentemente como picos de calentamiento abrupto de 10°–15°C en una o dos décadas en los datos de núcleos de hielo de Groenlandia. Se pueden explicar como arranques súbitos de la convección oceánica en los mares nórdicos cuando la convección de la Edad de Hielo ocurría mayormente solo en el Atlántico abierto al sur de Islandia (Figura 5). La configuración de la circulación oceánica cálida que alcanzó el extremo norte aparentemente no era estable bajo las condiciones de la Edad de Hielo: se debilitó gradualmente, hasta que después de algunos cientos de años, la convección y el evento cálido terminaron nuevamente. Es, por lo tanto, un ejemplo de un cambio convectivo de encendido-apagado como se ha visto anteriormente, con la convección de los mares nórdicos encendiéndose y apagándose.
El segundo tipo son los eventos Heinrich, nombrados en honor al científico alemán Hartmut Heinrich. Involucran enormes masas de hielo que episódicamente se deslizaron hacia el mar desde la capa de hielo Laurentida de varios miles de metros de espesor que cubría América del Norte en ese momento. Estos icebergs derivaron a través del Atlántico, dejando capas distintivas de detritos arrastrados por el hielo en el fondo del océano y añadiendo agua de deshielo fresca a la superficie del océano. Esto llevó a cambios climáticos aún más dramáticos, vinculados a un colapso completo de la AMOC. Tanto hielo entró en el océano que los niveles del mar aumentaron varios metros. La evidencia de que esta cantidad de agua dulce ingresando al Atlántico norte cerró la AMOC se encuentra en el hecho de que la Antártida se calentó mientras que el hemisferio norte se enfrió, lo que indica que el enorme transporte de calor de la AMOC desde el extremo sur a través del ecuador hasta el extremo norte esencialmente se detuvo.
Tanto los eventos Dansgaard-Oeschger como los eventos Heinrich, aunque más fuertes alrededor del Atlántico norte, tuvieron grandes repercusiones climáticas globales incluso lejos del Atlántico, ya que afectaron las bandas de lluvia tropicales que resultan del movimiento ascendente de aire cálido sobre el "ecuador térmico." Durante los eventos cálidos de Dansgaard-Oeschger, estas bandas de lluvia se desplazaron hacia el norte, llevando a condiciones cálidas y húmedas en los trópicos del norte hasta Asia. Pero durante los eventos Heinrich, las bandas de lluvia se desplazaron hacia el sur, llevando a sequías catastróficas en la región del monzón afro-asiático. ¿Podrían cambios similares en las bandas de lluvia tropicales estar en nuestro futuro?
FIGURA 5. La AMOC durante la última Edad de Hielo. (a) El estado frío (stadial) prevalente. (b) El estado más cálido (interestadial) durante los eventos Dansgaard-Oeschger, mostrando el cambio de temperatura. La resolución muy gruesa de ese modelo subestima el efecto de calentamiento de los eventos Dansgaard-Oeschger.
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