Cambio climático abrupto II

 Casquetes polares y glaciares

La última vez que no hubo presencia apreciable de hielo en el planeta fue hace 35 millones de años, durante un período en el que el dióxido de carbono (CO₂) atmosférico era de 1.250 ± 250 partes por millón en volumen (ppmV) y el nivel del mar estaba 73 metros (m) más alto que en la actualidad. Durante el último período interglacial (~120.000 años atrás), con niveles de CO₂ similares a los valores preindustriales y temperaturas de verano en el Ártico más cálidas que hoy, el nivel del mar estaba entre 4 y 6 m por encima del nivel actual. Se cree que la mayor parte de esa subida del nivel del mar (SLR) se originó en la capa de hielo de Groenlandia, aunque la tasa de subida de nivel del mar es desconocida.

El aumento del nivel del mar promedió entre 10 y 20 milímetros por año  durante los dos últimos períodos de desglaciación (130.000-116.000 años y 21.000-14.000 años, respectivamente), con grandes "flujos de agua de deshielo" en los que las tasas de SLR superaron los 50 mm/a y se mantuvieron durante varios siglos. Cada uno de estos flujos de agua de deshielo añadió a los océanos de 1.5 a 3 veces el volumen de la actual capa de hielo de Groenlandia (7 m). La causa, el origen de la capa de hielo y el mecanismo de estos flujos de agua de deshielo no se comprenden bien, pero la rápida pérdida de hielo debió de haber tenido un efecto en la circulación oceánica, provocando una alteración en el clima global.

Figura 1

La capa de hielo en Groenlandia y la Antártida tienen dos componentes: hielo grueso asentado en tierra firme, que descansa sobre un lecho más o menos sólido, y plataformas de hielo y lenguas de glaciar más delgadas que flotan. Una capa de hielo es, en realidad, un glaciar gigante, y al igual que la mayoría de los glaciares, se nutre de la acumulación continua de nieve en su superficie. A medida que se acumulan capas sucesivas de nieve, las capas inferiores se comprimen gradualmente hasta convertirse en hielo sólido. La entrada de nieve se equilibra con el flujo glaciar hacia el exterior, de modo que la altura de la capa de hielo permanece aproximadamente constante a lo largo del tiempo.

La gravedad impulsa el hielo a deslizarse y fluir cuesta abajo, desde los puntos más altos del interior hasta la costa. Allí, el hielo se derrite o se desprende en forma de icebergs, que eventualmente también se derriten, devolviendo el agua al océano de donde provino. El flujo del hielo en el interior se organiza en una serie de cuencas de drenaje separadas por divisores de hielo, que concentran el flujo en glaciares de descarga estrechos y delimitados por montañas o en corrientes de hielo rápidas, rodeadas de hielo de movimiento lento en lugar de paredes de roca.

En la Antártida, gran parte de este hielo en movimiento ha alcanzado la costa y se ha extendido sobre la superficie del océano para formar plataformas de hielo que flotan en el mar, pero están unidas al hielo en tierra firme. Existen plataformas de hielo a lo largo de más de la mitad de la costa de la Antártida, pero muy pocas en Groenlandia (Mapas y Gráficos de UNEP; K. Steffen, CIRES, Universidad de Colorado en Boulder).

La interacción de aguas oceánicas cálidas con la periferia de las grandes capas de hielo representa una de las posibilidades más significativas de cambio abrupto en el sistema climático. Las aguas oceánicas proporcionan una fuente de energía que puede generar altas tasas de fusión bajo las plataformas de hielo y en los glaciares que desembocan en el mar. La fragmentación de icebergs en los extremos de los glaciares es un mecanismo de pérdida de hielo y puede desestabilizar el frente de hielo. La pérdida de masa por derretimiento oceánico y fragmentación de icebergs representa más del 95% de la ablación en la Antártida y entre el 40% y 50% de la ablación en Groenlandia.

En la última década hemos visto evidencia, principalmente recopilada por sensores satelitales y aéreos, de que los cambios más evidentes en las capas de hielo han estado ocurriendo en su periferia. Algunos de estos cambios, como en el área del glaciar Pine Island, en la Antártida, se han atribuido al efecto del calentamiento de las aguas oceánicas en el margen de la capa de hielo 

Fusión Basal de las Plataformas de Hielo

Una respuesta no lineal de la fusión de las plataformas de hielo al incremento de temperaturas oceánicas es un principio central en el escenario de cambio climático abrupto derivado de la interacción océano–plataforma de hielo. Esta respuesta no lineal es un resultado teórico y computacional; las observaciones actuales son insuficientes para verificar esta conclusión. No obstante, la base de este resultado radica en que la tasa de fusión en la base de una plataforma de hielo es el producto de la carga térmica y la velocidad de las aguas oceánicas en la base. Cuanto mayor sea la carga térmica o la velocidad, mayor será la tasa de fusión. Una idea clave derivada de la investigación teórica y de modelado es que, al aumentar la temperatura del agua oceánica, también aumenta la flotabilidad de la corriente debajo de la plataforma de hielo, ya que el mayor derretimiento es provocado por las aguas más cálidas. Una corriente más flotante sube más rápido, causa mayor fusión y se vuelve aún más flotante. Este efecto de retroalimentación positiva es un mecanismo no lineal clave en la respuesta de la base de una plataforma de hielo al calentamiento de las aguas oceánicas.

La susceptibilidad de las plataformas de hielo a tasas de fusión elevadas y al colapso depende de la presencia de aguas cálidas que ingresen en las cavidades bajo las plataformas. La evidencia observacional indica que el océano se ha calentado en las últimas décadas, y que este calentamiento ha sido moderado (aproximadamente 0.5 °C a nivel global). Aunque este es un mecanismo para permitir la entrada de aguas más cálidas en una cavidad debajo de la plataforma de hielo, un mecanismo más eficiente para la fusión no es calentar las aguas oceánicas globales, sino redirigir aguas cálidas ya existentes del océano hacia las cavidades bajo las plataformas de hielo. La circulación oceánica es impulsada por los contrastes de densidad de las masas de agua y por la fuerza de los vientos en la superficie. Cambios sutiles en la fuerza de los vientos en superficie  pueden tener consecuencias importantes en la redistribución de las corrientes de agua cálida en los océanos polares. Un cambio en los patrones de viento (es decir, un proceso relativamente rápido) podría producir cambios significativos y rápidos en las temperaturas de las aguas oceánicas que llegan a las puertas de las plataformas de hielo.

Algunas consideraciones sobre glaciares 

En términos de volumen, los casquetes de hielo superan ampliamente al resto de glaciares. Si todo el hielo se derritiera, la subida equivalente del nivel del mar sería de 57 m por la Antártida y de 7 m por Groenlandia, pero solo de 0.5 m por el resto de glaciares. Del total antártico, alrededor de 7 m provendrían de la Antártida Occidental, que podría ser especialmente vulnerable a cambios abruptos.

El hielo en la superficie terrestre es un sólido blando porque está a, o no muy lejos de, su punto de fusión. Por lo tanto, se deforma fácilmente bajo presión, extendiéndose por su propio peso hasta alcanzar un equilibrio entre la ganancia de masa, principalmente por nevadas, en el interior frío o partes superiores del glaciar, y la pérdida de masa en las partes bajas por derretimiento o, a nivel del mar, por la fragmentación de icebergs. El glaciar puede, sin embargo, seguir extendiéndose cuando llega al nivel del mar y, en este caso, desarrolla una lengua flotante o, cuando intervienen varios glaciares, una plataforma de hielo de soporte, cuyo peso es sostenido no por la Tierra sólida, sino por el océano. Un glaciar que alcanza el nivel del mar se denomina glaciar de marea.

Las plataformas de hielo, que se encuentran mayormente en la Antártida, tienen típicamente unos cientos de metros de espesor y no deben confundirse con el hielo marino, que tiene solo unos pocos metros de espesor. Son una parte crítica del sistema porque pueden perder masa no solo por fusión en sus superficies y por fragmentación, sino también por fusión en sus bases. Un aumento de la fusión basal, debido por ejemplo a la llegada de agua de mar más cálida, puede “tirar” de más hielo a través de la línea de asentamiento.

La línea de asentamiento separa el hielo que descansa sobre la tierra firme del hielo flotante de la plataforma o lengua de hielo. Es también el punto en el que el hielo contribuye al cambio en el nivel del mar. Cuando comienza a flotar, desplaza agua de mar, independientemente de si se convierte o no en un iceberg.

Las plataformas de hielo tienen otro rol crucial, ya que parecen ser térmicamente inestables: no hay plataformas de hielo donde la temperatura promedio anual sea superior a unos -5 °C. Recientemente, varias plataformas de hielo "cálidas" han colapsado de forma dramática, y su desintegración ha sido seguida por una aceleración igualmente dramática de los glaciares tributarios a través de lo que una vez fue la línea de asentamiento, donde el hielo asentado se fragmenta directamente en el océano a una tasa mucho mayor que antes de la ruptura de la plataforma de hielo.

Las corrientes de hielo son flujos rápidos de hielo rodeados de hielo de movimiento más lento, y constituyen el principal medio por el cual el hielo se evacua desde el interior de las capas de hielo y llega a las grandes plataformas de hielo. 

Cambio climático abrupto I

Definición de Cambio Climático Abrupto

¿Qué se entiende por cambio climático abrupto? Existen varias definiciones, con diferencias sutiles pero importantes. Se define el cambio climático abrupto como “una transición persistente del clima (a escala subcontinental) que ocurre en una escala temporal de décadas”. Existen otras dos definiciones. Una definición mecanicista define el cambio climático abrupto como aquel que ocurre cuando “el sistema climático se ve forzado a cruzar un umbral, lo que desencadena una transición a un nuevo estado a una velocidad determinada por el propio sistema climático y más rápida que la causa”. Esta definición implica que los cambios climáticos abruptos involucran un umbral o retroalimentación no lineal dentro del sistema climático de un estado estable a otro, pero no se restringe a una escala temporal corta (1-100 años) que tiene claras implicaciones sociales y ecológicas. Otra definición  basada en los impactos del cambio climático abrupto como “aquel que ocurre tan rápida e inesperadamente que los sistemas humanos o naturales que estos encuentran dificultades para adaptarse a él”. Finalmente, se definió el cambio climático abrupto como “una transición en el sistema climático cuya duración es rápida en relación con la duración del estado anterior o posterior”. Al igual que la definición mecanicista, esta definición trasciende muchas escalas temporales posibles e incluye diversos comportamientos del sistema climático que tendrían poco o ningún impacto negativo en los sistemas humanos (económicos, sociales) y en los ecosistemas.

Para este post, se han modificado y combinado estas definiciones en una que enfatiza tanto la escala temporal corta como el impacto en los ecosistemas. En lo que sigue, se define el cambio climático abrupto como:

Un cambio a gran escala en el sistema climático que ocurre en unas pocas décadas o menos, que persiste (o se anticipa que persista) durante al menos algunas décadas y que causa interrupciones sustanciales en los sistemas humanos y naturales.

A continuación se desglosa el sistema climático en algunos de sus componentes de cara a evaluar las posibilidades de que produzcan o contribuyan a un cambio climático brusco.

Cambio abrupto en el nivel del mar

Las capas de hielo de Groenlandia y la Antártida están perdiendo masa, probablemente a una tasa acelerada. Gran parte de la pérdida en Groenlandia se debe al aumento del derretimiento en verano a medida que suben las temperaturas, pero una proporción creciente de la pérdida de masa combinada se debe al aumento en la descarga de hielo desde los márgenes de las capas de hielo, lo cual indica que las respuestas dinámicas al calentamiento podrían desempeñar un papel mucho mayor en el futuro equilibrio de masa de las capas de hielo de lo que se había considerado previamente. La interacción de aguas cálidas con la periferia de las capas de hielo es muy probablemente uno de los mecanismos más significativos para desencadenar un aumento abrupto del nivel del mar global. Las regiones potencialmente sensibles a cambios rápidos en el volumen de hielo son, por lo tanto, aquellas masas de hielo situadas por debajo del nivel del mar, como la capa de hielo de la Antártida Occidental o grandes glaciares en Groenlandia, como el Jakobshavn Isbræ, que tiene un canal profundamente hundido (canal por debajo del nivel del mar),  que se extiende lejos tierra adentro. 

 

Figura 1. Los datos de los satélites GRACE de la NASA muestran que las capas de hielo terrestre en la Antártida (gráfico superior) y Groenlandia (gráfico inferior) han estado perdiendo masa desde 2002.(datos en Gigatoneladas).

Las capas de hielo de Groenlandia y la Antártida almacenan aproximadamente dos tercios de toda el agua dulce de la Tierra. Están perdiendo hielo debido al calentamiento continuo de la superficie y los océanos de la Tierra. El agua de deshielo proveniente de estas capas de hielo es responsable de aproximadamente un tercio del aumento promedio global del nivel del mar desde 1993.

Imagen de NASA Vital Signs

 Figura 2. El aumento del nivel del mar se debe principalmente a dos factores relacionados con el calentamiento global: el agua adicional proveniente del derretimiento de las capas de hielo y los glaciares, y la expansión del agua de mar a medida que se calienta. El primer gráfico muestra el cambio en el nivel global del mar desde 1993, según las observaciones de satélites.

El segundo gráfico, basado en datos de mareógrafos costeros y satélites, muestra cuánto cambió el nivel del mar aproximadamente desde 1900 hasta 2018. Los elementos con signos más (+) representan factores que hacen que el nivel global del mar aumente, mientras que los signos menos (-) indican factores que causan su disminución. Estos factores se muestran en el momento en que estaban afectando el nivel del mar.

NASA Vital Signs

Sequía en Norteamérica

El registro paleoclimático revela cambios dramáticos en el hidroclima de América del Norte durante el último milenio que no estuvieron asociados con cambios en los gases de efecto invernadero ni con el calentamiento global inducido por el ser humano. En consecuencia, una implicación importante de estos resultados es que, dado que estas megasequías ocurrieron en condiciones no muy distintas a las actuales, Estados Unidos aún podría entrar en un estado prolongado de sequía, incluso en ausencia de un aumento en la presión de gases de efecto invernadero.

En respuesta al aumento de la concentración de gases de efecto invernadero, se proyecta que las regiones semiáridas del suroeste de Estados Unidos se sequen en el siglo XXI, con los resultados de modelos que sugieren, si son correctos, que la transición podría ya estar en marcha. La sequedad en el suroeste es motivo de gran preocupación porque los recursos hídricos en esta región ya están al límite; el desarrollo de nuevos recursos será extremadamente difícil, y la población (y, por ende, la demanda de agua) continúa creciendo rápidamente. Se espera que otras regiones subtropicales del mundo también se sequen en un futuro cercano, convirtiendo esta característica del cambio hidroclimático global en un asunto internacional con posibles impactos en la migración y la estabilidad social. Las Grandes Llanuras del medio oeste de Estados Unidos también podrían experimentar cambios en el suministro de agua, afectando las prácticas agrícolas, las exportaciones de granos y la producción de biocombustibles.

Cambio abrupto en la AMOC (Atlantic Meridional Overturning Circulation)  Corriente del Golfo.

Es muy probable que la intensidad de la Circulación Meridional de Vuelco del Atlántico (AMOC, por sus siglas en inglés) disminuya a lo largo del siglo XXI. En los modelos donde la AMOC se debilita, aún ocurre calentamiento en Europa aguas abajo debido al forzamiento radiativo asociado al incremento de gases de efecto invernadero. Ningún modelo, bajo estimaciones plausibles de forzamiento futuro, muestra un colapso abrupto de la MOC (circulación de vuelco meridional) durante el siglo XXI, incluso al considerar estimaciones de aceleración en el derretimiento de la capa de hielo de Groenlandia. Es muy improbable que la AMOC se debilite o colapse abruptamente durante el transcurso del siglo XXI. Basándonos en simulaciones de modelos disponibles, análisis de sensibilidad, estimaciones de tasas máximas de derretimiento de la capa de hielo de Groenlandia y nuestra comprensión de los mecanismos de cambio climático abrupto a partir del registro paleoclimático, se concluye además que es improbable que la AMOC colapse más allá de finales del siglo XXI como consecuencia del calentamiento global, aunque no se puede excluir completamente esta posibilidad. (hay estudios posteriores bastante menos tranquilizadores) enlaces

Las conclusiones anteriores dependen de la comprensión del sistema climático y de la capacidad de los modelos actuales para simular dicho sistema. Un colapso abrupto de la AMOC en el siglo XXI requeriría una sensibilidad de la AMOC al forzamiento mucho mayor de lo que sugieren los modelos actuales o un forzamiento que supere ampliamente incluso las proyecciones más agresivas (como un derretimiento extremadamente rápido de la capa de hielo de Groenlandia). Aunque consideramos ambas posibilidades como muy poco probables, no podemos descartarlas por completo. Además, aunque un colapso de la AMOC sea muy improbable, los grandes impactos climáticos de un evento de este tipo, junto con los importantes efectos climáticos que incluso las fluctuaciones de la AMOC a escala decenal pueden inducir, justifican un fuerte esfuerzo de investigación para desarrollar observaciones, comprensión y modelos necesarios para predecir con mayor confianza la evolución futura de la AMOC.

Cambio abrupto en la concentración atmosférica de Metano

La posibilidad de una liberación catastrófica de metano a la atmósfera como resultado del cambio climático antropogénico parece muy improbable. Sin embargo, el carbono almacenado como metano en los hidratos y como metano potencial en los depósitos de carbono orgánico de los suelos de humedales del norte (y tropicales) probablemente jugará un papel en el cambio climático futuro. Los cambios en el clima, que incluyen temperaturas más cálidas y mayor precipitación en algunas regiones, particularmente en el Ártico, muy probablemente aumentarán gradualmente las emisiones de metano tanto de los hidratos que se derriten como de los humedales naturales. La magnitud de este efecto aún no se puede predecir con gran precisión, pero probablemente será al menos equivalente a la magnitud actual de muchas fuentes antropogénicas.

 

Figura 3. El metano (CH₄) es un potente gas de efecto invernadero y el segundo mayor contribuyente al calentamiento climático después del dióxido de carbono (CO₂). Una molécula de metano retiene más calor que una molécula de CO₂, pero el metano tiene una vida relativamente corta en la atmósfera, de 7 a 12 años, mientras que el CO₂ puede persistir cientos de años o más.

El metano proviene tanto de fuentes naturales como de actividades humanas. Se estima que el 60% de las emisiones actuales de metano son resultado de actividades humanas. Las mayores fuentes de metano son la agricultura, los combustibles fósiles y la descomposición de residuos en vertederos. Los procesos naturales representan el 40% de las emisiones de metano, siendo los humedales la mayor fuente natural. .

La concentración de metano en la atmósfera se ha más que duplicado en los últimos 200 años. Los científicos estiman que este aumento es responsable del 20 al 30% del calentamiento climático desde la Revolución Industrial (que comenzó en 1750).

NASA Vital Signs

 

Figura 4. Este gráfico muestra el cambio en la temperatura de la superficie global en comparación con el promedio a largo plazo de 1951 a 1980. La temperatura promedio de la superficie de la Tierra en 2023 fue la más cálida registrada desde que se comenzaron a recopilar datos en 1880 (fuente: NASA/GISS). El análisis de NASA coincide en gran medida con los análisis independientes realizados por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) y otros grupos de investigación. En general, la Tierra estuvo aproximadamente  1.36 grados Celsius más cálida en 2023 que en el promedio preindustrial de fines del siglo XIX (1850-1900). Los 10 años más recientes son los más cálidos registrados. Las variaciones a corto plazo se suavizan utilizando un promedio móvil de 5 años para que las tendencias sean más visibles en esta imagen.

NASA Vital Signs