Los ciclos Dansgaard-Oeschger I Descripción general

Ya era conocido por los palinólogos de principios del siglo XX que los registros de polen muestran cambios climáticos abruptos reflejados en cambios de la vegetación que indicaban que el final del último periodo glacial estuvo marcado por periodos alternantes cálidos y fríos. Los periodos fríos se denominaron estadíos y los cálidos interestadíos. Los dos últimos estadíos se denominaron con el nombre de una flor de la tundra cuyo polen se hizo muy abundante, Dryas octopetala, como el Dryas Antiguo y el Dryas Reciente. 

En 1972, después de analizar la composición isotópica de los registros de hielo de Camp Century en Groenlandia, Willi Dansgaard hizo público su descubrimiento de que el último ciclo glacial mostraba más de 20 interestadíos abruptos marcados por un calentamiento muy intenso. Puesto que los nuevos cambios abruptos no se encontraban en los registros Antárticos. Doce años más tarde Hans Oeschger publicó sus estudios sobre el CO2 en los testigos de hielo habiendo encontrado que los cambios abruptos iban acompañados por incrementos repentinos en el CO2 en los testigos de hielo de Groenlandia. A partir de entonces los cambios abruptos fueron conocidos como sucesos Dansgaard-Oeschger (D-O). Más tarde la comunidad científica aceptó que los elevados registros de CO2 en Groenlandia eran el resultado de una contaminación química, puesto que no coincidían con los registros de CO2 de la Antártida.

Las oscilaciones Dansgaard-Oeschger

La buena resolución temporal del testigo de hielo GISP2, donde las capas anuales de hielo se pueden contar, permitió el descubrimiento de que los sucesos D-O son de hecho oscilaciones de un ciclo que se repetía en múltiplos de 1470 años entre 80.000 y 12.000 años antes del presente. Figura 1.

 

Figura 1. El ciclo Dansgaard-Oeschger. Dividiendo el periodo entre hace 50.000 y 10.000 años en cajas de 1470 años muestra claramente la periodicidad del ciclo D-O, que tiene menos de un 1% de probabilidad de ser debido al azar. La desviación sobre el periodo de las últimas y mejor datadas oscilaciones es de solo el 2%.

Los ciclos D-O son los cambios climáticos abruptos más dramáticos y frecuentes del registro geológico. En Groenlandia los ciclos D-O se caracterizaron por un calentamiento abrupto de aproximadamente  8°C en la temperatura media anual desde una fase estadial fría a una interestadial cálida, seguida de un enfriamiento gradual antes de un rápido retorno a las condiciones estadiales. Inicialmente se pensó que constituían un fenómeno regional, puesto que no se detectan de forma prominente en los registros de los testigos de hielo Antárticos, sin embargo la evidencia descubierta desde entonces muestra que son un cambio climático que afecta a todo el hemisferio con algunos efectos que han sido registrados también en el hemisferio Sur (figura 2).

 

Figura 2. Efectos amplios del ciclo Dansgaard-Oeschger. (A) El calentamiento en Groenlandia coincide (puntos rojos) con condiciones más cálidas y húmedas en Europa, temperaturas de la superficie del mar más altas en el Mediterráneo Occidental, aumento de la precipitación en la costa de Venezuela, incremento del monzón de verano en el océano Índico, aridez en el Sudoeste de Norteamérica y China, cambios en la ventilación oceánica en California, incrementos en la temperatura del mar y la productividad del mar Arábigo. El calentamiento en Groenlandia también coincide (puntos azules) con enfriamiento anti-fásico en Antártida y en los mares circumpolares. Los puntos amarillos marcan lugares donde se ha encontrado evidencia del Dryas Reciente (YD). (B) Cambios modelados de la temperatura durante la transición estadial-interestadial. (C). Cambios modelados de la precipitación durante la transición estadial-interestadial.

Pero las oscilaciones D-O no son el único cambio climático que tuvo lugar durante el último periodo glacial. Cuando miramos al registro de un indicador de temperatura, por ejemplo la relación del isótopo 18O en testigos de hielo, podemos ver que la señal es muy ruidosa, con el clima siempre calentándose o enfriándose y cambios de distinta magnitud teniendo lugar en momentos diferentes (figura 3A y B). Los mayores de estos cambios han sido numerados. ¿Son todos partes del ciclo D-O? Tienen distinto perfil, duración y espaciamiento. Incluso a veces están separados por otros cambios climáticos intensos de naturaleza diferente denominados sucesos Heinrich. Para evitar la confusión vamos a describir cuidadosamente los cambios observados en los registros de los testigos de hielo de Groenlandia y en los registros de los sedimentos marinos del Atlántico Norte antes de establecer su correspondencia con los cambios observados en los registros de los testigos de hielo de la Antártida.

Cada cerca de 6.100 años (figura 3 turquesa; figura 4 violeta) durante los últimos 70.000 a 10.500 años tuvo lugar en el Atlántico Norte un largo suceso Heinrich de enfriamiento de entre mil y cuatro mil años, con las temperaturas en Groenlandia cayendo 2-3°C desde el ya frío clima glacial. Como en el caso opuesto de los ciclos D-O, los sucesos Heinrich fueron sentidos como enfriamiento en la mayor parte del hemisferio Norte. Las temperaturas superficiales marinas en el Atlántico Norte cayeron a lo que ahora son condiciones Árticas tan al Sur como 45°N y probablemente estaban cubiertas de hielo marino durante el invierno. Casi al final de cada uno de esos periodos, en lo que parece haber sido unas pocas décadas, se producía una flota inmensa de icebergs desde el manto de hielo Laurentino, o con menos frecuencia desde el Finoescandinavo, llevando con ellos grandes cantidades de material erosionado que cuando los icebergs se fundían se depositaba en el fondo del mar como escombros embarcados en hielo en adelante (IRD). Los sucesos Heinrich están marcados H0 a H6 (figuras 3 y 4) y parecen haber estado teniendo lugar desde la Transición del Pleistoceno Medio hace un millón de años.

 

Figura 3. Cronología de los sucesos climáticos durante el Último Periodo Glacial. (A) Indicador de temperaturas de Groenlandia. Los números rojos denotan sucesos D-O. (B) Indicador de temperaturas de la Antártida. A1 a A7, sucesos de calentamiento Antártico. (C) Concentraciones de CO2 atmosférico en la Antártida. (D) Concentraciones de CH4 (metano) de testigos de hielo de Groenlandia (verde) y Antártida (marrón). Barras verticales turquesa, distribución de los sucesos Heinrich (H3 a H6). Líneas marrones punteadas, calentamientos abruptos en Groenlandia. 

Un suceso Heinrich es seguido por el disparo del calentamiento interestadial D-O. Incluso si solo una de cada cuatro oscilaciones D-O es precedida por un suceso Heinrich, todas ellas parecen haber sido precedidas por un enfriamiento similar aunque reducido y una deposición de IRD en los sedimentos marinos del Atlántico Norte. Gerald Bond sugirió que los sucesos Heinrich eran parte de los ciclos D-O. Puesto que los sucesos Heinrich (HE) implican un enfriamiento mucho más profundo y una producción de icebergs por los mantos de hielo mucho más intensa, podemos distinguir entre oscilaciones D-O con Eventos Heinrich HE (números 1, 4, 8, 12, 14, 17) y oscilaciones D-O Sin HE.

 

Figura 4. Frecuencias de los agentes climáticos externos (forzamientos) de la circulación atmosférica expresadas como componentes de paso de banda del Índice de Circulación Polar (PCI). Curva superior: El PCI (negro) es un indicador de la intensidad de la circulación atmosférica polar que mide la abundancia del polvo y sales marinas en el registro GISP2. En términos generales los valores de PCI se incrementan durante los fríos estadíos y decrecen durante los cálidos interestadíos e interglaciales (relación inversa con la temperatura). El PCI se contrasta con la suma de algunos de los componentes de frecuencia de paso de banda (>99% significación) descompuestos a partir de esta serie (gris). La suma de los armónicos seleccionados representa cerca del 90% de la varianza en la serie original PCI. Curvas inferiores: Componentes principales de paso de banda derivados de la serie PCI, incluyendo aquellos con periodicidades cercanas a la excentricidad elíptica (rojo), inclinación axial (naranja), precesión de los equinocios y su armónico de orden inferior (rosa), y periodicidades potencialmente relacionadas con las dinámicas de los mantos de hielo, oscilaciones oceánicas internas (incluyendo cambios en la circulación termohalina), y variabilidad solar (amarillo). El componente de paso de banda de 6.100 años describe la periodicidad de los sucesos Heinrich (violeta con sucesos individuales marcados, incluyendo el Dryas Reciente, YD), el componente de paso de banda de 1450 años la periodicidad de los sucesos de cambio climático rápido (Dansgaard/Oeschger, negro). 

La característica más sobresaliente de los ciclos D-O es su cambio asimétrico de temperaturas. Todos se caracterizan por un calentamiento muy rápido, durante el cual las temperaturas se elevan al nivel interestadial unos 8-10°C en solo unas pocas décadas, dentro de la duración de una vida humana (figura 5). Este calentamiento en menos de un siglo es seguido de un enfriamiento más lento de ~ 2°C en unos 200 años. A partir de este punto los ciclos D-O toman diferentes rumbos. Algunos ciclos D-O caen rápidamente 6-8°C hasta las temperaturas del frío glacial en unos 250 años más con una duración total de ~500 años. Otros ciclos D-O tardan 500-800 años en completar un descenso más irregular. Finalmente algunos ciclos D-O tardan más tiempo en volver a la línea basal glacial que la duración de un ciclo. En estos casos impiden que un nuevo ciclo D-O tenga lugar hasta que ha finalizado el enfriamiento. Una de las grandes dificultades que los modelos D-O tienen que resolver es explicar cómo una distribución tan grande en la duración del ciclo encaja con el preciso espaciamiento de 1470 ± 8% en la fase de calentamiento, que es de solo un 2% en los ciclos más recientes y mejor datados 

Figura 5. Evolución temporal de los ciclos D-O recientes. Los ciclos D-O muestran una fase de calentamiento muy abrupta seguida de una fase de lento enfriamiento. Con posterioridad le sigue una caída más abrupta de temperaturas con los ciclos mostrando una duración variable en la última fase de enfriamiento. 

Las oscilaciones Dansgaard-Oeschger en el registro Antártico

Cuando se estudian los ciclos D-O en los registros Antárticos se hace aparente que los cambios de temperatura de Groenlandia coinciden con cambios en los niveles de metano a escala global (figura 6). Puesto que los niveles de metano se dispararon simultáneamente en distintos momentos en los testigos de hielo de Groenlandia y la Antártida, ello proporcionaba una forma precisa de alinear ambos registros.

 

Figura 6. Alineamiento interpolar preciso de los ciclos D-O. (a), Indicador de temperatura en Groenlandia. (b), Registro Antártico WDC de CH4 sincronizado con el testigo NGRIP de Groenlandia. (c), Indicador de temperatura en la Antártida. Los ciclos D-O se indican con barras verticales naranjas, numeradas en la parte inferior de la figura. Fuente: WAIS Divide Project Members 2015. Nature 520 661–665.

El alineamiento de los registros de la Antártida y Groenlandia muestra que hay una relación inversa entre las temperaturas de ambos polos. Antes de una transición interestadial abrupta del D-O las temperaturas aumentan en la Antártida. Este incremento es especialmente intenso si el estadío es un suceso Heinrich. Después de que la transición del D-O se dispare en Groenlandia, las temperaturas en la Antártida alcanzan su máximo en 220 años de media; figura 7. Este retraso es importante porque indica que las temperaturas de ambos polos durante un ciclo D-O tienen una conexión oceánica, no atmosférica. Después, durante la mitad del periodo estadial las temperaturas bajan simultáneamente en ambos polos, pero las temperaturas Antárticas llegan al fondo antes y comienzan a ascender de nuevo en preparación para el nuevo ciclo.

 

Figura 7. Esquema de la correspondencia interpolar de las temperaturas de un D-O. Durante un suceso Heinrich las temperaturas de Groenlandia (azul) se vuelven muy frías, mientras se elevan en la Antártida (naranja). Una vez que el calentamiento tiene lugar en Groenlandia las temperaturas alcanzan un máximo en la Antártida una media de 220 años más tarde. Si el calentamiento Antártico previo ha sido muy intenso, como en D-O 8, el enfriamiento Ártico puede durar mucho más y entonces se saltan uno o más ciclos hasta que las temperaturas son suficientemente frías. Fuente: van Ommen, T. 2015. Nature 520 630–631, basado en datos de WAIS Divide Project Members 2015. Nature 520 661–665. Modificado.

Una interesante anomalía tiene lugar en el océano Atlántico desde la formación del istmo de Panamá. Puesto que las aguas templadas del Pacífico no pueden alcanzar el Ártico, su única conexión es a través del Atlántico Norte entre Groenlandia y Escocia. El cierre de la conexión Atlántico-Pacífico panameña convirtió al Pacífico en un callejón sin salida para el transporte meridional de calor. El Atlántico Sur es el único océano del Sur que transporta calor hacia el Norte a través del Ecuador. Por ello el Atlántico es una avenida de un solo sentido para las aguas superficiales templadas que se originan en el océano del Sur y viajan hasta el océano Ártico, retornando como aguas profundas frías. Esta es la causa de la conexión de temperaturas entre los polos. Se ha propuesto que cuando la corriente Atlántica es fuerte enfría el Antártico y calienta el Ártico cambiando el balance energético a favor del último, y cuando la corriente Atlántica es débil calienta el Antártico y enfría el Ártico por el efecto opuesto. Esta es la hipótesis del modelo del balancín bipolar, que está apoyado por la evidencia disponible de la Corriente Meridional Atlántica de Retorno (AMOC, Atlantic Meridional Overturning Current).

Los registros de la Antártida, además de cambios de temperatura posiblemente derivados de cambios en las corrientes oceánicas, muestran también cambios profundos en el metano atmosférico asociados a los ciclos D-O que indican cambios globales en este gas de invernadero. El crecimiento explosivo del metano despertó miedos de que los cambios climáticos abruptos habían disparado repetidamente la hipotética arma de clatrato y de que podría pasar de nuevo en un futuro cercano. Sin embargo el análisis isotópico de deuterio del metano de los testigos de hielo mostró que el incremento en metano venía acompañado de una merma en deuterio figura 8. Esta reducción indica que el origen del metano está en el metano pobre en deuterio de los humedales boreales, una de las principales fuentes naturales de metano, incrementados fuertemente por el aumento de la temperatura y las precipitaciones asociadas al ciclo D-O (figura 2b y c), y no en los hidratos de clatrato ricos en deuterio.

 

Figura 8. Origen y cambios del metano durante los ciclos D-O. El panel superior muestra un indicador de temperatura en Groenlandia. El segundo panel muestra los registros de CH4 de Groenlandia, GRIP (Greenland Ice Core Project) (diamantes púrpura), NGRIP (diamantes naranja), y la Antártida EDML (diamantes azules). Los valores de deuterio, δD(CH4) del panel inferior son del testigo de hielo NGRIP (círculos naranja). Todos los datos se muestran sincronizados por CH4 en la escala temporal. La barra verde indica el suceso Heinrich 4 (H4). Los cambios en los niveles de metano correlacionan de forma inversa con el contenido en deuterio del metano, indicando una fuente pobre en deuterio, lo más probable los humedales boreales. Fuente: Bock, M. et al. 2010. Science 328 1686-1689.

Algunos científicos creen que el CO2 es el principal agente responsable de los cambios climáticos, no solo del presente, sino también del pasado. Curiosamente los registros de los testigos de hielo Antárticos no muestran ninguna contribución o respuesta del CO2 a los cambios abruptos más frecuentes del pasado, los ciclos D-O (figura 9). De hecho, si acaso, parece que la mayoría de las veces los ciclos D-O están asociados a una modesta caída de los niveles de CO2 a pesar del calentamiento Antártico durante el estadío de Groenlandia, seguido del calentamiento en el hemisferio Norte durante el interestadío de Groenlandia (figura 9, flechas). Los niveles de CO2 solo se incrementan asociados al calentamiento Antártico durante los sucesos Heinrich. Como hemos visto, los sucesos Heinrich están asociados al calentamiento Antártico, mientras la región del Atlántico Norte se enfría varios grados y aumenta grandemente la descarga de icebergs. Puesto que la región Antártica es la única que se calienta durante un suceso Heinrich, generalmente se piensa que el incremento de CO2 se origina en el aumento de la ventilación de CO2 por parte de un Océano del Sur más templado.

 

Figura 9. Cambios en el CO2 durante los ciclos D-O. (a) Registro isotópico de las temperaturas de Groenlandia. (b) Registros del CH4 atmosférico de los testigos de hielo de Groenlandia (gris) y la Antártida (rojo y azul). (c) Registro del CO2 atmosférico de los testigos de hielo de la Antártida. (d) Registro de indicadores de temperatura isotópicos de la Antártida, provenientes de testigos de hielo de Siple Dome (azul oscuro) y EDML (gris). Las cajas azules indican intervalos de tiempo correspondientes a los estadíos de Groenlandia (periodos fríos en Groenlandia), mientras que la caja rosa indica un estadío de Groenlandia que incluye un suceso Heinrich. Durante estos estadíos las temperaturas en la Antártida se incrementaron. Los números negros representan interestadíos Dansgaard-Oeschger. HS significa suceso Heinrich. Fuente: Ahn, J. and Brook, E.J. 2014. Nature Communications 5, Article number: 3723.

La diferencia en la respuesta del CO2 al calentamiento Antártico durante el enfriamiento de los estadíos en Groenlandia entre los ciclos D-O HE y D-O no HE se hace mucho más evidente cuando se analizan los cambios de temperatura y CO2 sin tendencia (figura 10, a y b). Eliminando la tendencia a largo plazo podemos ver que mientras todos los estadíos de los sucesos D-O muestran una velocidad de calentamiento similar en la Antártida, excepto D-O 9 (figura 10, b), los ciclos D-O no HE no muestran ningún incremento de los niveles de CO2, mientras que los ciclos D-O HE muestran un incremento en los niveles de CO2 (figura 10, a). El contraste en el comportamiento de ambos tipos de sucesos es más evidente cuando los cambios en CO2 se presentan frente a los cambios en temperatura (figura 10, c).

 

Figura 10. Evolución temporal del CO2 y temperatura Antárticos durante los estadíos de Groenlandia. (a) Cambios en el CO2 de los registros de los testigos de hielo de la Antártida durante los estadíos de Groenlandia. Los números DO corresponden a los calentamientos D-O al final de los estadíos. (b) Registro de un indicador de temperatura Antártico durante los estadíos. (c) Evolución temporal del CO2 atmosférico frente a las anomalías de las temperaturas isotópicas durante los estadíos. Derivado de (a, b). Las elipses rosa y azúl indican los registros para los estadíos Heinrich (largos y no Heinrich (cortos), respectivamente. Se usan medias móviles de 300 años tanto para los registros de CO2 como los indicadores isotópicos de temperatura. Para eliminar cambios a escala multi-milenaria durante los cortos estadíos de Groenlandia, a los registros de CO2 de Siple Dome y de temperatura isotópica se les ha eliminado la tendencia. D-O 9 (rosa en b) no es considerada una verdadera oscilación D-O por varios autores (ver texto). Fuente: Ahn, J. and Brook, E.J. 2014. Nature Communications 5, Article number: 3723.

Podemos concluir, de acuerdo a la evidencia disponible, que el CO2 no juega ningún papel en absoluto en estos cambios climáticos más frecuentes y abruptos de los que tenemos conocimiento, los ciclos D-O, y que los incrementos en el CO2 observados en la Antártida y asociados a los sucesos Heinrich parecen ser una consecuencia del calentamiento del Océano del Sur, y no una causa del calentamiento Antártico. Aún más, el incremento en CO2 durante los sucesos Heinrich (de unos 10-15 ppm) no parece alterar de forma significativa la velocidad o la magnitud del calentamiento durante la siguiente oscilación D-O (ver por ejemplo que DO4, figura 10, muestra similar calentamiento a las demás).

Aviso para despistados y demagogos: Estamos hablando de eventos climáticos ocurridos hace miles de años en los que los cambios no obedecían a las concentraciones de CO2 de aquella época, esta conclusión no tiene nada que ver con el calentamiento actual que obedece a un incremento en las concentraciones de CO2 de más  de 100 ppm respecto a los niveles previos. Pero ¡Ojo! que un cambio climático no tenga que ver con el CO2 no significa que el CO2 no pueda influir en otros cambios climáticos, máxime si estamos hablando de incrementos mucho mayores.