Climate Change by Yadira Milagros Alicia URCOS BALDEON

Ciencia del Cambio Climático: Una Síntesis Moderna Volumen 1- El Clima Físico

Ciencia del Cambio ClimĂĄtico: Una SĂntesis Moderna

PROBABLEMENTE LA IMAGEN MÁS COPIADA DE TODO EL TIEMPO TOMADO POR APOLO 17 (ASTRONAUTAS) A MITAD DE CAMINO ENTRE LA LUNA Y LA TIERRA Y EL ÚLTIMO TOMADO POR EL HOMBRE DEL ESPACIO EXTERIOR A PARTIR DE Junio 2012

G. Thomas Farmer • John Cook

Ciencia del Cambio Climático: Una Síntesis Moderna Volumen 1 – El Clima Físico

G. Thomas Farmer Farmer Enterprises Las Cruces, NM, USA

John Cook School of Psychology The University of Queensland St Lucia, QLD, Australia

ISBN 978-94-007-5756-1 ISBN 978-94-007-5757-8 (eBook) DOI 10.1007/978-94-007-5757-8 Springer Dordrecht Heidelberg New York London Número de control de la Biblioteca del Congreso: 2012956285 © Springer Science+Business Media Dordrecht 2013 Esta obra está sujeta a derechos de autor. El editor se reserva todos los derechos, ya sea que se trate de todo o parte del material, específicamente los derechos de traducción, reimpresión, reutilización de ilustraciones, recitación, difusión, reproducción en microfilms o de cualquier otra forma física, y transmisión o almacenamiento de información y recuperación, adaptación electrónica, software de computadora, o por una metodología similar o diferente ahora conocida o desarrollada en el futuro. Exentos de esta reserva legal se encuentran breves extractos relacionados con revisiones o análisis académicos o material suministrado específicamente con el propósito de ser ingresado y ejecutado en un sistema informático, para uso exclusivo del comprador del trabajo. La duplicación de esta publicación o partes de ella está permitida solo bajo las disposiciones de la Ley de Derechos de Autor de la ubicación del Editor, en su versión actual, y siempre se debe obtener el permiso de uso de Springer. Los permisos de uso se pueden obtener a través de RightsLink en el Centro de autorización de derechos de autor. Las infracciones están sujetas a enjuiciamiento conforme a la Ley de derechos de autor correspondiente. El uso de nombres descriptivos generales, nombres registrados, marcas comerciales, marcas de servicio, etc. en esta publicación no implica, incluso en ausencia de una declaración específica, que dichos nombres estén exentos de las leyes y reglamentos de protección relevantes y, por lo tanto, sean gratuitos utilizar. Si bien los consejos e información en este libro se consideran verdaderos y precisos en la fecha de publicación, ni los autores ni los editores ni el editor pueden aceptar ninguna responsabilidad legal por los errores u omisiones que puedan realizarse. El editor no ofrece ninguna garantía, expresa o implícita, con respecto al material contenido en este documento. Impreso en papel sin ácido Springer es parte de Springer Science+Business Media (www.springer.com)

QuĂŠ inapropiado llamar a este planeta Tierra cuando claramente es OcĂŠano Arthur C. Clark

Prefacio

Este libro de texto, Ciencia del cambio climático: una síntesis moderna, Volumen I: El clima físico, está destinado al estudiante universitario introductorio de ciencias que tal vez no haya tenido un curso de ciencias desde la escuela secundaria o preparatoria. También está destinado a servir como un libro de texto más avanzado para los estudiantes que han tenido un curso de ciencias básicas en astronomía, geología, biología, física o química y que desean comprender mejor el clima de la Tierra, cómo se ha desarrollado el clima de la Tierra, qué lo afecta, y cómo puede cambiar en el futuro. Sin embargo, no presume antecedentes en ninguna de las ciencias. Los conceptos científicos básicos se introducen y explican a medida que se hacen necesarios para comprender el tema actual. Constituye el Volumen I de un tratamiento de dos libros de texto sobre la ciencia del cambio climático diseñado para un curso introductorio de ciencias de 1 año. Este volumen trata los aspectos físicos de la ciencia del cambio climático y está destinado a un curso introductorio de ciencias de un semestre o un cuarto. El Volumen II enfatiza los aspectos históricos del cambio climático y la ciencia de la Tierra. Cada volumen es un tratamiento independiente de la ciencia del cambio climático, el Volumen I enfatiza las porciones físicas y químicas de la ciencia, mientras que el Volumen II enfatiza la evolución y los aspectos históricos de la ciencia. Cada volumen presenta argumentos de cambio climático, escépticos y negadores del calentamiento global y la evidencia científica que refuta o respalda cada argumento. Los últimos dos capítulos de este texto discuten la negación frente a la abrumadora evidencia científica.

Ninguno de los dos volúmenes asume una universidad previa o un curso preparatorio en ciencias o matemáticas, pero asumen un interés en el mundo que nos rodea. La ciencia necesaria se introduce en el contexto del tema en evolución en el texto. La matemática se mantiene al mínimo en cada volumen y una comprensión del álgebra de la escuela preparatoria debería ser suficiente para abordar las matemáticas de la mayoría de los conceptos de ciencias climáticas contenidos en este documento. Las lecturas adicionales para cada capítulo contienen material matemático cuando corresponde. Este volumen también servirá como un libro de texto universitario básico al comenzar la ciencia de la Tierra para los estudiantes que desean comprender de qué se trata la ciencia climática moderna y si la Tierra se está calentando a un nivel peligroso como algunos dicen. Hay otros que dicen que el calentamiento global es un "engaño" y se han planteado preguntas sobre la legitimidad de la ciencia del clima y aquellos que la practican. vii

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Prefacio

Esperemos que este libro proporcione los antecedentes necesarios para los estudiantes que desean comprender y apreciar las complejidades y problemas de la ciencia del cambio climático y el clima de la Tierra y de aquellos científicos que intentan comprenderlos y explicarlos. Habrá discusiones sobre la naturaleza legítima de la ciencia climática, su estado actual, algunos de los problemas que los científicos climáticos han tenido que enfrentar y qué ciencia climática puede contribuir al futuro de la humanidad en el planeta Tierra. La ciencia del clima está lejos de ser un engaño, pero todavía hay preguntas sin respuesta, ya que esa es la naturaleza de la ciencia en general. La ciencia del clima difícilmente sería una ciencia si todas las preguntas ya hubieran sido respondidas. Pero la ciencia del cambio climático es una rama legítima de la ciencia que se ocupa de una Tierra que está siendo muy impactada y, por lo tanto, muy cambiada por la humanidad. Como en todos los aspectos de la ciencia, existe una búsqueda inherente de la verdad. Los dos últimos capítulos de este texto tratan los conceptos de negación en relación con la ciencia del clima y los científicos del clima. La mayoría de los científicos son pensadores bien educados y libres que intentan mantener sus mentes despejadas de prejuicios; pero por naturaleza humana esto no siempre es posible hacerlo. Sin embargo, es absurdo pensar que los miles de climatólogos de todo el mundo han acordado defraudar al público para que crea una afirmación falsa; es decir, que la Tierra se está calentando! La verdad es que la Tierra se está calentando y los científicos están y han estado reuniendo hechos y reportando la verdad, o lo más cerca posible de ella. No hay colusión entre los científicos del clima como algunos han afirmado. Quienes intentan negar el calentamiento global no son principalmente científicos del clima, sino algo más; presentadores de programas de entrevistas, reporteros del clima, políticos y personalidades de derecha, fanáticos anti-ciencia, etc. Este libro de texto proporciona la evidencia física del cambio climático y el calentamiento global y es una síntesis del conocimiento actual sobre el cambio climático. Hay partes (Partes IX y X) en este volumen que presentan las ideas de escépticos y negadores y la evidencia científica que refuta o confirma sus afirmaciones. También hay material que se refiere a la desacreditación de los mitos y hay muchos mitos relacionados con la ciencia en general y la ciencia del cambio climático en particular. La mayoría de los científicos son realistas y su principal preocupación es el mejor futuro para la humanidad en este planeta. Es la razón principal por la que la mayoría de ellos se convirtieron en científicos. El principal impulsor del esfuerzo científico es avanzar en el conocimiento humano y hacer de la Tierra un lugar más agradable, o al menos un lugar mejor; un lugar mejor entendido para que las futuras generaciones vivan. Los científicos y otros pueden diferir sobre su definición de "mejor", pero la mayoría quiere mejorar la Tierra y la sociedad humana. La mayoría de los científicos están entusiasmados con su ciencia y esperan poder transmitir esa emoción a los estudiantes que enseñan o para quienes escriben. Los científicos se encuentran entre los miembros mejor educados de la sociedad y ahora es un buen momento para ser científicos porque el conocimiento se está expandiendo astronómicamente, a pasos agigantados. El nuevo conocimiento siempre es emocionante en el principal campo de interés de uno, pero lo que se está descubriendo hoy sobre la Tierra y su clima es realmente sorprendente. Se están enviando nuevos satélites al espacio y a la órbita de la Tierra para monitorear el clima de la Tierra de formas nunca antes imaginadas o pensadas posibles. Los científicos están aprendiendo cada vez más sobre los climas pasados de otros planetas, así como sobre el de la Tierra. Otros vehículos espaciales están explorando otras partes del Universo y el hombre se está preparando para explorar otros planetas.

Prefacio

En las décadas de 1960 y 1970, las ciencias de la Tierra experimentaron un cambio que se ha descrito como un cambio de paradigma. Se estaba adquiriendo nueva información de las cuencas oceánicas con respecto a sus edades y características y se estaban desarrollando nuevos métodos de exploración, muestreo y análisis. Los científicos habían comenzado a obtener núcleos de hielo de la Antártida, Groenlandia y algunos de los glaciares en las zonas montañosas del mundo. Su análisis comenzaba a producir nueva información importante sobre los cambios climáticos pasados; los cambios más recientes que tuvieron lugar en la Tierra durante los últimos 850,000 años. Los núcleos de hielo nos han llevado a unos 850,000 años atrás, cuando la Tierra no era tan diferente de lo que es ahora. Los continentes estaban aproximadamente donde están hoy y el clima no era muy diferente. Pero algo sucedió hace unos 700,000 años y la Tierra se enfrió para comenzar ciclos de expansión y luego retirada de las capas de hielo de tamaño continental que cubrían vastas áreas de América del Norte y del Sur, Asia y Europa (Eurasia). Las capas de hielo, incluidos los glaciares, también se expandieron en montañas como los Alpes, los Andes, el Himalaya y las Rocosas. Las razones de estos ciclos se consideran en este texto, así como la evidencia que permitió a los científicos llegar a la conclusión de que el hielo glacial había sido mucho más extenso en el pasado de lo que es hoy. En el lapso de unos pocos cientos de miles de años, el clima de la Tierra ha sufrido cambios radicales y los núcleos de hielo han permitido a los científicos aprender mucho sobre la "Edad de Hielo" y sus causas. Se verá que la Tierra ha experimentado varias "edades de hielo" y la última es la que más conocemos. El principal cambio de paradigma en las ciencias de la Tierra se ha denominado Plate Tectonics, que se introduce en este volumen pero se trata ampliamente en el Volumen II. Representa un cambio de paradigma legítimo; pero los cambios monumentales que tienen lugar en el conocimiento de la Tierra implican más que placas litosféricas, sus configuraciones, límites y sus movimientos. El cambio de paradigma de la ciencia de la Tierra se ha ampliado y ahora también implica cambios en la interpretación del clima de la Tierra; las interacciones entre la atmósfera, la biosfera, la litosfera, la astenosfera y la anrosfera; así como la evolución del clima de la Tierra a través del tiempo, conocida como paleoclimatología. El conocimiento de los científicos sobre la ciencia del cambio climático, así como el concepto moderno de la tectónica de placas, constituyen cambios de paradigma. Si los humanos pueden entender los climas del pasado, quizás podamos entender mejor cuál será el clima del futuro y la humanidad podría mitigar algunos de los problemas que seguramente ocurrirán en muchos escenarios futuros del clima del Planeta Tierra. Algunos científicos tendrán la suerte de influir positivamente en unos pocos estudiantes o colegas. Algunos podrán llegar a muchos más mediante publicación o presentación en el aula o en el circuito de conferencias. Y muy pocos alcanzarán el pináculo de su profesión sobresaliendo en todos los niveles. Este trabajo intentará transmitir a los lectores de este texto parte de la emoción de los escritores sobre la Tierra y su clima y, con suerte, extenderá su conocimiento de la Tierra y su potencial para permitirnos vivir, trabajar, jugar y aprender sobre sus muchos misterios Quizás podamos descifrar sus pistas y características, y así llegar a soluciones a muchos de sus problemas. Este libro está escrito para estudiantes que buscan equilibrar su educación con un curso de ciencias básicas. Y también está escrito para los instructores que les enseñan.

Prefacio

Aquí hay suficiente material tanto para los que quieren aceptar el desafío como para comprender mejor la Tierra y su clima. Que el planeta se está calentando es inequívoco. Los científicos del cambio climático han ido mucho más allá del simple concepto del calentamiento global y ahora están intentando idear formas en que los humanos puedan hacer frente a las temperaturas cada vez mayores y sus efectos. Si los científicos pueden desentrañar y documentar los hechos intrincados del clima de nuestro mundo y comprender mejor las ramificaciones del calentamiento global, mayores serán las posibilidades de que la humanidad pueda sobrevivir en los años y siglos venideros. Hay un llamado urgente para comprender el clima y hacer todo lo posible para mitigar su calentamiento y se espera que estos textos ayuden. La ciencia del cambio climático se ha convertido en una rama diferente de la ciencia de la ciencia climática, que los climatólogos han practicado a lo largo de los años. Los climatólogos siempre han sido conscientes de que el clima puede cambiar y puede calentarse o enfriarse, por lo general tarda cientos y posiblemente miles de años en hacer un cambio importante. Los científicos y otros han sabido sobre la edad de hielo más reciente durante alrededor de 200 años o más. Ahora sabemos acerca de las edades de hielo que tuvieron lugar aún más atrás en el tiempo, hasta 700 millones de años. Algunos han dicho que nos dirigimos a otra era de hielo y tal vez lo estaríamos si el calentamiento global no estuviera ocurriendo. Los humanos han estado afectando negativamente el clima de la Tierra durante al menos 8,000 años, comenzando con la agricultura y la desaparición de la etapa de cazadores-recolectores de la historia humana. Los científicos del cambio climático son una raza relativamente nueva de científicos con experiencia en historia de la Tierra, geología, geografía, biología, oceanografía, astronomía, matemáticas, física, química, ingeniería, y son capaces de hacer malabarismos con las multitareas a gran velocidad gracias principalmente a los avances en informática e ingeniería. La ciencia del clima está cambiando rápidamente ahora y los científicos del cambio climático deben seguir el ritmo de estos rápidos cambios. Los científicos del cambio climático manejan cantidades masivas de datos durante períodos de tiempo relativamente largos y pueden ver tendencias significativas reveladas por los análisis de estos datos. Las más obvias son las tendencias en las temperaturas, los cambios en el nivel del mar, los cambios en el volumen de los glaciares y su aumento y disminución, los cambios en la circulación atmosférica y oceánica, la configuración de los continentes y sus ubicaciones sobre la superficie de la Tierra, las tendencias en las cantidades de energía recibidas y distribuidas por Procesos de la Tierra, etc. Las tendencias se revelan después de reunir y analizar estos datos con métodos analíticos desarrollados durante muchos años y acordados por grupos internacionales de científicos. Estos métodos y resultados se analizan en las páginas siguientes. En los últimos dos siglos, la humanidad ha vertido una increíble cantidad de carbono y dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera por la quema de combustibles fósiles. Los humanos agregaron otros 110 mil millones de toneladas a través de la deforestación y los cambios en el uso de la tierra. Las actividades de la humanidad desde el comienzo de la Revolución Industrial a mediados del siglo XVIII han tenido y siguen teniendo un impacto tremendo y negativo en la tierra, el océano, la atmósfera, la biota y la salud humana de la Tierra. La atmósfera pesa alrededor de 5 billones de toneladas, y el dióxido de carbono, a pesar de las emisiones humanas, sigue siendo un pequeño componente de eso. Pero crece cada día más. La Agencia Internacional de Energía (AIE) espera que las emisiones anuales globales de CO2 de

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los combustibles fósiles solo superen los 40 mil millones de toneladas agregadas a la atmósfera cada año para 2030. No es que los humanos se asfixien directamente con el CO2 adicional, sino que causará un aumento en la temperatura de la Tierra en un grado que hará que el planeta sea demasiado caliente para que los humanos vivan sobre él o en él. El CO2 no es tóxico a niveles en el futuro previsible para la atmósfera, pero su papel como gas de efecto invernadero es una preocupación en los niveles observados en las últimas décadas. Esta preocupación se trata en las siguientes páginas. El cambio climático es real, se está reflejando hoy en cambios importantes en los patrones climáticos en todo el mundo, y los científicos del cambio climático están trabajando con estos cambios para encontrar causas y formas de lidiar con ellos. Los ciudadanos modernos del mundo necesitan familiarizarse mejor con los cambios climáticos que están ocurriendo y se espera que las palabras que siguen ayuden. Internet se ha utilizado ampliamente en la redacción de este trabajo. Los sitios web se enumeran a lo largo de estos textos y contienen información adicional sobre el tema en consideración. Los autores recomiendan encarecidamente que se visiten estos o sitios similares para obtener información adicional cuando se desee o se necesite. Internet es un recurso increíble para obtener información, pero debe usarse con cuidado y discriminación. Hay mucha “misinformation” (y “disinformation”) en la web y uno debe ser capaz de reconocerla cuando se encuentra y poder separar lo malo de lo bueno. Se espera que estos textos ayuden en esta discriminación. A continuación se da una cronología de algunos de los principales eventos en el desarrollo reciente de la ciencia moderna del cambio climático a partir de 1965 con el trabajo de Manabe y Wetherald, quienes construyeron el primer modelo integral del sistema climático de la Tierra.

Rass ol y Sch neid er mod elan los efect Fig. 1 Cronología para el desarrollo de la ciencia moderna del cambio climático desde 1965 hasta os consultado el 5/11/2012) 2010 (de SkepticalScience.com, de enfri El hielo, el océano y los proxies terrestres muestran los paleoclimas

Manabe y Wetherald construyen el primer modelo de todo el clima de la Tierra, primero en describir la convección

Rassol y Schneider modelan los efectos de enfriamiento de los aerosoles, que lanza la especulación global

Wigley y Jones proyectan calentamiento detectable de CO2 para el año 2000

Hansen predice un mayor calentamiento; testifica ante el congreso

2000-2012 contiene cinco años más cálidos en conjuntos de temperatura global

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El siguiente texto está destinado a ser utilizado en cursos introductorios de ciencias. Introduce conceptos comunes a todas las ciencias e incluye una introducción al método científico, algunas geologías, química, física y astronomía y otras materias como estadística, filosofía y meteorología necesarias para comprender la ciencia del cambio climático. : El Volumen I del libro de texto se divide en las Partes I – XI. Cada parte se enumera de la siguiente manera: Parte I - Principios científicos y método científico Parte II - Descripción general de la ciencia del cambio climático Parte III - Atmósfera de la Tierra Parte IV - El océano mundial y el clima Parte V - La criosfera de la Tierra y la historia climática reciente Parte VI - La tierra y sus climas Parte VII - Modelos climáticos Parte VIII - Climas del pasado (paleoclimatología) Parte IX - Climas futuros y mitigación Parte X - Comprender la negación del cambio climático Parte XI - Declaraciones específicas contra la ciencia del clima y los científicos del clima También hay apéndices que servirán de referencia para partes del texto, una lista de abreviaturas utilizadas en el texto y un glosario de términos de cambio climático. El libro puede servir como una introducción a los estudiantes de ciencias de la Tierra, ciencias del clima, ciencias ambientales, geología y ciencias generales. También se puede usar en cursos de Colocación Avanzada en ciencias de la Tierra para escuelas preparatorias universitarias. Es un libro de texto para estudiantes introductorios de ciencias en cualquier nivel. El texto está escrito con la premisa básica de permitir al instructor la máxima flexibilidad en la enseñanza del curso introductorio de ciencias. Permite al instructor y al estudiante introductorio de ciencias construir sobre una base sólida de información científica e introductoria. Algunos capítulos comienzan con una cita apropiada relacionada con el material de ese capítulo. Una lista de términos y temas ("Cosas que debe saber") que el estudiante debe tener en cuenta al leer el capítulo sigue a la cita o comienza el capítulo. Algunos capítulos tienen secciones que contienen material avanzado pertinente al tema de ese capítulo y el instructor puede optar por asignar el material o no. El instructor puede elegir qué materiales enfatizar en cada capítulo, cambiar la secuencia del material cubierto en el texto o agregar material adicional. Se ha intentado que cada capítulo sea independiente y no dependa del capítulo anterior. El texto comienza con una introducción a los principios científicos básicos utilizados en todas las ciencias, como los métodos científicos, las leyes de la termodinámica, la recopilación e interpretación de datos, algunos de los gigantes de la ciencia y sus contribuciones, algunos seleccionados científicos del cambio climático y sus contribuciones, las leyes de movimiento de Newton, etc. A la introducción le sigue una serie de capítulos sobre los principales aspectos del cambio climático y sus efectos e interacciones con la atmósfera, el Océano Mundial, los glaciares y la tierra. Modelar el clima (PARTE VII, Capítulo 18) es un capítulo separado

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al igual que una sección sobre climas pasados y argumentos específicos de escépticos y negadores del cambio climático. Los términos que se encuentran en el Glosario o que se dan para enfatizar se definen cuando se presentan por primera vez. Este volumen, El clima físico, está escrito con el mejor interés del estudiante en mente. Se espera que haya condensado un tema difícil y multifacético (cambio climático) y lo haya hecho un poco más fácil de entender. El intento es una síntesis de la ciencia moderna del cambio climático y los principios utilizados para comprenderlo, y se espera que el lector obtenga una mejor comprensión del mundo que nos rodea y la necesidad de conservar sus recursos. G. Thomas Farmer John Cook

Agradecimientos

Los autores actuales del libro de texto (Volumen I) se han basado en gran medida en los siguientes individuos, trabajos y sitios web: • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

The American Physics Institute web pages by Spencer Weart The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) The United States National Academies of Science (NAS) The United States National Research Council (NRC) White House Council of Environmental Quality (CEQ) SkepticalScience.com Science-Skeptic.com RealClimate.org WhatsUp.com U.S. National Aeronautics and Space Administration/Goddard Institute of Space Studies (NASA/GISS) U.S. National Aeronautics and Space Administration (NASA) Earth Observations U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) U.S. Environmental Protection Agency (EPA) United States Geological Survey (USGS) Google.com U.S. National Climate Data Center (NCDC) U.S. National Weather Service U.S. National Environmental Satellite, Data, and Information Service U.S. National Oceanic Data Center NOAA Office of Atmospheric Research U.S. Department of Energy U.S. National Regional Center for Atmospheric Research (NCAR) Australian Bureau of Meteorology U.S. Group for High Resolution Sea Surface Temperatures (GHRSST) Henry Pollack, “A World Without Ice” Richard Alley, “Earth: The Operator’s Manual” xv

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Agradecimientos

Oreskes and Conway, “Merchants of Doubt” The American Meteorological Society Wikipedia, The Free Encyclopedia HotTopic.com TheClimateShow.com Thomas L. Friedman’s “Hot, Flat, and Crowded” Wendy Cook Donna Farmer Steven Farmer

Parte I

Principios Científicos y el Método Científico

Para un científico paciente, el misterio del invernadero en desarrollo es mucho más emocionante que la trama de la mejor novela de misterio. Pero es una lectura lenta, con nuevas pistas que a veces no aparecen durante varios años. La impaciencia aumenta cuando uno se da cuenta de que no es el destino de algún personaje ficticio, sino de nuestro planeta y especie, lo que pende de un hilo a medida que el gran misterio del carbono se desarrolla a un ritmo aparentemente glacial. — D. Schindler

Capítulo 1

Introducción

1.1 Introducción al Calentamiento Global El calentamiento global implica un cambio de temperatura en el planeta Tierra. La temperatura está subiendo gradualmente para que la persona promedio no la sienta. Sin embargo, existen líneas indirectas de evidencia de que la persona promedio puede ver y sentir. El aumento de los patrones de tiempo inusuales informados por los medios de comunicación casi todos los días indican el cambio climático. Más alimentos en partes del mundo y sequías más intensas en otros indican cambio climático. Los incendios que arden en algunas áreas y las nevadas inusuales en otras indican el cambio climático. Una temporada de tornados intensos y huracanes más intensos indica más energía en la atmósfera y ese es el cambio climático. A medida que aumenta la temperatura global de la Tierra, las tasas de evaporación también aumentan colocando más agua en la atmósfera. Más evaporación seca la tierra, los suelos, los bosques y toma más agua del océano. Todos son signos de un clima cambiante. Un calentamiento de la Tierra es el cambio climático y está afectando la vida cotidiana en todo el mundo. Por lo tanto, el "calentamiento global" se utiliza para referirse a la temperatura que aumenta gradualmente en la Tierra.

1.2 Efecto Invernadero Natural El efecto invernadero natural se debe a un conjunto de productos químicos presentes en la atmósfera de la Tierra conocidos como gases de efecto invernadero que atrapan el calor cerca de la superficie del planeta. A medida que los rayos del Sol viajan a través de la atmósfera, tienen la forma de rayos ultravioleta (UV) y luz visible que calienta la superficie de la Tierra. La superficie cálida luego emite calor que viaja desde la superficie hacia el espacio en forma de ondas infrarrojas (IR) y parte de ella regresa al espacio exterior. El resto está atrapado por gases de efecto invernadero como vapor de agua, dióxido de carbono, metano, ozono, clorofuorocarbonos y unos pocos otros

químicos y es re-irradiado por estos químicos de regreso a la superficie de la Tierra. Esto mantiene la parte inferior de la atmósfera lo suficientemente caliente como para que los humanos sobrevivan. Si los gases de efecto invernadero aumentan en la atmósfera, más de este calor queda atrapado y la Tierra se calienta; Si los gases de efecto invernadero disminuyen en la atmósfera, se atrapa menos de este calor y la Tierra se enfría.

G.T. Farmer and J. Cook, Climate Change Science: A Modern Synthesis: Volume 1 - The Physical Climate, DOI 10.1007/978-94-007-57578_1, © Springer Science+Business Media Dordrecht 2013

Introducción

Uno de estos gases de efecto invernadero, el dióxido de carbono, es tan importante para atrapar y re-irradiar esta energía térmica que se conoce como el termostato de la Tierra. Los geólogos nos dicen que a lo largo de la historia de la Tierra (alrededor de 4.500 millones de años) existe una correlación directa entre el dióxido de carbono y la temperatura de la Tierra. Los científicos del clima de hoy nos dicen que los modelos muestran el aumento de la temperatura con la adición de dióxido de carbono; y los modelos no muestran el aumento de temperatura sin el aumento de dióxido de carbono. Existen otras líneas de evidencia que apuntan al dióxido de carbono como la principal causa del aumento global más reciente de la temperatura. La Tierra se mantiene a través del espacio en su órbita alrededor del Sol mientras gira como una punta en su eje de rotación. Sería un lugar congelado y sin vida como nuestra luna u otros planetas de nuestro Sistema Solar si no fuera por la delgada capa de atmósfera que atrapa la energía solar y aísla la superficie de la Tierra. La forma en que la atmósfera atrapa la energía solar se llama efecto invernadero natural porque es similar a un invernadero o un automóvil cerrado que se calienta al sol. En el caso del automóvil, la luz solar entra a través de una ventana o parabrisas en gran parte transparente y es absorbida por lo que sea que golpee, calentando el interior. Parte del calor queda atrapado en el interior, porque el vidrio deja entrar el calor pero no lo deja salir, y la temperatura interior del automóvil aumenta rápidamente a la luz del sol. En la atmósfera de la Tierra, la luz solar es absorbida por la superficie de la Tierra, los tejados o las rocas, y esa energía se irradia como calor, energía infrarroja, hacia el espacio. La atmósfera de la Tierra absorbe 531 W / m2 del Sol más la superficie infrarroja más las térmicas más el calor latente, luego irradia 333 W / m2 a la superficie y 199 W / m2 al espacio. La mayor parte del calor que absorbe la atmósfera no llega al espacio porque ciertos gases en la atmósfera lo re-irradian a la superficie de la Tierra, principalmente vapor de agua, dióxido de carbono, clorofluorocarbonos, ozono, metano y algunos otros gases. Los gases de efecto invernadero consisten en más de un átomo que están unidos de una manera que les permite vibrar en longitudes de onda que les permiten capturar la radiación infrarroja en su regreso de la atmósfera. Normalmente esto es bueno, porque sin el calor atrapado en la atmósfera por estos gases de efecto invernadero, el planeta Tierra se congelaría y la temperatura sería incómoda de −15°C. No habría vida en la Tierra hoy como la conocemos ahora. La vida ha evolucionado bajo niveles de CO2 de aproximadamente 280 ppm. Si se agrega a la atmósfera dióxido de carbono adicional que no es parte del ciclo natural del carbono, entonces queda atrapado calor adicional que de otra forma se escaparía al espacio, y la atmósfera se calienta. El calentamiento global es un aumento en la temperatura promedio general de la Tierra, ya que se han mantenido registros, causados por la adición de dióxido de carbono adicional y otros gases de efecto invernadero a la atmósfera que absorben y atrapan el calor. La siguiente ilustración (Fig. 1.1) muestra el resultado de este calor atrapado durante el período 1880–2009 en comparación con la temperatura global promedio para el período 1961–1990 (expresado como un cambio o una anomia desde la línea 0, ya sea más o menos en grados centígrados o Celsius).

1.3 Sensibilidad Climática

Temperatura Global

Temperatura Anomala (°C)

0.6

Promedio Anual 0.4

Promedio de 5 años

0.2

–0.2

–0.4 1880

1900

1920

1940

1960

1980

2000

Fig. 1.1 Temperatura global promedio durante el período 1880–2009, compilada a partir de varias fuentes de datos por la NASA. La línea 0 es la temperatura global promedio para el período 19611990. La curva suave es un promedio de 5 años (NASA / GISS, Public Domain)

1.3 Sensibilidad Climática Sabemos que la Tierra es un sostén de la vida porque nos proporciona un entorno que ha permitido que los organismos vivos, incluidos los humanos, evolucionen y prosperen en su superficie, en sus océanos y en su aire. La atmósfera es la razón principal por la que la vida prospera en el planeta, al menos para los humanos. Es el aire que respiramos. Proporciona agua que bebemos de la precipitación. Proporciona calor de la luz solar capturada por moléculas que mantienen el planeta lo suficientemente cálido como para cultivar nuestros alimentos y para que podamos vivir. Nos proporciona algo llamado el "efecto invernadero natural" que nos permite vivir en lo que sería la tercera roca del Sol sin él. ¿Cuán sensible es el clima de la Tierra al cambio? Si no es muy sensible, quizás haya pocas razones para preocuparse por el cambio climático y el calentamiento global. Si es muy sensible, quizás haya motivos para preocuparse. Por supuesto, la sensibilidad del sistema también está relacionada con las retroalimentaciones (“feedbacks”), como el hielo glacial y las nubes. Una forma de medir la sensibilidad de algo es medir cómo cambia cuando está sujeto a una fuerza conocida o un cambio conocido en las condiciones. Dicho de otra manera, si el sistema climático se ve obligado a cambiar, ¿cuánto cambiará? Entonces, una forma de medir la sensibilidad del clima de la Tierra es medir algo que lo cambie o lo cambie, y luego medir cuánto ha cambiado. Si pudiéramos medir los gases de efecto invernadero durante un intervalo de tiempo y determinar si están aumentando o disminuyendo, una parte del sistema climático se conocería y podríamos medir la temperatura en el mismo intervalo y eso nos diría si la Tierra estaba siendo forzado a enfriarse o calentarse.

Introducción

Si duplicamos el CO2 de su nivel preindustrial de 280-560 partes por millón (ppm), la temperatura causada por la duplicación del CO2 estará entre 2 y 4.5°C según lo determinado por el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) en 2007 y por una serie de análisis independientes desde entonces. El número más alto (4.5 ° C) es una aproximación y se debe a la influencia de las retroalimentaciones (“feedbacks”) en la temperatura de la Tierra. El IPCC concluyó que el 2 ° C era conservador, que era poco probable que fuera inferior a 2 y que el valor más probable sería un aumento de 3° C.

Hay un motivo de preocupación con el análisis utilizado anteriormente. El aumento de dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra no ha aumentado en línea recta. Tampoco ha aumentado la temperatura en línea recta. Ambas tasas de aumento en la atmósfera se han acelerado con el tiempo, por lo que el aumento anual actual de dióxido de carbono es de alrededor de 2 ppm (2 ppm / año). Si duplicamos la cantidad actual de dióxido de carbono en la atmósfera (394 × 2 = 788), la humanidad experimentará un mundo que quizás nunca antes haya experimentado. Es peligroso hacer predicciones, pero no es probable que la situación sea buena.

1.4 Temperatura global promedio de 1880 a 2009 La ilustración de arriba (Fig. 1.1) es un gráfico de la temperatura global de la Tierra en grados Celsius desde 1880 hasta 2009. La tendencia generalmente es hacia arriba, pero los puntos de luz indican la variabilidad anual. La línea oscura es un promedio de 5 años que suaviza los promedios anuales.

1.5 Dióxido de Carbono El dióxido de carbono (o CO2) es el gas familiar que burbujea de las bebidas carbonatadas, y en su forma sólida, es "hielo seco". El dióxido de carbono también es un producto de desecho del metabolismo animal. Gran parte del dióxido de carbono en la atmósfera proviene de la quema de combustibles fósiles. En el ciclo del carbono, las plantas absorben dióxido de carbono y energía solar y producen oxígeno en la atmósfera de la Tierra que necesitamos para vivir. Para la mayoría de la civilización humana, la cantidad de CO2 en la atmósfera se ha mantenido estable en aproximadamente 280 partes por millón (ppm), lo que significa que de cada millón de moléculas en el aire, 280 de ellas son dióxido de carbono. El dióxido de carbono es una pequeña fracción de la atmósfera (0.040%), pero es la cantidad correcta para absorber el calor suficiente para que la Tierra tenga la temperatura promedio general a la que nos hemos acostumbrado nosotros y todo lo que vive en el planeta. La civilización humana ha existido en un ambiente que ha tenido alrededor de 280 ppm de dióxido de carbono en la atmósfera durante miles de años y recién. La Revolución Industrial comenzó alrededor de 1750 cuando aprendimos a generar grandes cantidades de electricidad y calor necesarios para construir la civilización moderna quemando carbón, petróleo y gas natural como combustibles para fuentes de energía. Los combustibles fósiles son los restos de plantas y

1.6 Calentamiento Global, Clima, y Tiempo

Fig. 1.2 Concentraciones de dióxido de carbono en la atmósfera medidas en el Observatorio Mauna Loa de NOAA, Hawái, desde 1958 hasta el presente (NOAA, Dominio público)

animales que murieron y se acumularon hace millones de años hundiéndose en el fondo del agua estancada que carecía del oxígeno necesario para alimentar las bacterias necesarias para descomponerlos. Como resultado, se enterraron bajo capa tras capa de sedimento y se comprimieron en carbón o petróleo. Hoy extraemos carbón y perforamos en busca de petróleo y luego los quemamos en plantas de energía, automóviles y aviones. Los combustibles fósiles están hechos principalmente de carbono, y quemarlos en oxígeno los convierte en dióxido de carbono que sube por la pila de humo o sale del tubo de escape hacia la atmósfera. Este es el dióxido de carbono adicional más allá de la cantidad que solíamos tener cuando el ciclo del carbono estaba en equilibrio. Es este dióxido de carbono adicional el que actualmente hace que la Tierra se caliente. El dióxido de carbono no solo desaparece, la mayor parte se acumula en la atmósfera y atrapa más calor y hace que el planeta se caliente. El dióxido de carbono permanece en la atmósfera durante miles de años. La cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera en junio de 2012 fue de 400 ppm y está aumentando a un ritmo de 2 ppm / año a medida que más y más humanos queman más y más combustibles fósiles. Es sorprendente que podamos tener un efecto tan grande en la atmósfera de todo el planeta. Pero no es tan sorprendente cuando te das cuenta de que 7 mil millones de humanos arrojan alrededor de 30 mil millones de toneladas de carbono a la atmósfera cada año y esta cantidad aumenta cada año. En 2010, un récord de 30,6 gigatoneladas (Gt) de dióxido de carbono se vertió en la atmósfera de la Tierra, principalmente por la quema de combustibles fósiles; un aumento de 1.6 Gt desde 2009, según estimaciones de la Agencia Internacional de Energía (AIE) que muchos consideran el estándar de oro para los datos de emisiones.

1.6 Calentamiento Global, Clima, y Tiempo El calentamiento global no se trata del tiempo diario, y no existe una conexión clara entre el calentamiento global y ningún huracán, tormenta de nieve o sequía. Agregar energía a todo el sistema climático de la Tierra conduce a eventos de tiempo severos más frecuentes que en promedio son más fuertes y más dañinos. Uno

Introducción

la definición del clima por parte de la Organización Meteorológica Mundial (OMM) es “Tiempo durante un período de 30 años o más”. Hay una gran cantidad de variabilidad en el tiempo día a día e incluso año a año, y el 0.8°C (o 1.1 ° F) el aumento de la temperatura global promedio durante las décadas que se muestran en la figura 1.1 es una tendencia que un individuo no puede detectar o sentir. Sin embargo, la investigación científica conlleva muchas mediciones, análisis de datos, modelado por computadora, debate y discusión entre miles de expertos que pasan sus carreras estudiando estas tendencias con gran detalle. Eso es lo que los hace expertos, y por qué deberían ser escuchados con una mente abierta. El calentamiento global se trata de un aumento general en la cantidad de energía en todo el sistema climático de la Tierra causado por un aumento en los gases de efecto invernadero que atrapan el calor. Los expertos solo hablan de unos pocos grados de aumento de temperatura promedio, lo que no parece mucho, pero considere este ejemplo. La temperatura promedio de una persona es de 98.6 ° F. Si la temperatura de esa persona sube 1-99.6°F significa que una persona tiene fiebre y esto es motivo de preocupación. Algo está causando la fiebre, ya sea un virus o una bacteria, y la mayoría de las personas querrían saber su causa y qué se puede hacer al respecto, especialmente si persiste. Además, imagine un vaso de agua y cubitos de hielo en un refrigerador cuya temperatura se establece en el punto de congelación del agua, 0 ° C o 32 ° F. La mezcla de hielo y agua permanecerá más o menos como está, pero si la temperatura se eleva incluso en 1 °, los cubitos de hielo comenzarán a derretirse, y a 2 ° se derretirán más rápido. Todo estaba en equilibrio a la temperatura anterior, pero a una temperatura ligeramente más cálida, eventualmente terminas con todo el agua y sin hielo, muy parecido a lo que está sucediendo ahora en el hielo marino del Ártico de la Tierra (Fig. 1.2) y los glaciares de montaña.

1.6.1 Extensión del hielo marino del Ártico 1979–2005 Las regiones polares de la Tierra parecen ser los lugares más sensibles del planeta al cambio climático y al calentamiento global. En la siguiente ilustración (Fig. 1.3), se puede ver que la región polar norte de la Tierra ha perdido más del 20% de la capa de hielo polar desde 1979. Esta pérdida de hielo del Ártico está causando patrones de tiempo inusuales en el área del Atlántico Norte y posiblemente influyendo en los patrones de circulación oceánica.

1.6.2 Impactos del Calentamiento Global ¿Qué sucede cuando el planeta se calienta? El tiempo más extremo, la desaparición de la capa de hielo del Ártico y el retroceso de los glaciares en la mayor parte del mundo tienen consecuencias, como las zonas costeras ahogadas, el declive de los osos polares y otros animales del Ártico, y la desaparición de suministros de agua dulce alimentados por glaciares durante más de mil millones de personas. La tasa actual de aumento del nivel del mar es de 3,2 mm por año (Fig. 1.4), lo que es motivo de preocupación en las zonas costeras bajas o propensas a huracanes como Bangladesh, o ciertas islas del Pacífico que desaparecen, o la costa del Golfo de EE. UU. Esto se convertirá en una preocupación militar y de seguridad nacional cuando haya millones (quizás más de mil millones) de "refugiados climáticos" desplazados por el aumento del nivel del mar. Harán lo que tengan que hacer para sobrevivir,

1.7 Escalas temporales, Feedbacks positivos, y puntos de inflexión

North Pole

Desde 1979, más del 20% de la capa de hielo Polar se ha derretido

Fig. 1.3 El hielo marino del Ártico se está derritiendo. En realidad, el hielo no solo se derrite sino que también sublima el paso del estado sólido a la atmósfera. La reducción del hielo marino del Ártico no eleva el nivel del mar, así como la reducción de un cubo de hielo en su vaso de té helado no eleva el nivel del té en el vaso. El hielo marino del Ártico es agua oceánica congelada. Desde 1979, más del 20% de la capa de hielo marino polar ha desaparecido (Fuente: NASA y el Centro Nacional de Datos de Nieve y Hielo, Dominio Público)

como todos lo haríamos, e irán tierra adentro a China, Australia, Estados Unidos y otros lugares donde probablemente no serán recibidos con los brazos abiertos y las invitaciones para tomar el té. Otras consecuencias del calentamiento global incluyen sequías prolongadas y desiertos invasores, aumento de incendios forestales e infestaciones de insectos, y cambios en los patrones de lluvia y agrícolas. Ya estamos viendo algo de esto con infestaciones destructivas de escarabajos en las Montañas Rocosas y en otros lugares de los Estados Unidos y Canadá.

Los océanos y la vida marina se ven doblemente afectados por el calentamiento global; Primero por un aumento de la temperatura, que intensifica las tormentas como los huracanes y derrite el hielo marino, y segundo por el aumento de la acidez causada por el CO2 disuelto. Y estos ni siquiera son los peores escenarios.

1.7 Escalas temporales, Feedbacks positivos, y Puntos de Inflexión Estos tres factores, escalas temporales, Feedbacks positivos y puntos de inflexión hacen que enfrentar el calentamiento global sea más difícil y más urgente. Los procesos naturales que eliminan permanentemente el CO2 de la atmósfera tienen lugar en una escala de tiempo de décadas o más, por lo que ya estamos comprometidos con una cierta cantidad de

Introduction

Nivel Medio del Mar Global (GMSL) - 1870 al 2009 300 Datos & errores del medidor de mareas1

250

Datos de altímetro satelital2

200

GMSL (mm)

150

100

0 CSIRO

–50

–100

Datos promedios anuales Últimos datos: 2009 Figura actualizada: 25-Jun-2010

Actualizado desde Church y White (GRL. 2005)

Combined TOPEX/Poseidon, Jason-1 & Jason-2 (CSIRO)

1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

Año Fig. 1.4 La tendencia del nivel del mar desde 1870 (1870-2009). La región azul claro es el rango de incertidumbre en las mediciones. Las mediciones satelitales están representadas por la línea roja y las mediciones del medidor de mareas están representadas por la línea azul oscuro. El nivel del mar ha aumentado unos 24 cm (9,4 pulgadas) desde 1870. Desde 1993, el nivel del mar ha aumentado unos 6 cm (2,4 pulgadas) a una tasa bastante constante de 3,2 mm por año (Fuente: CSIRO, Organización de Investigación Científica Australiana)

calentamiento incluso si los humanos detuvieran totalmente la quema de combustibles fósiles hoy. Cuando un sistema como el sistema climático de la Tierra se perturba desde un estado estable, los procesos de "retroalimentación positiva" pueden hacer que el sistema se mueva aún más lejos de su estado anterior, mientras que los procesos de "retroalimentación negativa" tienden a restaurar un sistema perturbado a su estado anterior. Hay varios comentarios positivos en el sistema climático de la Tierra que podrían conducir a un "punto de inflexión", que es una condición de umbral que conduce a un cambio irreversible porque una vez que se hace, se hace, como apretar el gatillo de un arma cargada con la seguridad desactivada. No hay forma de detener la bala de su impacto final. Un ejemplo de retroalimentación positiva en el sistema climático se refiere a la disminución de la capa de hielo del Ártico que se muestra en la Fig. 1.3. El hielo es una superficie reactiva con un albedo de 0.5-0.7, lo que significa que 50-70% de la luz solar es reflejada hacia el espacio y contribuye menos al calentamiento global. El agua del océano es una de las superficies menos reactivas con un albedo promedio de solo 0.08 (solo 8% reflejado, 92% absorbido), por lo que la mayor parte de la energía solar que golpea el océano participa en el calentamiento global. A medida que el tamaño de la capa de hielo del Ártico disminuye al derretirse, una superficie menos reflectiva (el océano) reemplaza a una superficie más reflectiva (hielo),

1.8 Energía y Política Climática

por lo tanto, se absorbe más energía solar y aumenta la tasa de calentamiento global, lo que conduce a una fusión más rápida de la capa de hielo, lo que lleva a un calentamiento más rápido. Una segunda retroalimentación positiva en el sistema climático se refiere a la descongelación del permafrost en las latitudes del norte. Grandes extensiones de permafrost contienen enormes cantidades de CO2 y metano congelado en el suelo, que se libera en la atmósfera a medida que el permafrost se derrite, que atrapa más calor y aumenta la tasa de calentamiento global, que derrite el permafrost más y más profundo, lo que aumenta aún más la tasa de calentamiento global, etc. Estas y otras retroalimentaciones positivas podrían conducir a un punto de inflexión, donde los cambios drásticos en el Sistema de la Tierra suceden rápidamente y son permanentes e irreversibles.

1.8 Energía y Política Climática La ciencia del clima es enormemente compleja debido a las numerosas variables, pero se ha logrado un progreso suficiente en las últimas décadas para que conozcamos las líneas generales de lo que se necesita para evitar las peores consecuencias del calentamiento global. Necesitamos hacer cambios importantes en la forma en que obtenemos y usamos la energía, y debemos hacerlo pronto, o el mundo cambiará de una manera que no nos gustará y a nuestros hijos y nietos les gustará aún menos. Tener un objetivo específico a veces puede motivar el progreso, y algunos científicos climáticos piensan que deberíamos estabilizar la concentración de CO2 atmosférico en no más de 350 ppm. El nivel de CO2 preindustrial fue de 280 ppm, y actualmente estamos en 400 ppm (en junio de 2012) y aumentamos a una tasa de 2 ppm por año; así que ya estamos por encima del nivel deseado y nos dirigimos rápidamente en la dirección equivocada. El objetivo de 350 ppm se originó con un artículo del científico climático de la NASA, el Dr. James Hansen, que informó sobre un análisis de las condiciones climáticas pasadas y sus concentraciones de CO2 asociadas. Un objetivo comúnmente citado para consideraciones de política es limitar el calentamiento global a 2 ° C (3,6 ° F) debido a las condiciones preindustriales, lo que nos da la oportunidad de evitar retroalimentaciones positivas, como el derretimiento generalizado del permafrost que podría provocar un vuelco punto. El límite de 2 ° C corresponde aproximadamente a una reducción del 80% en las emisiones de CO2 para el año 2050 si las reducciones sustanciales comienzan de inmediato. El cumplimiento de tales objetivos requiere una política energética transformadora que establezca requisitos claros y un mecanismo para cumplirlos, y ponga un precio a la emisión de carbono para impulsar las reducciones. Actualmente, el costo del aporte al calentamiento global es cero, por lo que no hay incentivos para detenerlo. Sin embargo, los contribuyentes continuarán pagando por los efectos del calentamiento global y, a medida que pase el tiempo, la gravedad del problema aumenta y los costos aumentan.

1.8.1 Elecciones Energéticas Las elecciones energéticas realizadas hoy determinarán el clima en las próximas décadas. Históricamente, ha sido difícil para los humanos enfrentar un problema importante hasta que ocurra alguna catástrofe. Esto no es un buen augurio para abordar el calentamiento global porque

Introducción

debemos actuar con mucha anticipación ante cualquier catástrofe debido a la larga escala de tiempo para la eliminación de CO2 de la atmósfera. Las soluciones son claras; necesitamos utilizar la energía de manera más eficiente, ya que aproximadamente la mitad se desperdicia en autos, electrodomésticos, edificios, redes eléctricas, etc. ineficientes, y necesitamos hacer la transición a fuentes de energía limpias y renovables (combustibles no fósiles) como el viento, solar, mareas, etc. Ya sabemos cómo hacer estas cosas. Las tecnologías ya existen. Sin embargo, las fuerzas que se oponen al cambio en el uso de energía son formidables, están bien financiadas y son muy buenas para engañar a un público mal informado sobre un problema complejo y a largo plazo. El carbón era barato por impulsar la Revolución Industrial y electrificar la civilización, pero ahora sabemos que hay consecuencias globales a largo plazo para el clima futuro de la Tierra. Ahora sabemos cómo generar electricidad de manera más inteligente que usar fuego para hervir agua para encender un generador. El petróleo es uno de los principales contribuyentes al calentamiento global, además de tener precios volátiles, daños ambientales como el desastre del petróleo del Golfo, tuberías con fugas o minería de arenas bituminosas; y la pérdida de vidas, desestabilización política y enormes gastos para los contribuyentes para proteger los suministros de petróleo. Incluso el gas natural "metano" relativamente limpio no está realmente muy limpio a menos que se haga mucho más para evitar la fuga de este potente gas de efecto invernadero a la atmósfera en la boca del pozo y en la tubería. Enfrentar el calentamiento global requerirá una combinación de legislación sólida elaborada por legisladores informados y valientes, acciones personales para reducir el uso de energía propio y para apoyar las energías renovables, y educar al público sobre la realidad del calentamiento global y lo que está en juego. Una cosa que un individuo puede hacer es enfatizar la importancia de una legislación fuerte sobre energía limpia y clima al tomar decisiones políticas y de votación. Para la mayoría de nosotros, este tema del calentamiento global está más allá de la política; se trata de futuro de nuestro planeta, nuestra descendencia y nuestra especie. A quién creer sobre global calentamiento? Considere esta simple analogía: si uno quiere saber cómo arreglar la tubería, llamar a un fontanero, no a un científico del clima. Si uno quiere saber si el calentamiento global es real y si debemos o no hacer algo al respecto, pregúntale a un científico del clima; no el lobby del carbón, el Instituto Americano del Petróleo, algún político o o su personalidad de la televisión o la radio del tiempo local.

1.9 Forzamientos y Retroalimentaciones El forzamiento climático es un cambio de dirección causado por una fuerza externa o interna que opera en el sistema climático de la Tierra, como un calentamiento o enfriamiento. Si la producción de energía del Sol cambia, fuerza un cambio en el clima de la Tierra. El Sol es el agente de fuerza más obvio para el cambio climático de la Tierra, pero hay otros. Las retroalimentaciones complementan los forzamientos. Un ejemplo obvio de una retroalimentación es el hielo glacial. Si la Tierra se está enfriando y el hielo glacial en la Tierra se expande, se reenvía más energía al espacio y el planeta se enfría. Si el planeta se está calentando y el hielo glacial se retira, la Tierra absorbe más energía y menos energía se devuelve al espacio; la Tierra se calienta.

1.10 Presupuesto Energético

Las retroalimentaciones pueden ser positivos o negativos. Una retroalimentación positiva mejora un forzamiento; una retroalimentación negativa funciona en contra de un forzamiento. Las retroalimentaciones de hielo glacial mencionadas anteriormente son retroalimentaciones positivas. Un ejemplo de retroalimentación negativa es si la Tierra se está calentando y una gruesa capa de nubes blancas obliga a que se refleje más luz solar. Eventualmente causaría que la Tierra desacelere el calentamiento o que la Tierra se enfríe. Ser capaz de determinar la evolución del clima global desde el final del Último Máximo Glacial (LGM) hace aproximadamente 20-18 mil años hasta el Holoceno temprano hace 11.700 años presenta a los científicos una oportunidad inigualable para comprender la respuesta del sistema climático de la Tierra a los factores externos. y forzamientos internos. Durante este intervalo de calentamiento global, la descomposición de las capas de hielo provocó un aumento del nivel medio del mar en aproximadamente 80 m; los ecosistemas terrestres y marinos experimentaron grandes perturbaciones y cambios de rango; las perturbaciones en el ciclo del carbono dieron como resultado una liberación neta de los gases de efecto invernadero CO2 y CH4 a la atmósfera; y los cambios en la atmósfera y la circulación oceánica afectaron la distribución global y los flujos de agua y calor. We will see and study the causes and effects of this evolution of global climate as we proceed in this text.

1.9.1 Albedo de la Tierra El albedo es lo mismo que reflectividad y se define como la capacidad de una sustancia para reflejar la luz. El hielo glacial tiene un albedo alto, el agua del océano tiene un albedo bajo. Las cosas con un alto albedo, como el hielo glacial, reflejan la energía, mientras que las que tienen un bajo albedo absorben energía. Un paisaje oscuro como el material volcánico absorbe energía mientras que la arena del desierto refleja la energía en forma de rayos del sol que los golpean.

1.9.2 Irradiancia La irradiancia es el poder de la radiación electromagnética (en este caso, la radiación del Sol) por unidad de área (flujo radiactivo) incidente en una superficie. Se expresa en vatios por metro cuadrado (W / m2). La irradiación debida a la radiación solar también se llama insolación.

1.10 Presupuesto Energético Se puede considerar un presupuesto de energía para el sistema climático de la Tierra, ya que la cantidad de energía en el sistema es igual a la cantidad de energía que sale del sistema. Si el sistema climático está en equilibrio, estos dos son iguales (la energía de salida es igual a la energía de entrada).

Introducción

Sin embargo, la Tierra tiene una atmósfera que absorbe energía en forma de radiación infrarroja. La energía que entra en la atmósfera es en forma de radiación de onda corta y la energía que sale es en forma de radiación de onda larga. La atmósfera de la Tierra es transparente a la radiación ultravioleta, pero los gases en la atmósfera (principalmente vapor de agua y dióxido de carbono) atrapan gran parte de la radiación infrarroja emitida por la superficie de la Tierra. Este atrapamiento de energía por gases atmosféricos (llamados gases de efecto invernadero) es lo que hace que la Tierra pueda soportar la vida a una temperatura global promedio de alrededor de 15 °C (59 °F). Sin la atmósfera, la temperatura de la Tierra sería de aproximadamente -15 °C (5 °F), demasiado fría para ser cómoda para los humanos.

1.11 Tiempo Afectado Los científicos del clima han estado advirtiendo desde mediados de la década de 1980 que la Tierra se calentaría hasta el punto de que comenzaría a afectar el tiempo. Una atmósfera más cálida hace que se evapore más agua del océano, lagos, arroyos y suelos. El exceso de agua en la atmósfera conducirá a una actividad de tormenta más severa, incluidos huracanes y tornados, lluvias más intensas e inundaciones en algunas áreas, y desiertos más secos en otras. Estamos viendo esto hoy en un tiempo extraño que se está convirtiendo en la nueva normalidad en muchas áreas del mundo. Hay muchas personas que niegan que la actividad humana esté alterando nuestro clima, pero son una pequeña minoría en el público en general y casi no existen en la comunidad científica del clima. En 2009, una gran cantidad de correos electrónicos entre científicos climáticos fueron robados y publicados en Internet, muchos de ellos alterados o editados selectivamente. Este acto ilegal ha sido denominado "Climategate" y debido a su influencia en el "debate" sobre el cambio climático y el calentamiento global, merece una discusión adicional en capítulos posteriores.

1.12 Controversia del Palo de Hockey El "palo de hockey" es un diagrama atribuido a Michael Mann y sus colegas elaborado para un artículo en 1998 a partir de una variedad de fuentes, incluidos los proxies de la dendrocronología, que mostraron un fuerte aumento de las temperaturas durante los últimos años representados en el gráfico (ver Fig. 1.5 a continuación). El gráfico y la investigación en la que se basó fueron innovadores. Nadie había compilado previamente estos datos y los había reunido de manera tan convincente. El artículo de 1988 de Mann, Bradley y Hughes (MBH) fue la primera reconstrucción cuantitativa hemisférica a escala en el tiempo hasta 1400. Fue un documento histórico. En un artículo de 1999, los autores ampliaron la reconstrucción a 1000 y fue el gráfico posterior el que apareció de manera prominente en el Informe IPCC 2001 AR3 (TAR) (ver Fig. 1.5).

1.12 Controversia del Palo de Hockey

a 1990 premedio Desde 1961

Salidas en temperatura promedio (°C) Salidads en Desde 1961 a 1990 temperatura(°C)

HEMISFERIO NORTE 0.5

0.0

–0.5

–1.0

1000

Datos de termómetros (rojo) y de anillos de árboles, corales, núcleos de hielo y registros históricos (azul).

1200

1400

1600

1800

2000

Año

Fig. 1.5 La gráfica de la temperatura durante los últimos 1,000 años (el gráfico del “palo de hockey”) (publicado originalmente en GRL en 1998 por Michael E. Mann, Raymond S. Bradley y Malcom K. Hughes y basado y publicado por el IPCC en su Tercer Informe de Evaluación (AR3) en 2001)

Se produjeron muchas críticas al gráfico y se convirtió en un favorito del grupo negacionista, pero la mayoría de los artículos científicos posteriores respaldaron el mensaje básico del palo de hockey; que la Tierra se está calentando y gran parte del calentamiento se ha producido en la última mitad del siglo XX. Más de 12 documentos científicos posteriores, utilizando varios métodos estadísticos y combinaciones de registros proxy, produjeron reconstrucciones ampliamente similares al gráfico original de palo de hockey MBH, con variaciones en cómo aparece el "eje" anterior al siglo XX. Casi todos ellos respaldaron la conclusión del IPCC de que la década más cálida en 1,000 años probablemente fue a fines del siglo XX. La primera década del siglo XX fue incluso más cálida que la última década del siglo XX y los científicos han visto una nivelación del aumento de la temperatura en los últimos meses del año 2011, que irónicamente se ha atribuido al carbón. Hay centrales eléctricas rojas en China e India que emiten aerosoles de azufre que han frenado la tendencia al calentamiento. Por supuesto, esta es una situación temporal y no es buena para el medio ambiente, porque las plantas de energía a base de carbón utilizan carbón con alto contenido de azufre y emiten azufre a la atmósfera, lo que a su vez está causando lluvia ácida y agregando a la acidificación del océano. En realidad, la aparición de "climagate" en las búsquedas en la web y el artículo ocasional que uno escucha o encuentra, es una reliquia o un episodio anacrónico que todavía esten en manos de escépticos y negadores. En marzo de 2010, el comité de Ciencia y Tecnología de la Cámara de los Comunes de Gran Bretaña publicó los resultados de su investigación sobre el escándalo que no reveló nada en los correos electrónicos relacionados con el consenso científico de que "el calentamiento global está ocurriendo y que es inducido por la actividad humana".

Introducción

Lecturas Adicionales Ammann, C., et al. (2007). Solar inßuence on climate during the past millennium: Results from transient simulations with the NCAR Climate Simulation Model. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 104(10), 3713Ð3718. doi:10.1073/ pnas.0605064103. Bibcode 2007PNAS..104.3713A. PMC 1810336. PMID 17360418. Henig, J. (2009, December 11). FactCheck: Climategate doesnÕt refute global warming. Newsweek. Jonsson, P. (2010, July 7). Climate scientists exonerated in ÔclimategateÕ but public trust damaged.

Christian Science Monitor, 2. Mann, M. E., Bradley, R. S., & Hughes, M. K. (1998). Global-scale temperature patterns and climate forcing over the past six centuries (PDF). Nature, 392(6678), 779Ð787. doi:10.1038/33859. Bibcode 1998Natur.392..779M. Mann, M. E., Bradley, R. S., & Hughes, M. K. (1999). Northern hemisphere temperatures during the past millennium: Inferences, uncertainties, and limitations (PDF). Geophysical Research Letters, 26(6), 759Ð762. doi:10.1029/1999GL900070. Bibcode 1999 GeoRL..26..759M. Mooney, C., & Kirshenbaum, S. (2010). Unscientific America: How scientific illiteracy threatens our future. New York: Basic Books. ISBN 046501917X. Royal Society. (2005). Joint science academiesÕ statement: Global response to climate change. Renewable Resources Journal, 23(3), 19Ð20. Ruddiman, W. F. (2005). Plows, plagues, and petroleum: How humans took control of climate. Princeton: Princeton University Press. ISBN 0-691-12164-8. Tollefson, J. (2010, March). Attack sparks memories of McCarthy witch-hunt. Nature News (Nature Publishing Group), 464(149), 149. doi:10.1038/464149a.

Capítulo 2

Principios Científicos

Resumen Se presenta una introducción a los principios científicos, incluidas las leyes de la termodinámica y las diferencias entre las leyes naturales, las hipótesis y las teorías. El concepto de tiempo geológico se presenta con ejemplos dados de la edad de la Tierra, el tiempo que tarda el cambio climático y ejemplos del registro geológico. La notación científica se describe con ejemplos de números muy grandes y muy pequeños. Se define parte de la jerga utilizada por los científicos del cambio climático. Algunos de los primeros científicos son nombrados desde Plinio el Viejo hasta Karl Popper junto con sus principales contribuciones. Se introduce la teoría del caos y el "efecto mariposa". Se explica el concepto de múltiples hipótesis de trabajo. Palabras Clave • Calor • Termodinámica • Filosofía • Adiabático • Retroalimentación • Forzar • Orbital • Tectónica • Entropía • Internet • Clima • Cambio • Energía • Misinformation (Información falsa entregada sin malicia)• Disinformation (información falsa entregada para engañar) • Climategate • Periodos calientes • Periodos fríos • Deducción • Inducción • Heliocentrismo • Hipótesis • Teorías • Logaritmos • Geológicos

Cosas que Debe Saber La siguiente es una lista de cosas que debe saber de este capítulo. Su objetivo es servir como una guía de énfasis para que el alumno tenga en cuenta al leer este capítulo. No pretende ser una lista completa de "cosas" en este capítulo o sobre este tema y su instructor puede presentar temas adicionales. Antes de terminar con este

G.T. Farmer and J. Cook, Climate Change Science: A Modern Synthesis: Volume 1 - The Physical Climate, DOI 10.1007/978-94-007-57578_2, © Springer Science+Business Media Dordrecht 2013

2 Principios Científicos

capítulo, cada una de las "Cosas que debe saber" debe entenderse y utilizarse para fines de revisión. Es posible que esta lista no incluya todos los temas y conceptos requeridos por su instructor. Cosas que Debe Saber Aristóteles Isaac Newton Calentamiento Global Desequilibrio Energético Terrestre Cambio Climático Joule Forzamiento Climático Tiempo Geológico Escalas de Tiempo Geológico Eventos Tectónicos Eventos Históricos Empirismo Karl Popper Deducción T. C. Chamberlin Ciencia Natural Cálculo

Conservación de Energía W/m2 Proceso Adiabático Richard Feynman Efecto Invernadero natural Efecto Invernadero antropogénico Retroalimentación Climática Vatio Eventos Orbitales y su Lapso de Tiempo Eventos Glaciales – Deglaciales Edad de la Tierra Francis Bacon Inducción Modelos y Simulaciones Leyes de la Termodinámica Notación Científica Heliocentrismo

2.1 Introducción Los principios científicos son aquellos principios que los científicos usan para realizar trabajos científicos y participar en el avance de la base de conocimiento de la humanidad. No es posible cubrir todos los principios de la ciencia en este volumen, por lo que aquí solo se considerarán aquellos importantes para la ciencia del cambio climático. Sin embargo, algunos principios científicos son comprensivos y se aplican a todos los estudios científicos y estos serán considerados brevemente.

Los principios científicos son bastante variados. A menudo depende de la ciencia en cuanto a qué principios se aplican, pero hay principios generales que todos los científicos usan y esos son los que se discuten en estas secciones iniciales de la Parte I. Sin una comprensión de los principios del trabajo científico, es difícil apreciar qué Se trata de la ciencia y de las contribuciones que los científicos han hecho a nuestra forma de vida y a la comprensión del mundo que nos rodea. El concepto de la extensión del tiempo geológico es básico para la ciencia del cambio climático y se presenta en esta introducción al igual que la duración de ciertos cambios climáticos en el pasado geológico y reciente. La edad de la Tierra se da como referencia a la escala de tiempo geológica. La escala de tiempo geológico se muestra gráficamente en el apéndice (Apéndice I). La filosofía de la ciencia se introduce al principio de este texto, comenzando con los antiguos griegos y el origen de los enfoques empíricos de la ciencia. Importantes avances

2.3 El Calentamiento de la Tierra: El Calor y los Principios de la Termodinámica

en clima y ciencias de la Tierra se introducen con aquellos científicos que los presentaron por primera vez; Se discuten brevemente algunos de los científicos individuales que hicieron contribuciones importantes al aprendizaje y a la ciencia del clima. Se revisa el método científico y se dan ejemplos como los usos de la notación científica, la diferencia entre hipótesis y teoría, y una sinopsis de la forma en que se lleva a cabo la ciencia en el mundo real. Se proporciona una introducción al calentamiento global y algunas de las pruebas que lo respaldan, junto con ejemplos. Se introduce el negacionismo y se discuten algunas de las razones. El negacionismo es la tendencia a ignorar los hechos cuando se los presenta en abundancia. El negacionismo en la ciencia del clima y el calentamiento global tienen mucho en común con otros hechos probados de la ciencia, como la negación de la evolución orgánica. Si bien existen múltiples causas del cambio climático, la mayoría del calentamiento global de los últimos 50 años ha sido y está siendo causado por humanos que queman combustibles fósiles y talan árboles y cambian el paisaje natural. A medida que el lector avanza en este texto, se hará evidente cuáles son los impulsores actuales que causan el calentamiento de la superficie, el océano y la atmósfera de la Tierra, cuáles son las causas, los datos que los respaldan y qué se puede y se debe hacer al respecto.

2.2 Búsquedas en Internet Una búsqueda en Internet de uno de los motores de búsqueda disponibles, como Google, para los "principios científicos" le proporcionará a uno una lista de una variedad de temas. Un diccionario de principios científicos, como el bien llamado "Diccionario de Principios Científicos" de Stephen Marvin, enumera más de 3.000 principios de matemáticas, física, astronomía y otras materias, incluidas algunas materias no científicas como la filosofía. Solo un pequeño número de principios científicos se discuten en este volumen actual; Los principios científicos necesarios para sentar las bases del estudio de la ciencia del cambio climático.

2.3 El Calentamiento Global: El Calor y los Principios de la Termodinámica Como el clima se trata de energía y su transferencia a través del sistema de la Tierra y el calor es energía, se aplican las leyes de la termodinámica. La termodinámica se ocupa del calor, la presión, el trabajo y el volumen, y estos se pueden aplicar a los gases y la atmósfera está compuesta principalmente de gases. De hecho, los principios de la termodinámica surgieron del desarrollo de la máquina de vapor y el principio de que la presión es inversamente proporcional al volumen. A medida que aumenta la presión, el volumen disminuye. Cuando se calienta, los gases se expanden. Hay tres leyes principales de termodinámica que se definieron primero y una cuarta ley o principio llamado “Ley Cero” que se definió más tarde. Se mantuvieron los nombres Primero, Segundo y Tercero. Las cuatro leyes de la termodinámica se analizan en las siguientes secciones.

2 Principios Científicos

2.3.1 Ley Cero de la Termodinámica La ley cero establece que si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, también están en equilibrio térmico entre sí. Aunque el concepto de equilibrio termodinámico es fundamental para la termodinámica, la necesidad de declararlo explícitamente como una ley no se percibió ampliamente hasta que se estableció en la década de 1930, mucho después de que las leyes primera, segunda y tercera ya se entendieran y reconocieran ampliamente . Por lo tanto, se numeró la ley cero. La importancia de la ley como base para las leyes de la primera a la tercera es que permite la definición de temperatura de una manera no circular sin referencia a la entropía. La entropía está definida por la segunda ley de la termodinámica y tiene que ver con la acumulación de energía a medida que se realiza el trabajo. Puede encontrar información adicional sobre entropía en el siguiente sitio web: http://www.entropylaw.com/entropyenergy.html. La Ley Cero a menudo se establece de la siguiente manera: "Si A y C están en equilibrio térmico con B, A también está en equilibrio con C." Si A, B y C están en equilibrio térmico, entonces no hay cambio neto de energía. Si dos objetos de diferente temperatura entran en contacto físico, eventualmente alcanzarán el equilibrio térmico y esto también es cierto para un tercer objeto. Hay algunos procesos termodinámicos en los que no hay transferencia de calor. Los científicos del clima llaman a este tipo de proceso un proceso adiabático y existen ecuaciones simples que relacionan la presión y la temperatura de un gas para un proceso adiabático. Un proceso climático adiabático no implica intercambio de calor.

2.3.2 La Primera Ley de la Termodinámica La primera ley de la termodinámica distingue entre dos tipos de procesos físicos, a saber, la transferencia de energía como trabajo y la transferencia de energía como calor. El calor es importante para la ciencia del cambio climático. La energía se puede cambiar de una forma a otra, pero no se puede crear ni destruir. Cuenta cómo esto muestra la existencia de una cantidad matemática llamada energía interna de un sistema. La energía interna obedece el principio de conservación de la energía, pero el trabajo y el calor no se definen como cantidades conservadas por separado. La primera ley a veces se llama la "ley de conservación de la energía" y se puede aplicar al presupuesto de radiación de la Tierra. La energía que ingresa, se refleja, se absorbe y se emite por el sistema de la Tierra son los componentes del presupuesto de radiación de la Tierra. Basado en el principio de conservación de la energía, este presupuesto de radiación representa la contabilidad del equilibrio entre la radiación entrante, que es casi totalmente radiación solar, y la radiación saliente, que es en parte radiación solar reflejada y en parte radiación emitida por el sistema de la Tierra, incluido el atmósfera. Un presupuesto que está fuera de balance puede causar que la temperatura de la atmósfera aumente o disminuya y eventualmente afecte el clima de la Tierra. Las unidades de energía empleadas para medir esta radiación entrante y saliente son vatios por metro cuadrado (W/m2).

2.3 El Calentamiento de la Tierra: El Calor y los Principios de la Termodinámica

La primera ley de la termodinámica establece que la cantidad total de energía en el universo es constante. Esto significa que toda la energía tiene que terminar en algún lugar, ya sea en la forma original o en una diferente. Podemos usar este conocimiento para determinar la cantidad de energía en un sistema, la cantidad perdida como calor residual y la eficiencia del sistema.

2.3.3 La Segunda Ley de la Termodinámica La segunda ley de la termodinámica distingue entre procesos físicos reversibles e irreversibles. A veces se le conoce como la "ley de la entropía". Cuenta cómo esto muestra la existencia de una cantidad matemática llamada entropía de un sistema y, por lo tanto, expresa la irreversibilidad de los procesos físicos reales mediante la afirmación de que la entropía de un macroscópico aislado El sistema nunca disminuye. La segunda ley de la termodinámica se ha establecido de muchas maneras. Rudolf Clausius, uno de los principales fundadores del campo de la termodinámica, quizás lo dijo mejor, como sigue: El calor generalmente no puede fluir espontáneamente de un material a temperatura más baja a un material a temperatura más alta.

El escéptico sobre el cambio climático o el calentamiento global nos dice que, dado que el aire, incluidos los gases de efecto invernadero, es más frío que la superficie de la Tierra, no puede calentar la Tierra. Si lo hiciera, eso significa que el calor tendría que pasar de frío a calor, en aparente violación de la segunda ley de la termodinámica. Entonces, ¿han cometido los científicos climáticos un error elemental? ¡No! El escéptico ignora el hecho de que el Sol está calentando la Tierra, lo que hace toda la diferencia. Considere la analogía de una manta que cubre un cuerpo humano. La manta no produce calor, por lo que hace frío cuando se coloca contra un cuerpo humano. Con el tiempo, sin embargo, la manta hace que el cuerpo se caliente porque atrapa el calor emitido por el cuerpo humano. Esto es similar al "manto" proporcionado por los gases de efecto invernadero en la atmósfera que retiene el calor de la Tierra. El calor calienta la Tierra que ha sido calentada por el sol. Los gases de efecto invernadero en la atmósfera vuelven a irradiar algo de calor a la Tierra, pero la fuente principal de calor es el Sol. La segunda ley de la termodinámica establece que el desorden en el universo siempre aumenta. A medida que aumenta el desorden en el universo, la energía se transforma en formas menos utilizables. Por lo tanto, la eficiencia de cualquier proceso siempre será inferior al 100%.

2.3.4 La Tercera Ley de la Termodinámica La tercera ley de la termodinámica se refiere a la entropía de un cristal perfecto a temperatura cero absoluto, e implica que es imposible enfriar un sistema a cero exactamente absoluto.

2 Principios Científicos

La tercera ley de la termodinámica nos dice que todo movimiento molecular se detiene a una temperatura que llamamos cero absoluto, o 0 K (−273°C). Como la temperatura es una medida del movimiento molecular, no puede haber temperatura inferior al cero absoluto. A esta temperatura, un cristal perfecto no tiene desorden. Estas leyes establecen que se debe utilizar un suministro de energía concentrado para realizar un trabajo útil. Pero estas cuatro leyes son solo cuatro de las muchas leyes utilizadas por los científicos para tratar de comprender cómo funcionan el mundo y el Universo.

2.4 Científicos del Clima Los científicos del clima, o los científicos del cambio climático, aquellos que nos interesan aquí, son aquellos científicos que se ocupan del clima que ha cambiado en el pasado, está cambiando hoy, y sin duda cambiará en el futuro. Los científicos del cambio climático no son lo mismo que los climatólogos, aunque algunos pueden ser climatólogos por entrenamiento, pero son científicos que estudian los cambios climáticos en escalas de tiempo que normalmente no estudian aquellos que tienen un entrenamiento clásico en climatología. Los científicos del cambio climático estudian climas que han evolucionado a lo largo de miles, millones, decenas y cientos de millones y miles de millones de años. Los científicos del cambio climático pueden haber comenzado sus carreras como físicos, biólogos, geólogos, químicos, oceanógrafos o una de las otras especialidades de la ciencia. Rara vez comienzan sus carreras profesionales fuera de una de las disciplinas científicas. Wikipedia define la climatología de la siguiente manera: La climatología (del griego κλμα, klima, "lugar, zona"; y -log a, -logia) es el estudio del clima, científicamente definido como las condiciones de tiempo promedio durante un período de tiempo, y es una rama de las ciencias atmosféricas. El conocimiento básico del clima se puede utilizar dentro del pronóstico del tiempo a corto plazo utilizando técnicas análogas como la Oscilación del Sur-El Niño (ENSO), la Oscilación Madden-Julian (MJO), la Oscilación del Atlántico Norte (NAO), el Modo Anular del Norte (NAM) ), la oscilación del Ártico (AO), el índice del Pacífico norte (NP), la oscilación decadal del Pacífico (PDO) y la oscilación interdecadal del Pacífico (IPO). Los modelos climáticos se utilizan para una variedad de propósitos, desde el estudio de la dinámica del tiempo y el sistema climático hasta las proyecciones del clima futuro.

Los escépticos y los negadores del cambio climático (generalmente no los científicos) a menudo se citan diciendo que el clima ha cambiado en el pasado y siempre está cambiando, por lo que los cambios actuales y el calentamiento global son naturales y la humanidad ha tenido poco que ver con eso. Por lo tanto, no se puede hacer nada sobre el cambio climático; Es parte de un ciclo natural. Como se verá en este texto, el calentamiento global reciente y actual no es natural y no es parte de un ciclo natural, aunque el cambio climático natural ha ocurrido en el pasado. Hay huellas humanas innegables en el calentamiento actual de la Tierra. El calentamiento más reciente está siendo causado en gran medida por la quema de combustibles fósiles y el proceso de deforestación, como veremos más adelante en este texto. Los científicos climáticos individuales, elegidos por sus principales contribuciones, serán discutidos más adelante en este texto. Los científicos del cambio climático también son científicos del clima y su principal campo de estudio es la climatología. Sin embargo, para comprender el cambio climático actual y las tendencias y tal vez poder pronosticar el futuro del clima en la Tierra,

2.4 Científicos del Clima

los científicos del cambio climático deben saber más de lo que los climatólogos tenían que saber en el pasado, ya que recientemente se han puesto a su disposición nuevas herramientas y su interpretación requiere un conocimiento que no estaba disponible para climatólogos entrenados antes de los años setenta.

2.4.1 Leyes Científicas y Científicos Climáticos Las leyes o principios científicos que son de interés en este texto son aquellos que los científicos del cambio climático usan para realizar estudios científicos, incluidos experimentos; para poder comenzar correctamente y terminar correctamente, recopilar cuidadosamente los datos de una manera prescrita, interpretar lógicamente estos datos, extraer conclusiones válidas, formular hipótesis y teorías explicativas, realizar pruebas y experimentos válidos, documentar y publicar los resultados, y Producir nuevos conocimientos. La ciencia se trata de producir nuevos conocimientos.

Los no científicos a menudo ven a los científicos descubriendo cosas nuevas paso a paso y avanzando o avanzando en línea recta hasta que se resuelvan todos los problemas del Universo. Es cierto que el conocimiento es acumulativo. Ahora sabemos mucho más sobre el átomo de lo que solíamos saber y en los últimos 100 años más o menos se han descubierto nuevas partículas subatómicas una tras otra. Pero la mayoría de la ciencia no procede en línea recta. A menudo, se descubren muchas cosas nuevas a la vez y algunas pueden ser totalmente inesperadas. Es lo inesperado lo que hace que la ciencia sea tan interesante; el momento "Eureka!" o "¡Ajá!", de repente al darse cuenta de que uno tiene una especie completamente nueva de fósiles o peces vivos, o una ecuación que nadie ha visto antes. Necesita un nombre y usted puede nombrarlo, viviendo así para siempre en los anales de la ciencia. Este es uno de los aspectos menos importantes de la ciencia, pero es difícil sobreestimar la emoción del descubrimiento.

El mundo de la ciencia no es diferente del mundo de cualquier otra cosa. Es el mismo mundo, con los mismos problemas, las mismas soluciones, la misma ingeniería. Es solo misterioso porque solo relativamente pocas personas realmente lo entienden. Y esto es en gran parte culpa de los científicos, aquellos que practican la ciencia. La mayoría de los científicos se han contentado con realizar su investigación y no han estado dispuestos o no han podido informar al público sobre su importancia o sus métodos y éxitos. Como resultado, muchos tienen una visión frankensteiniana de la ciencia; del "científico científico" en su laboratorio con rayos cayendo a su alrededor. Los científicos están comenzando a comprender que deben comunicarse más a menudo, de manera más efectiva y con más previsión con los medios y el público que en el pasado, y esto es especialmente cierto para los científicos del cambio climático. El clima es familiar para todos como el tiempo. El clima se ha descrito como el tiempo durante un largo período de tiempo que generalmente se considera que significa al menos 30 años. Pero es más que el tiempo. El tiempo se pronostica con días y semanas de anticipación. El clima aborda décadas, años, milenios y millones y miles de millones de años en el pasado, así como las proyecciones del clima en el futuro. Aunque la ciencia del cambio climático ha establecido que la Tierra está experimentando una tendencia al calentamiento; se está volviendo cada vez más cálido y el número de artículos científicos publicados de apoyo está creciendo exponencialmente, las noticias sobre esta evidencia fortalecedora del calentamiento global tienden a llegar al público en pedazos.

2 Principios Científicos

Las personas que representan a los medios de comunicación (radio, televisión, blogosfera, periódicos y revistas) han demostrado una increíble falta de liderazgo al informar la verdad sobre el calentamiento global. Es como si ellos intentaran presentar a los dos lados por igual cuando no son iguales. Aproximadamente el 97% de los científicos del clima reconocen que la Tierra se está calentando y que el calentamiento global es real. No hay dos lados iguales para la ciencia del cambio climático, así como tampoco hay dos lados iguales para las ciencias de la tectónica de placas o la evolución. El clima de la Tierra está cambiando y la población mundial debe obtener la información adecuada para poder enfrentarlo. La prensa y otros medios deben extraer los hechos relacionados con el calentamiento global e informarlos al público; pero también es el científico del cambio climático el que debe comunicar estos cambios a los medios y los medios, además del científico, deben comunicar estos cambios al público. Para comprender la ciencia del clima o cualquier ciencia es necesario comprender algunos principios básicos, y estos no son difíciles. No existe un gran misterio sobre la ciencia o los científicos. Los principios básicos de la ciencia son aquellos con los que la mayoría de las personas están familiarizadas; tales como el pensamiento lógico y crítico, la organización, la documentación, la capacidad de escribir oraciones completas, la persistencia, la paciencia y la capacidad de comunicar los resultados de su ciencia entre sí, los medios de comunicación y el público. Los científicos individuales no trabajan las 24 horas del día en un laboratorio solitario con un asistente auxiliar que le trae café o té. Los científicos de hoy en día generalmente trabajan como un equipo de individuos, algunos con diferentes antecedentes. Por ejemplo, un programador de computadoras puede necesitar información de un químico para escribir una fórmula para el programa climático que el grupo está usando. A menudo, los geólogos necesitan información de un físico o un oceanógrafo para completar una teoría o hipótesis. Los científicos también son humanos y van a sus hogares después del día de trabajo y juegan con sus videojuegos, cónyuges, hijos y nietos. Se puede decir que la mayoría son individuos "normales". Participan en sus comunidades, van a eventos deportivos, van de campamento, ayudan a sus hijos y a sus amigos con su trabajo escolar, juzgan ferias de ciencias, viajan a conferencias y, en general, intentan disfrutar de la vida.

2.5 Jerga Científica Es cierto que cada ciencia tiene su propio conjunto de jerga, al igual que la medicina, pero una vez pasada la jerga, casi cualquier persona puede convertirse en un científico con la educación adecuada y un conjunto de valores personales. La mayor parte de la jerga de la ciencia climática se encuentra en el Glosario que se encuentra al final del texto, pero como cualquier ciencia, hay algunos términos básicos que deben definirse aquí con el fin de comenzar. Las siguientes definiciones son importantes y necesarias cuando se inicia una discusión sobre la ciencia del cambio climático:  Joule - Una unidad de energía que se define como el trabajo requerido para producir un vatio de energía por un segundo, o un "vatio segundo" (W.s).

2.5 Jerga Científica

 Watt - La unidad, definida como un julio por segundo, mide la tasa de conversión o transferencia de energía. En ciencias del clima, la energía se mide en vatios por metro cuadrado. (W/m2).  Cambio climático global - Un cambio del sistema climático de la Tierra. Los cambios son mundiales, no regionales o locales, y pueden incluir un calentamiento o enfriamiento.  Calentameinto global - Un calentamiento del sistema de la Tierra, ya sea por fuerza o por retroalimentación, generalmente en combinación. Esto ocurre en todo el mundo, pero puede haber excepciones a nivel local y regional.  Radiación - El Sol irradia energía en todas las direcciones y esa energía que golpea la Tierra calienta la atmósfera, la tierra y los océanos en forma de radiación de onda corta o ultravioleta. Parte de la energía que impacta a la Tierra se re-irradia al espacio como radiación de onda larga. No toda esta energía escapa al espacio y parte de ella queda atrapada en la atmósfera por los gases de efecto invernadero (GEI) que irradian energía hacia la Tierra.  Radiación ultravioleta (UV) - La luz solar recibida por la atmósfera de la Tierra tiene la forma de radiación ultravioleta de onda corta, luz visible y algunas otras longitudes de onda.  Radiación infrarroja (IR) - El calor emitido por la Tierra tiene la forma de radiación infrarroja de onda larga.  Efecto Invernadero Natural - Calentamiento de la atmósfera inferior por gases de efecto invernadero que atrapan la energía y la irradian de vuelta a la Tierra. El dióxido de carbono (CO2) y el vapor de agua son dos de estos gases de efecto invernadero. El dióxido de carbono consiste en un átomo de carbono con un átomo de oxígeno unido a cada lado. Cuando sus átomos están unidos entre sí, la molécula de dióxido de carbono puede absorber la radiación infrarroja y la molécula comienza a vibrar. La molécula vibratoria emitirá la radiación nuevamente y es probable que sea absorbida por otra molécula de gas de efecto invernadero, o irradiada al espacio exterior, o de regreso a la superficie de la Tierra. Este ciclo de absorción-emisión-absorción sirve para mantener el calor cerca de la superficie de la Tierra, aislando efectivamente la superficie. El efecto invernadero es el que permite que existan formas vivas en la Tierra. Una parte de la energía radiante del Sol es reflejada de regreso al espacio por la parte superior de la atmósfera (TOA). Los rayos del sol son radiación UV. Parte de la radiación UV es absorbida por la atmósfera, la tierra y el océano. La tierra y el océano, calentados por el Sol, irradian energía térmica como radiación IR. Sin el efecto invernadero, la temperatura de la superficie de la Tierra promediaría al menos −15 °C en función de su tamaño, constitución y distancia del Sol.  Efecto Invernadero Antropogénico - Mayor efecto invernadero que causa un mayor calentamiento de la Tierra debido a la adición de gases de efecto invernadero a la atmósfera por la quema de combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural) y la deforestación. Ahora estamos viviendo en una Tierra que está experimentando un efecto invernadero antropogénico debido a las actividades humanas.  Sistema Terrestre - La Tierra sólida, los océanos, el interior de la Tierra, los gases que forman la atmósfera, el Sistema Solar y cualquier otra influencia que pueda afectar a la Tierra. El sistema de la Tierra incluye toda la Tierra; pasado, presente y futuro.

2 Principios Científicos

 Forzamiento climático - Una causa natural o antropogénica (creada por el hombre) para que el clima cambie. Una fuerza que provoca el cambio climático. Un ejemplo de forzamiento es la cantidad de radiación emitida por el Sol; Si el Sol está más activo, aumenta la radiación que golpea la Tierra, el planeta se calienta; Si la salida de radiación del Sol disminuye, la Tierra se enfría. Un forzamiento hace que el sistema climático del planeta se acumule o pierda calor, y esto es lo que causó el cambio climático.  Retroalimentación climática - Una respuesta a un forzamiento que causa una amplificación o reducción del cambio climático forzado. Una retroalimentación climática puede ser positiva o negativa. Una retroalimentación positiva provoca un aumento de la fuerza; una retroalimentación negativa detiene o ralentiza el aumento de la fuerza; una retroalimentación negativa también podría hacer que se invierta el forzamiento.

2.6 Communicación Entre Científicos y el Público La comunicación entre los científicos y el público, especialmente a través de los medios de comunicación, es un problema que ha resultado difícil para los científicos en la mayoría de las áreas de la ciencia. La mayoría de los científicos se contentan con hacer ciencia y dejar que otros hagan la comunicación. Muchas organizaciones grandes que emplean a científicos, como los Laboratorios Nacionales de EE. UU. Y las grandes compañías privadas (por ejemplo, compañías de tabaco, productos químicos o energía) tienen un departamento de relaciones públicas o una organización dentro de la organización que se ocupa del público. Este grupo organizativo generalmente no tiene científicos en su personal y, a menudo, los hechos y conceptos científicos básicos se pierden en la comunicación entre el científico y el grupo de relaciones públicas, o entre el grupo de relaciones públicas y los medios, o entre los medios y el público. El resultado es una falta de comunicación y la pérdida o la distorsión del conocimiento científico básico. El público a menudo está mal informado. “Misinformation”, involuntariamente falso, puede transmitirse al público. Y esto es lamentable, pero a menudo se corrige. Si un periodista comete un error, el periodista honesto suele corregirlo rápidamente. Sin embargo, la mayor parte de la información errónea que se pasa al público es “disinformation” (intencionalmente falsa) debido a intereses creados o ignorancia o ambos. Y la “disinformation” no se corrige porque es intencional. Otra situación que ha ocurrido recientemente (2009 y 2011) se ejemplifica mediante correos electrónicos robados de un grupo de científicos del clima y editados selectivamente y enviados a los escépticos y negadores del calentamiento global en Internet. Esto se conoció como "Climategate". Los medios noticiosos recogieron la historia e hicieron titulares en todo el mundo. Se han realizado al menos nueve investigaciones independientes (incluida una por el Congreso de los EE. UU. Y otra por la Cámara de los Comunes del Reino Unido). Aunque todas estas investigaciones determinaron que los correos electrónicos no cambiaron la ciencia de que el calentamiento global estaba ocurriendo, los medios de comunicación ignoraron en gran medida los hechos resultantes de las investigaciones. Las correcciones ya no eran noticia y muchos ciudadanos del público en general siguen teniendo información falsa no intencionada.

2.7 El Concepto de Tiempo

2.7 El Concepto de Tiempo La ciencia del cambio climático se ocupa de los principios científicos y también se ocupa del cambio climático a lo largo del tiempo. El cambio climático ocurre durante décadas, años, milenios y millones de años. El tiempo es algo que todos experimentamos, pero no es algo que se defina fácilmente. Para nuestros propósitos, una forma de ver el tiempo es dividir el tiempo en pasado, presente y futuro. Las siguientes son declaraciones que se refieren al tiempo:       

La Guerra Civil de los Estados Unidos comenzó en 1865; John Q. nació a las 5:14 am, 2 de noviembre de 2000; La Guerra de 1812 se libró entre la Guerra Revolucionaria y la Primera Guerra Mundial; La Tierra se formó hace unos 4.54 mil millones de años; C. completó el maratón de Boston en 5 h y 32.5 min; La bola rápida de Martin se ha cronometrado a 95.3 millas por hora. Un satélite ruso entrará en la atmósfera de la Tierra el 10 de junio de 2050.

De las declaraciones anteriores se puede ver que algunas referencias al tiempo son en tiempo absoluto, como el nacimiento de John Q. y la edad de la Tierra. Otros hacen referencia a un intervalo de tiempo, como la bola rápida de Martin que viaja a 95.3 millas por hora. Otra declaración de tiempo es por referencia a otros eventos, como la Guerra de 1812. Tales declaraciones pueden ser interesantes para algunos, pero ninguna nos dice qué hora es. Una definición de diccionario del tiempo es la siguiente: Una parte del sistema de medición utilizado para secuenciar eventos, para comparar la duración de los eventos y los intervalos entre ellos, y para cuantificar las tasas de cambio, como el movimiento de los objetos (de Wikipedia, la Enciclopedia Libre).

Por lo tanto, el tiempo es un sistema ideado por los humanos para medir eventos, como el inicio, la duración, la predicción o el final de un evento o secuencia de eventos. Para medir algo, uno debe tener una escala, como un reloj o punto de referencia, como el inicio de una carrera o el comienzo de un evento; una semana, mes o año medido en un calendario; o una fecha de nacimiento. Se puede afirmar en un sentido relativo, como la Guerra Civil de los EE. UU. Ocurrida después de la Guerra Revolucionaria y antes de la Primera Guerra Mundial. O se puede indicar como un evento que comienza en una determinada fecha, hora, minuto y segundo de tiempo. El tiempo puede medirse en una escala relativa o indicarse como un tiempo absoluto. Los eventos geológicos y climáticos tienen lugar en una variedad de escalas de tiempo: décadas, años, cientos, miles y millones de años. El tiempo geológico generalmente se expresa en miles, millones o miles de millones de años. El siguiente diagrama (Fig. 2.1) muestra líneas de tiempo para eventos históricos y climáticos. Los eventos que representan el tiempo geológico (Fig. 2.2) tienen lugar durante millones de años (como episodios de construcción tectónica o de montaña), miles de años (episodios orbitales, glaciales, interglaciales), y los eventos humanos tienen lugar en minutos, horas, días, semanas, décadas, siglos y posiblemente un par de miles de años (como eventos históricos, como el año 01-2012 DC). El tiempo geológico se mide en una escala que se divide en eventos importantes, como la primera aparición en el registro fósil de trilobites (Cámbrico), o los

28 Año (DC) Mojado Monzones Asiáticos Seco

Caliente Temperaturas del Hemisferio Norte

Frío Más pequeña

Glaciar Alpino

Caída de la Dinastía Tang y civilización Maya Periodo prospero de la cancíon del norte Vikingos colonizan Groenlandia

Caída de la Dinastía Yuan Colonias Vikingas en declive

Caída de la Dinastía Ming

Fig. 2.1 Escalas de tiempo para diferentes eventos climáticos e históricos de los últimos 2.000 años. Azul - monzones asiáticos; Rojo temperatures Temperaturas del hemisferio norte; Verde Glaciares alpinos (Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., Dominio público)

2.7 El Concepto de Tiempo

primeros fósiles similares a los humanos (hace 4,4 millones de años), la extinción de los dinosaurios (el límite Cretáceo-Terciario hace 65,5 millones de años), o los primeros signos de vida en el registro fósil (hace 3.500 millones de años). La escala de tiempo geológico se muestra esquemáticamente en la Fig. 2.2 y el Apéndice I, y es importante estar familiarizado con las principales subdivisiones del tiempo geológico, como los períodos y épocas que se muestran en el Apéndice I lo antes posible. La escala de tiempo geológico se usa a lo largo de este texto y los eventos se dan en tiempo absoluto o en tiempo relativo, o en ambos. Los eventos tectónicos (construcción de montañas) tienen lugar durante millones de años; Los eventos orbitales, los cambios en la órbita de la Tierra, tienen lugar durante cientos de miles de años; los eventos glaciales-interglaciales tienen lugar durante miles de años; y eventos históricos tienen lugar durante cientos o miles de años. ¿Cómo se expresa el tiempo? En un párrafo anterior, Cámbrico, 4.4 millones, 3.5 mil millones, y el límite Cretáceo-Terciario se usan para expresar el tiempo, ya sea como años atrás o mediante el uso de nombres geológicos como Cámbrico, Cretáceo y Terciario. Desde la columna geológica en la Fig. 2.2 y el Apéndice I, es posible poner estos dos medios de expresar el tiempo en una perspectiva geológica; Es posible colocar los eventos anteriores en un marco de tiempo geológico. La Tierra tiene aproximadamente 4.54 billones de años; Esto significa que la Tierra se originó hace 4.54 billones de años o 4.540.000.000 de años, o 4.54 × 10 hace 9 años. Los primeros 4, 000, 000, 000 (4 mil millones) de años de la historia de la Tierra, según lo interpretado por las rocas que se formaron durante ese período de tiempo, no nos dicen mucho sobre los eventos que ocurrieron durante ese intervalo. Las rocas que representan ese intervalo de tiempo son demasiado complejas y reelaboradas para revelar mucho sobre el tiempo representado. Los geólogos se refieren a ese período de tiempo como el "tiempo precámbrico" o precámbrico. El Precámbrico no es un nombre formal, sino que se refiere a un intervalo de tiempo geológico que precedió al Período Cámbrico (Fig. 2.2). Hace quinientos cuarenta millones de años, o hace 540, 000, 000 (540 millones) de años, o hace 5,4 × 108 años, sucedió algo que permitió a los organismos vivos entonces extraer carbonato de calcio y sílice del agua de mar para hacer partes duras. Estas partes duras se conservan hoy en las rocas de la Tierra y permiten a los geólogos (y paleontólogos) interpretar los eventos que rodean a estos organismos; cómo vivieron, dónde vivieron, cómo murieron y cómo evolucionaron. El clima de la Tierra comenzó a enfriarse hace unos 35 millones de años, hace 35, 000, 000 de años, o hace 3,5 × 10 7 años y el continente de la Antártida comenzó a congelarse (los glaciares comenzaron a formarse en el continente). La Tierra continuó enfriándose y el planeta experimentó varias edades de hielo; luego se calentó y enfrió una y otra vez en ciclos. El último avance glacial continental en la Tierra alcanzó su máxima extensión hace aproximadamente 18,000 o 1.8 × 104 años y los glaciares se han retirado desde entonces, durante los últimos 18,000 años, con períodos relativamente cortos de detención y luego expansión. En los últimos 260 años, desde la Revolución Industrial, la retirada del hielo glacial de la Tierra ha aumentado debido principalmente a las emisiones de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero de la quema antropogénica (de la humanidad) de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural); y ahora está sucediendo tan rápidamente que se ha convertido en un problema de proporciones globales y preocupación.

2 Principios Científicos

2.8 De los Periodos Calientes a los Fríos El cambio climático ha estado ocurriendo durante gran parte de la historia de la Tierra en escalas de décadas, cientos, miles, millones y miles de millones de años. Las temperaturas en la Tierra han pasado de "hothouse o periodos calientes" a " icehouse o periodos fríos" y de nuevo en ciclos a lo largo de la historia de la Tierra. Pero los cambios climáticos del pasado lejano son naturales; han tenido causas naturales que los científicos pueden identificar. Los cambios climáticos más recientes que comenzaron hace unos 10.000 años, y especialmente los últimos 260 años aproximadamente, han sido el resultado de las actividades de la humanidad y su impacto en el clima de la Tierra. Hay abundante evidencia de que los humanos viven en un período de la historia de la Tierra que es único debido a estos efectos de la humanidad en el planeta. Debido a esto, el tiempo actual se conoce como la Época del Antropoceno. El Antropoceno comenzó hace aproximadamente 8,000 años con el advenimiento de la agricultura, cuando los humanos comenzaron a cultivar alimentos para más y más personas; el final de la etapa de cazadores-recolectores de la existencia humana. El impacto de la agricultura en la atmósfera, por supuesto, continúa hoy con la agricultura, la quema de combustibles fósiles y la deforestación, y estos impactos continuarán en el futuro. Estos diferentes impactos que los humanos están teniendo y han tenido en el Planeta Tierra se discutirán en secciones posteriores de este texto.

2.9 Desequilibrio Energético de la Tierra Cuando la cantidad de energía que ingresa a un sistema es igual a la energía liberada por un sistema, se dice que el sistema está en equilibrio. En el planeta Tierra, si la cantidad de energía que sale del sistema es igual a la cantidad de energía que ingresaba al sistema, el sistema estaría en un estado de equilibrio energético. La Tierra actualmente no tiene una condición de equilibrio energético porque entra más energía al sistema climático de la que se libera al espacio. Este desequilibrio energético es lo que hace que la Tierra se caliente. Los satélites miden de manera precisa la cantidad de energía que ingresa al sistema climático de la Tierra en la parte superior de la atmósfera. Los satélites también miden con precisión la cantidad de energía que escapa al espacio. Este último es menor que el primero y esto se ha medido desde finales de la década de 1970 cuando los satélites capaces de medir la energía de la Tierra se colocaron en la órbita de la Tierra. El desequilibrio energético de la Tierra se analiza con más detalle más adelante en este texto.

2.10 Una Introducción a la Ciencia La ciencia es el uso de leyes y principios naturales para promover el avance del conocimiento humano. A este respecto, la ciencia se distingue de la no ciencia mediante el uso de leyes naturales para resolver problemas y obtener comprensión. La investigación científica y el empirismo son básicos para expandir el conocimiento humano.

2.10 Una Introducción a la Ciencia

La mayor parte del pensamiento occidental se remonta a los antiguos griegos, donde vemos los inicios de los intentos de comprender el mundo natural. Este período de la historia humana marca el final de la práctica exclusiva del misticismo para explicar las leyes y eventos naturales. La ciencia moderna generalmente se remonta al período moderno temprano durante lo que se conoce como la Revolución Científica de los siglos XVI y XVII. La Revolución Científica estuvo marcada por una nueva forma de estudiar el mundo natural, por la experimentación metódica y la observación dirigida a definir las "leyes de la naturaleza". Ejemplos de las ciencias básicas son astronomía, biología, química, física y geología. Cada una de estas ciencias tiene áreas de especialización, como biología (ecología, genética), química (orgánica, inorgánica y analítica), Ciencias de la Tierra (climatología, oceanografía), física (experimental, teórica) y geología (petrología, mineralogía, paleontología). Cada una de las ciencias es experimental y observacional con el conocimiento humano avanzando mucho por cada una de ellas. También hay ciencias interdisciplinarias como la geofísica, la bioquímica, etc. Los avances en biología son cosas como mapear el genoma humano y descubrir la estructura del ADN. Los avances en la química nos rodean con nuevos compuestos orgánicos y medicamentos. Los avances en física son una mayor comprensión del cosmos y el átomo. Los avances en geología han sido el concepto de la tectónica de placas y la deriva continental, y los avances en ciencias de la Tierra están en las áreas de climatología y ciencia del cambio climático.

2.10.1 Razones para Estudiar Ciencias Hay muchas razones para estudiar ciencias, pero quizás la principal, al menos para los científicos de la Tierra, es la curiosidad sobre el mundo natural. Las respuestas a preguntas como cómo llegó la Tierra a donde está hoy, por qué las colinas y los valles están donde están hoy, cómo llegaron a ser así, ¿de dónde vinieron los humanos? ¿Por qué existen los humanos? Todas estas preguntas tienen respuestas y los científicos son los que las proporcionan. La curiosidad impulsa los esfuerzos científicos y científicos, o la investigación. Richard Feynman, físico y uno de los científicos más respetados del siglo XX y uno de los científicos del Laboratorio Natural de Los Alamos que trabajó en el desarrollo de la bomba atómica durante la Segunda Guerra Mundial, describió la ciencia a sus alumnos de la siguiente manera: El principio de la ciencia, la definición, casi, es el siguiente: la prueba de todo conocimiento es el experimento. El experimento es el único juez de la "verdad científica". Pero, ¿cuál es la fuente del conocimiento? ¿De dónde provienen las leyes que se van a probar? El experimento en sí mismo ayuda a producir estas leyes, en el sentido de que nos da pistas. Pero también se necesita imaginación para crear a partir de estas sugerencias las grandes generalizaciones: adivinar los patrones maravillosos, simples pero muy extraños que se encuentran debajo de todos ellos, y luego experimentar para verificar nuevamente si hemos acertado.

Feynman también observó: "Hay una frontera en expansión de la ignorancia. Las cosas deben ser aprendidas solo para ser desaprendidas nuevamente o, más probablemente, para ser corregidas".

2 Principios Científicos

2.10.2 La Filosofía de la Ciencia La filosofía de la ciencia es simplemente que uno se esfuerce por comprender y, con suerte, hacer del mundo un lugar mejor. Esta es también la filosofía de los científicos. Hacer de la Tierra un lugar mejor para vivir no es fácil y no se puede dejar solo al azar porque los humanos están teniendo una influencia adversa en nuestro planeta y han tenido este tipo de influencia desde al menos el comienzo de la Revolución Industrial a mediados del siglo XVIII. Si aceptamos el concepto del Antropoceno (anthros, "humano"; cene, "nuevo") como un intervalo de tiempo legítimo, los humanos han estado afectando negativamente al planeta durante los últimos 10,000 años o antes, desde que el primer árbol fue cortado o el primer hombre que usó fuego. La ciencia ha hecho que la civilización avance de muchas maneras y algunos científicos se han hecho conocidos como resultado: Galileo (el lugar de la Tierra en el espacio en relación con el Sol), Albert Einstein (relatividad, E = MC2), Charles Darwin (evolución y selección natrural), Watson y Crick (ADN), Isaac Newton (leyes básicas de la física moderna), Carl Sagan (astronomía), etc. La ciencia de la Tierra también ha conocido a algunos de sus científicos, como James Hutton (Uniformitarianismo), Harry Hess (difusión en el mar), Michael Mann (el "palo de hockey"), Phil Jones (CRU y correos electrónicos robados), Richard Alley (Earth: The Operator Opes Manual), etc. Pero los científicos no practican la ciencia para ser conocidos, famosos, ricos, o incluso celebridades. Se convierten en científicos para avanzar en el conocimiento del mundo que los rodea; experimentar, probar y, por lo tanto, expandir el conocimiento del mundo que nos rodea. La ciencia generalmente avanza de maneras algo misteriosas. Un avance importante se anuncia con mayor frecuencia a la prensa o alguien gana un Premio Nobel, o alguien inventa un nuevo dispositivo como el teléfono celular o una nueva computadora personal, tableta electrónica o teléfono inteligente. La ciencia avanza en forma y comienza. Pero ha mejorado mucho la vida en el planeta de muchas maneras. Los avances en la ciencia médica generalmente se publicitan bien ya que afectan directamente a las personas; pero también lo hace el cambio climático, incluso más que la medicina. El cambio climático global afecta a todos en la Tierra y el cambio climático global puede conducir eventualmente a los "cuatro jinetes del Apocalipsis"; hambre, muerte, pestilencia y guerra, y afectarán a todas las criaturas vivientes en la Tierra que sean sostenidas por la atmósfera; Pero, de nuevo, puede que no. La segunda década del siglo XXI (2010-2019) está en camino de ser la década más calurosa jamás registrada después de que la primera década (2000-2009) fue la más cálida jamás registrada, aunque su tasa de aumento de temperatura se ha reducido un poco. Los estudiantes de ciencias introductorias deben comprender que el planeta se está calentando y saber qué está sucediendo, por qué y algo sobre lo que debe ser y se puede hacer al respecto, en todo caso. ¿Por qué estudiamos ciencia y cómo la estudiamos? ¿Por qué es importante la ciencia? A continuación, echemos un vistazo a lo que algunos de los grandes pensadores del pasado nos han enseñado acerca de por qué la ciencia y la adquisición de conocimiento son importantes para la humanidad. La filosofía básica de la ciencia se puede rastrear desde Aristóteles a través de la época medieval (500-1450 dC) hasta el presente al discutir algunos de los diferentes filósofos de la ciencia y cómo sus ideas han evolucionado con el tiempo, especialmente las relacionadas con la ciencia en general y la ciencia del clima en particular.

2.10 Una Introducción a la Ciencia

Los filósofos de la ciencia han sido principalmente matemáticos debido a su percepción de la pureza de las matemáticas (por ejemplo, Descartes, Russell). Bacon, Newton, Popper y otros, y sus ideas, se discuten brevemente en las siguientes secciones. La metáfora del "cisne negro" se usa para discutir el empirismo. La filosofía de la ciencia es tan antigua como la ciencia misma. La filosofía ha sido descrita como "el amor a la sabiduría" y es difícil distinguirla de la ciencia. La ciencia también es el amor a la sabiduría o al menos el amor a saber cómo obtener las respuestas a los problemas. Y resolver problemas y obtener respuestas proporcionan sabiduría. A medida que los antepasados del hombre moderno comenzaron a preguntarse acerca de las cosas que lo rodeaban, comenzó a hacer las preguntas "qué" y "por qué". Y encontró las respuestas lentamente a medida que se hacía cada vez más consciente de su mundo a medida que pasaba el tiempo. La filosofía de la ciencia se clasifica como una asignatura de filosofía, no de ciencia. Quienes lo practican en su mayor parte no son científicos, pero han contribuido a la forma en que el mundo ve a la ciencia y a los científicos, por lo que es pertinente presentarlo aquí, aunque otros podrían estar en desacuerdo. "La filosofía de la ciencia es tan útil para los científicos como la ornitología para las aves", según el físico Richard Feynman. En respuesta al comentario de Feynman, algunos filósofos han señalado que es probable que el conocimiento ornitológico sea de gran beneficio para las aves, si les fuera posible poseerlo. La mayoría de las ideas y los inicios del pensamiento occidental comenzaron con los antiguos griegos. Muchas ideas se remontan en el tiempo a Aristóteles, especialmente las ideas sobre cómo se adquiere el conocimiento.

2.10.3 Historia Temprana de la Ciencia La ciencia comenzó cuando los humanos comenzaron a preguntarse sobre el mundo que los rodea. Los primeros humanos probablemente fueron aterrorizados por eventos naturales como vientos fuertes, terremotos y rayos. Hoy en día, las tormentas violentas siguen siendo eventos naturales atemorizantes y pueden ser mortales cuando generan inundaciones, tornados y ciclones. Las erupciones volcánicas aún son impresionantes y los primeros habitantes humanos que vivían cerca de ellos tenían miedo de ellas y se preguntaban qué las estaba causando. Sus primeras explicaciones fueron fantasía y superstición. Tramaron dioses y demonios para explicar lo desconocido y esto se puede presenciar hoy en la sociedad moderna. La curiosidad de la humanidad es uno de los atributos humanos más básicos. La necesidad de saber cómo funciona algo y por qué funciona es una parte básica de la naturaleza humana y la curiosidad alimenta la necesidad de que los humanos intenten comprender los sistemas naturales, como el sistema climático. Y el sistema climático es de hecho complejo, fluido y difícil de entender. Pero esa es una razón suficiente para que los científicos del clima trabajen con entendidos y especialistas, como oceanógrafos y glaciólogos, para tratar de desentrañar partes y piezas. Y los científicos del cambio climático usan el empirismo, la inducción y la deducción a partir de las cuales sacar sus conclusiones y construir sus modelos. Los primeros científicos notables fueron griegos y romanos; nombres como Aristóteles, Plinio el Viejo, etc. Éstos fueron suplantados por ingleses, alemanes y otros

2 Principios Científicos

eruditos europeos después de la Edad Media y el Renacimiento, como Bacon y Newton, y luego por científicos más modernos.

2.10.4 Aristóteles (384–322 AC) Aristóteles fue un filósofo griego cuyos escritos incluyeron física y muchos otros temas (por ejemplo, metafísica, lingüística, política, biología, etc.) y es considerado uno de los padres fundadores de la filosofía occidental. Sus puntos de vista recorrieron un largo camino en la formación de la erudición medieval y se extendieron hasta el Renacimiento e incluso hoy. Sus puntos de vista científicos, tanto en las ciencias físicas como biológicas, y su explicación de la lógica forman la base de gran parte de los trabajos científicos y matemáticos posteriores en esos campos.

Las opiniones de Aristóteles sobre lógica y religión continúan siendo leídas. Se estima que solo alrededor de 1/3 de sus obras han sobrevivido, pero las que aún están en estudio. Él creía que el conocimiento se ganaba mediante la observación empírica y la experiencia.

Nuestro intento de justificar nuestras creencias lógicamente dando razones da como resultado la "regresión de las razones". Dado que cualquier razón puede ser cuestionada aún más, la regresión de las razones amenaza con ser una regresión infinita. Sin embargo, dado que esto es imposible, debe haber razones por las cuales no es necesario que existan otras razones, es decir, razones que no necesitan ser probadas. Por definición, estos son los primeros principios. El "problema de los primeros principios" surge cuando preguntamos por qué no sería necesario probar tales razones. La respuesta de Aristóteles fue que los primeros principios no necesitan ser probados porque son evidentes, es decir, se sabe que son verdaderos simplemente al comprenderlos y comprender los resultados de la observación y la experiencia. El empirismo de Aristóteles fue que el conocimiento comienza con la experiencia. Llegamos a los primeros principios a través de la inducción. Pero no hay certeza en las generalizaciones de la inducción. El "problema de la inducción" es la pregunta "¿Cómo sabemos cuándo hemos examinado suficientes casos individuales para hacer una generalización inductiva?". Por lo general, no podemos saberlo. Por lo tanto, para pasar de la incertidumbre de las generalizaciones inductivas a la certeza de los primeros principios evidentes, debe haber un "salto" intuitivo, a través de lo que Aristóteles llama "Mente". Esto une el sistema. Un sistema deductivo de los primeros principios (como la geometría euclidiana) es lo que Aristóteles llama "conocimiento" ("epistemê" en griego o "ciencia" en latín). La influencia de Aristóteles duró más en la Iglesia Católica Romana que en la filosofía de la ciencia. En las ciencias físicas, las opiniones científicas de Aristóteles fueron suplantadas por la física newtoniana.

2.11 Primeros Científicos Es difícil decir quién fue el primer científico y depende en gran medida de la definición de científico. Sabemos que los escritos de Aristóteles muestran que utilizó el empirismo y la deducción. Razonó mucho como lo hacen los científicos hoy. Pero tal vez, y

2.11 Primeros Científicos

casi con seguridad, hubo naturalistas inteligentes que razonaron a partir de las cosas que vieron a su alrededor y sacaron conclusiones de esas observaciones. Es muy probable que entre nuestros primeros antepasados haya quienes usaron sus mentes de manera científica, por lo que no es importante identificar al primer científico, incluso si pudiéramos; así como no es importante identificar al primer ancestro humano. Los antropólogos físicos y los paleontólogos humanos pueden estar en desacuerdo, pero para nuestros propósitos solo necesitamos rastrear los intereses anteriores en el mundo natural y el cambio climático para poder poner nuestras ideas actuales sobre el cambio climático en una perspectiva histórica.

2.11.1 Plinio el Viejo (23 DC – 79 DC) Plinio el Viejo fue un erudito y naturalista romano que perdió la vida en la erupción del volcán Vesubio en el año 79 d. C., ubicada en la Bahía de Nápoles, Italia, que destruyó las ciudades de Pompeya y Herculano. Plinio fue el principal naturalista de su época y escribió numerosos volúmenes sobre lo que entonces se llamaba historia natural, incluida la geología, la botánica y la zoología. Se lo conoce como Plinio el Viejo porque su sobrino y su hijo adoptivo, que escribió artículos sobre su vida y muerte, se conoce como Plinio el Joven (63-113 dC). Plinio el Viejo fue el autor de al menos 75 libros publicados, sin mencionar otros 160 volúmenes de cuadernos inéditos. Sus libros incluyeron volúmenes sobre tácticas de caballería, biografía, una historia de Roma, un estudio de las campañas romanas en Alemania (20 libros), gramática, retórica, historia contemporánea (31 libros) y su obra más famosa, su único libro sobreviviente, “Historia Naturalis” (Historia natural), publicada en el año 77 d. C. La historia natural consta de 37 libros que incluyen todo lo que los romanos sabían sobre el mundo natural en los campos de la cosmología, astronomía, geografía, zoología, botánica, mineralogía, medicina, metalurgia, y agricultura. Plinio el Viejo estaba en un barco en la Bahía de Nápoles cuando comenzó la erupción del Vesubio en el año 79 dC y, según una historia, recibió un mensaje de un amigo que estaba cerca del volcán y pidió ser rescatado. Plinio tomó un bote rápido hacia la orilla para rescatar a su amigo y murió naturalmente en la costa o fue asesinado por los gases tóxicos que se originaban en la erupción volcánica. Puede encontrar información adicional sobre la vida y los logros de Plinio el Viejo en el siguiente sitio web: http://www.livius.org/pi-pm/pliny/pliny_e2.html.

2.11.2 Claudio Ptolomeo (c. 90 d. C. – c. 168 d. C.) Claudio Ptolomeo (c. 90 d. C.- c. 168 d. C.), era un ciudadano romano de Egipto que escribió en griego. Fue matemático, astrónomo, geógrafo, astrólogo y poeta. Se le atribuye haber escrito el único tratado antiguo sobre astronomía completo que sobrevive en el que consideraba que el universo conocido era geocéntrico con

2 Principios Científicos

todo girando alrededor de la Tierra. Este modelo se hizo conocido como la Hipótesis Ptolemaica o modelo Ptolemaico del Sistema Solar; que el Sol, la Luna y todos los planetas giraban alrededor de la Tierra.

2.11.3 Nicolás Copérnico (1473–1543) Nicolás Copérnico (1473-1543) fue un astrónomo renacentista que primero propuso que la Tierra no era el centro del Universo o el Sistema Solar. Propuso que el Sol era el centro del Sistema Solar y que la Tierra giraba a su alrededor. Tal esquema se llama cosmología heliocéntrica o teoría heliocéntrica. Este concepto cambió radicalmente la forma en que la humanidad veía la Tierra y condujo al comienzo de la astronomía moderna. El concepto comenzó lo que a veces se llama la revolución copernicana. Es imposible saber exactamente por qué Copérnico comenzó a abrazar la cosmología heliocéntrica ya que sus razones se pierden en la historia. A pesar de su importancia en la historia de la filosofía, hay una escasez de fuentes primarias en Copérnico. Sus escritos astronómicos fueron pocos. Por lo tanto, muchas de las respuestas a las preguntas más interesantes sobre las ideas y trabajos de Copérnico han sido el resultado de conjeturas e inferencias, y solo podemos adivinar por qué Copérnico adoptó el sistema heliocéntrico.

2.11.4 Galileo Galilei (1564–1642) Galileo Galilei (1564-1642) nació en Pisa, Italia, pero pasó la mayor parte de su vida cerca de Florencia. Se formó como matemático y enseñó matemáticas en la Universidad de Pisa y en la Universidad de Padua. Galileo comenzó a fabricar telescopios después de enterarse de un dispositivo de aumento similar de los holandeses. Apretó sus propios lentes y dirigió sus telescopios hacia el cielo nocturno. Se dice que en 2 meses (en diciembre y enero de 1609), Galileo hizo más descubrimientos que cambiaron el mundo que nadie haya hecho antes o desde entonces. Vio lo que creía que eran montañas en la Luna, haber demostrado que la Vía Láctea estaba formada por estrellas y haber visto cuatro cuerpos pequeños orbitando a Júpiter. Las observaciones de Galileo dieron como resultado su conclusión de que la Tierra y la Luna giraban alrededor del Sol, como Copérnico había teorizado antes que él; que la Tierra estaba en movimiento diario sobre su eje y en movimiento anual alrededor de un Sol estacionario. Galileo también descubrió las manchas solares e informó sobre ellas en 1612. En el momento en que Galileo comenzó su trabajo, la Biblia fue interpretada literalmente por la Iglesia Católica y se creía que la Tierra era el centro del Universo. La teoría de Claudio Ptolomeo (85-165), astrónomo y geógrafo griego, era que la Tierra estaba en el centro y todos los cuerpos celestes giraban a su alrededor. En 1632, Galileo publicó el Diálogo sobre los dos sistemas principales del Mundo-Ptolemaico

2.11 Primeros Científicos

y copernicano, que favoreció la visión copernicana. Hasta esta publicación, Galileo había recibido poca notificación de la Iglesia. Después de su publicación, la Inquisición prohibió su venta y distribución y ordenó a Galileo comparecer ante él en Roma. En este momento, Galileo estaba mal de salud y no podía viajar a Roma. Fue declarado culpable en ausencia y condenado a cadena perpetua. La sentencia en realidad equivalía a arresto domiciliario y no a prisión y Galileo continuó escribiendo y teniendo contacto con sus colegas. Galileo usó observaciones (empirismo) para desarrollar su apoyo a la teoría copernicana de que la Tierra giraba alrededor del Sol y no al revés, y se le da crédito a Galileo por probar finalmente la teoría copernicana.

2.11.5 Francis Bacon (1561–1626) Francis Bacon (1561-1626) fue un filósofo y científico inglés y ha sido llamado el "padre del empirismo" aunque, como hemos visto, ese título debería reservarse para Aristóteles. Estableció metodologías inductivas para el trabajo científico, llamado método baconiano (o simplemente el método científico). Su enfoque planificado previamente para el estudio de las ciencias naturales forma la base del método científico que se utiliza hoy en día. Para tomar el lugar de la tradición establecida que existía durante su vida temprana (que se ha descrito como una combinación de escolasticismo, humanismo y magia), propuso un sistema completamente nuevo basado en principios empíricos e inductivos y el desarrollo activo de nuevas artes e inventos, un sistema cuyo objetivo final sería la producción de conocimiento práctico para el "uso y beneficio de los hombres". Bacon pasó gran parte de sus años profesionales en política y se convirtió en Lord Canciller de Inglaterra. Desafortunadamente, su carrera política terminó en desgracia en 1621 y pasó los últimos años de su vida escribiendo sobre ciencia y filosofía.

2.11.6 Johannes Kepler y Tycho Brahe Johannes Kepler (1571-1630) fue un matemático y astrónomo alemán y una figura importante en la revolución científica en el siglo XVII. Su trabajo y formulación del movimiento planetario formaron la base de la teoría de la gravitación universal de Newton. Kepler estaba familiarizado con las hipótesis ptolemaica y copernicana de la Tierra y el Sol y se convirtió en un firme defensor de las ideas de Copérnico. Es mejor conocido por sus leyes de movimiento planetario. Su trabajo proporcionó la base de las leyes universales de gravitación de Isaac Newton. Kepler fue alumno del noble danés Tycho Brahe (1546-1601). Brahe compiló datos extensos sobre el planeta Marte, que luego resultarían cruciales para Kepler en su formulación de las leyes del movimiento planetario porque sería lo suficientemente preciso como para demostrar que la

2 Principios Científicos

órbita de Marte no era un círculo sino una elipse. Aparentemente, Brahe sospechaba del intelecto de Kepler, temiendo que Kepler lo eclipsara como científico y, por lo tanto, ocultó una gran parte de su trabajo de Kepler.

2.11.7 Isaac Newton Isaac Newton (1642-1727) fue un físico, matemático y astrónomo inglés que sentó las bases de la mecánica clásica, las tres leyes del movimiento y la gravitación universal. Es considerado por muchos como el "científico más grande e influyente que jamás haya existido". Eliminó las últimas dudas del heliocentrismo y recorrió un largo camino para avanzar en la Revolución Científica del siglo XVII. Él construyó el primer telescopio reflector. Newton comparte con Gottfried Leibniz el crédito por desarrollar cálculos diferenciales e integrales. Volveremos a Isaac Newton nuevamente en el siguiente capítulo para discutir las leyes del movimiento.

2.12 Empirismo El empirismo es la idea de que el conocimiento puede derivarse mediante una observación cuidadosa y formulando hipótesis o leyes a partir de estas observaciones. Los orígenes del empirismo se encuentran en Aristóteles. Aristóteles consultaría a todos los expertos y textos escritos de la época, documentaría y catalogaría sus ideas, observaría todo lo que pudiera y luego derivaría principios y leyes basados en toda la información que había visto o leído. La medicina en la antigua Grecia se basó en el empirismo aristotélico que ha tenido una influencia en la medicina y la ciencia hasta nuestros días. El empirismo enfatiza la experiencia y la evidencia en la formulación de principios y leyes. Es fundamental para la filosofía de la ciencia y el método científico que todas las hipótesis y teorías se prueben contra observaciones en el mundo natural o en el laboratorio. Por lo tanto, la metodología científica es en gran medida empírica. Hay problemas con el empirismo que son intuitivos. ¿Cómo se sabe cuándo se adquiere suficiente evidencia para llegar a una conclusión? Si se cuentan todos los cisnes en un área y todos son blancos, la conclusión basada en el empirismo es que todos los cisnes son blancos. Entonces uno observa un cisne negro en otra o la misma área y se demuestra que la conclusión es incorrecta (la "metáfora del cisne negro"). A menudo es imposible conocer toda la evidencia para una conclusión particular, por lo que los científicos recurren a análisis estadísticos y teoría de probabilidad con grandes conjuntos de datos.

2.13 Lógica Inductiva La lógica inductiva se contrasta con la lógica deductiva. La lógica inductiva le dice a uno que si una generalización es verdadera, entonces una conclusión basada en la generalización también es cierta.

2.14 Múltiples Hipótesis de Trabajo

En el proceso de inducción, uno comienza con algunos hechos u observaciones, y luego determina qué conclusión general puede derivarse lógicamente de esos hechos. Se determina qué hipótesis o teorías podrían explicar los datos. Un ejemplo que se suele dar para ilustrar la lógica inductiva es el siguiente: el científico o filósofo señala que la probabilidad de convertirse en esquizofrénico aumenta considerablemente si al menos uno de los padres es esquizofrénico y de eso concluye que la esquizofrenia se hereda. Esta es ciertamente una hipótesis razonable dados los datos. Sin embargo, la inducción no prueba que la hipótesis sea correcta. Existen hipótesis alternativas respaldadas por los datos. Por ejemplo, el comportamiento del padre esquizofrénico puede causar que el niño sea esquizofrénico, no la composición genética. Lo importante en la inducción es que la hipótesis ofrece una explicación lógica de los datos. Para concluir que el padre no tiene ningún efecto sobre la esquizofrenia del niño, no se admite dada la información y, por lo tanto, no sería una conclusión lógica. Esto nos lleva a la idea de múltiples hipótesis de trabajo.

2.14 Múltiples Hipótesis de Trabajo Los científicos usan la lógica inductiva a menudo en la investigación teniendo en cuenta que puede haber hipótesis alternativas para explicar los hechos. Siempre deben tener en cuenta que su hipótesis principal puede estar equivocada. De hecho, hay una forma de llevar a cabo un trabajo científico llamado método de múltiples hipótesis de trabajo formalizado primero por el geólogo T. C. Chamberlin en 18891890. Como una forma de realizar investigaciones científicas, esta es generalmente la forma en que los científicos progresan a través de un proyecto de investigación; siempre teniendo en cuenta todas las hipótesis posibles que pueden explicar los datos, es decir, múltiples hipótesis de trabajo. Un ejemplo del uso de múltiples hipótesis de trabajo está dado por el problema de la brecha de roca sedimentaria. La brecha está compuesta de fragmentos angulares de otras rocas, que pueden ser de cualquier tipo, naturalmente cementadas juntas. La brecha puede ser el resultado de deslizamientos de tierra o avalanchas; se puede formar a lo largo de fallas; Puede resultar del impacto de meteoritos. Cuando uno encuentra una muestra de brecha en el campo, todos estos posibles orígenes vienen a la mente y se convierten en múltiples hipótesis de trabajo sobre el origen de esa brecha en particular. El geólogo está entonces listo para buscar más información para encontrar la respuesta al origen de la roca. Karl Popper (1902-1994), un filósofo austríaco-británico de la ciencia, rechazó el empirismo clásico de la ciencia y el método clásico de ciencia observacionalistainductivista que había surgido del empirismo. Su visión de las teorías era que una teoría debería considerarse científica si y solo si es falsable. Una búsqueda en Internet conducirá a mucha más información sobre las ideas de Karl Popper sobre ciencia. Popper es considerado uno de los filósofos de la ciencia más influyentes de la ciencia del siglo XX, pero su rechazo al empirismo lo deja como un hijo no favorito de la mayoría de los científicos. Se puede encontrar información adicional y ejemplos de lógica inductiva en el siguiente sitio web: http://plato.stanford.edu/entries/logic-inductive/.

2 Principios Científicos

2.15 Lógica Deductiva La lógica deductiva es la que se usa con mayor frecuencia en la ciencia. La lógica deductiva comienza con una declaración, llamada premisa, que se supone verdadera, que determina qué otra cosa sería verdadera si la premisa es verdadera. Utilizando la lógica deductiva, se puede proporcionar una prueba absoluta de una conclusión dado que la premisa es correcta. La premisa sigue sin probarse y debe aceptarse con fe para fines de exploración o experimentación. La deducción y la inducción por sí mismas no son adecuadas para un enfoque científico. Si bien la deducción brinda una prueba absoluta, nunca hace contacto con la realidad; no hay lugar para la observación o experimentación de la premisa, no hay forma de probar la validez de las premisas. Y, aunque la inducción es impulsada por la observación, nunca se acerca a la prueba real de una teoría. El desarrollo del método científico, con el tiempo, ha implicado una síntesis gradual de estos dos enfoques lógicos. La inducción se utiliza para formular una idea o hipótesis que resulta en la recopilación de datos. Después o durante la recopilación de datos, la deducción lleva a una conclusión. O la idea original es correcta o es incorrecta. Si los datos recopilados respaldan la idea original, se recopilan más datos o se desarrolla una hipótesis o teoría para explicar los datos. Si los datos no respaldan la idea o hipótesis, se formula una nueva hipótesis. Muchos han descrito el método científico como "prueba y error". La intención principal y, con suerte, el resultado del uso del método científico es minimizar el último (error) y maximizar el primero (prueba).

2.16 Modelos y Simulationes Los modelos en el contexto de la ciencia son simulaciones o ejemplos ampliados o reducidos de una entidad, situación o percepción reales. Uno no construiría un automóvil, avión o nave espacial, o incluso una teoría sin construir un modelo, aunque solo fuera mental. Sin embargo, en el caso de un automóvil, avión o nave espacial, uno no intentaría construir uno real sin primero construir un modelo a escala; y, ciertamente, una persona no querría entrar y hacerlo funcionar sin tener la seguridad de que se había utilizado un modelo antes de la construcción final y que todas las partes habían sido verificadas. Los niños y algunos adultos tienen modelos de automóviles, camiones, aviones, helicópteros, osos de peluche, figuras de acción, etc. y proporcionan una indicación de cómo se verá o hará lo real. Los modelos que usan computadoras que simulan situaciones del mundo real se usan a menudo en la ciencia, especialmente en la ciencia del cambio climático. Los científicos utilizan los modelos para sacar conclusiones todos los días y les permiten proyectar lo que puede suceder en el futuro. En la ciencia del cambio climático, los programas informáticos que incluyen ecuaciones básicas de física y química se utilizan en el proceso de modelar el clima, lo que permite a los científicos del cambio climático proyectar los cambios climáticos en el futuro y variar la entrada y estudiar diversos escenarios de lo que podría suceder en el futuro. Los modelos no solo se usan en la ciencia, la sociedad y la industria. También se usan en el ejército. Por ejemplo, si un general quiere que sus tropas entren en batalla, es mejor ejecutar un modelo del terreno y las condiciones (por ejemplo, el tiempo) que se espera encontrar en

2.18 La Ciencia de la Naturaleza

área donde se llevará a cabo la batalla. Si el general no tiene un modelo, entonces las tropas pueden ser enviadas a la batalla y pueden ser sacrificadas. El general pronto se quedaría sin tropas para morir por su país o causa y la batalla se perdería, y posiblemente la guerra. Antes del advenimiento de las computadoras y los modelos informáticos, los científicos del clima y los generales corrían modelos en sus cabezas o los dibujaban en sus cabezas o en una tabla o tabla o en el suelo. Se imaginaron o dibujaron cómo serían las condiciones en el futuro para el clima o en el campo de batalla y se basaron en estas imágenes para decidir cuándo tomar medidas y enviar tropas al campo de batalla. Esto a veces funcionó pero a menudo no. Aunque el cerebro humano puede ejecutar numerosas simulaciones, no puede ejecutar millones de leones en unos segundos como una computadora de alta velocidad. Sin embargo, los modelos son tan buenos como el programador de computadoras y el científico o general puede hacerlos. Los modelos climáticos que se utilizan para simular el cambio climático y proyectar ese cambio hacia el futuro se tratan con mayor detalle más adelante en el texto.

2.17 La Naturaleza de la Ciencia Los primeros practicantes de la ciencia fueron referidos como filósofos naturales y su campo de experiencia se consideró como ciencia natural. La designación de las ciencias naturales se puede ver hoy en día en nombres como "Museo de Ciencias Naturales" y se puede usar para distinguir las "ciencias naturales" de las ciencias sociales y las "ciencias formales" como las matemáticas y la lógica, aunque estas últimas rara vez se consideran ciencias. La ciencia natural también incluye la historia natural como en el Museo Americano de Historia Natural en Nueva York, NY o el Museo Nacional de Historia Natural, una parte del complejo Smithsonian en Washington, D. C., ambos en los EE.UU.

Las ciencias naturales incluyen astronomía, química, física, geología, ciencias de la Tierra, biología, meteorología, oceanografía, ciencia de materiales y ramas de las mismas. La climatología y la ciencia del cambio climático también se consideran ciencias naturales. La naturaleza de la ciencia también se ocupa de la ciencia de la naturaleza.

2.18 La Ciencia de la Naturaleza Todas las ciencias naturales son ciencias que estudian la naturaleza. Los científicos naturales intentan determinar cómo funciona el Universo y todo lo que contiene. Los astrónomos están tratando de ver más y más en el Universo y explicar lo que se ve allí, y esto es natural; los químicos están realizando experimentos para tratar de determinar cómo reaccionan las diferentes sustancias entre sí y qué sustancias nuevas se producen, muchas de las cuales se encuentran en la naturaleza; los físicos están estudiando los movimientos de las cosas desde partículas subatómicas hasta objetos en el espacio y la física y las leyes de la naturaleza; Los geólogos están tratando de descifrar todos los eventos de la historia de la Tierra como se puede determinar a partir de los materiales de la Tierra y también están estudiando rocas, minerales y gases de otros planetas, cometas y

2 Principios Científicos

asteroides Los científicos de la Tierra están estudiando todos los aspectos de la Tierra; los biólogos están tratando de aprender todo lo que hay sobre la vida; los meteorólogos están tratando de entender y predecir el tiempo; los oceanógrafos están desentrañando los secretos de los mares; y los científicos de materiales están haciendo todo tipo de cosas con materiales nuevos y emocionantes, todos relacionados con la ciencia de la naturaleza. Muchos eventos naturales parecen ocurrir sin rima o razón, como en tormentas o terremotos. Muchos sistemas naturales parecen estar en un estado de caos; ¿Pero qué es el caos?

2.19 Teoría del Caos La teoría del caos es una rama de las matemáticas. Es una subdisciplina de las matemáticas que trata con sistemas que exhiben caos pero que pueden tener sentido y analizarse matemáticamente. Algunos de los sistemas complejos que la teoría del caos nos ayuda a comprender son el tiempo, el agua hirviendo en una estufa, los patrones migratorios de las aves y la forma en que la vegetación se extiende por un nuevo pedazo de tierra. La teoría del caos se trata realmente de encontrar el orden subyacente en datos aparentemente aleatorios. Algo descrito como caótico tiene numerosas variables o partes móviles, como el tiempo o los patrones de tráfico en una gran ciudad como Washington, D.C., Londres, Inglaterra, Roma, Italia o París, Francia.

La teoría del caos fue introducida por un experimento realizado a principios de la década de 1960 por Edward Lorenz, un matemático y meteorólogo estadounidense. En 1960, estaba trabajando en el problema de la predicción del tiempo. Tenía una computadora configurada, con un conjunto de 12 ecuaciones para modelar el tiempo. No predijo el tiempo en sí. Sin embargo, este programa de computadora teóricamente predijo qué tiempo podría ser. Un día, en 1961, quería volver a ver una secuencia particular. Para ahorrar tiempo, comenzó en el medio de la secuencia, en lugar del comienzo. Ingresó el número de su impresión y se fue para dejarlo correr. Cuando regresó una hora más tarde, la secuencia había evolucionado de manera diferente. En lugar del mismo patrón que antes, se desvió del patrón y terminó siendo muy diferente del original. Finalmente, descubrió lo que había sucedido. La computadora almacenaba los números con seis decimales en su memoria. Para ahorrar papel, solo tenía que imprimir tres decimales. En la secuencia original, el número era .506127, y él solo había tecleado los primeros tres dígitos, .506. Según todas las ideas convencionales de la época, debería haber funcionado. Debería haber obtenido una secuencia muy cercana a la secuencia original. Un científico se considera afortunado si puede obtener mediciones con precisión de tres decimales. Seguramente, la cuarta y la quinta, imposibles de medir con métodos razonables, no pueden tener un gran efecto en el resultado del experimento. Lorenz demostró que esta idea estaba equivocada. Este efecto llegó a ser conocido como el efecto mariposa. La cantidad de diferencia en los puntos de partida de las dos curvas es tan pequeña que es comparable a una mariposa batiendo sus alas y los efectos que pueden producirse.

2.20 Notación Científica

El aleteo del ala de una sola mariposa hoy produce un pequeño cambio en el estado de la atmósfera. Durante un período de tiempo, lo que hace la atmósfera en realidad difiere de lo que hubiera hecho. Entonces, dentro de un mes, no se produce un tornado que habría devastado la costa indonesia. O tal vez uno que no iba a suceder sí. (De Ian Stewart, ¿Dios juega a los dados? Las matemáticas del caos, pág. 141)

Este fenómeno, común a la teoría del caos, también se conoce como "dependencia sensible de las condiciones iniciales". Solo un pequeño cambio en las condiciones iniciales puede cambiar drásticamente el comportamiento a largo plazo de un sistema. Una cantidad tan pequeña de diferencia en una medición podría considerarse ruido experimental, ruido de fondo o una inexactitud del equipo. Tales cosas son imposibles de evitar incluso en el laboratorio más aislado. Con un número inicial de 2, el resultado final puede ser completamente diferente del mismo sistema con un valor inicial de 2.000001. Es simplemente imposible alcanzar este nivel de precisión: ¡simplemente intente medir algo a la millonésima de pulgada más cercana! Al tratar con números muy pequeños y muy grandes y una gran cantidad de variables, las computadoras digitales son esenciales porque pueden hacer cálculos extremadamente rápidos. Esta es la razón por la cual la teoría del caos no surgió hasta el advenimiento de la era de la computadora digital y las capacidades de cálculo de la década de 1960. Puede encontrar información adicional sobre la teoría del caos en el siguiente sitio web: http://www.abarim-publications.com/ChaosTheoryIntroduction.html#. TtVP2GMk6nA. Los científicos manejan números muy grandes (astronómicos) y muy pequeños (micrones) y tienen formas especiales de manejarlos, usarlos y referirse a ellos.

2.20 Notación Científica La notación científica es cómo los científicos manejan los números; Los científicos tratan con números muy grandes y muy pequeños. Por ejemplo, la luz viaja a una velocidad de 300,000,000 m por segundo. Escrito, ese número es de trescientos millones de metros por segundo. En notación científica, la velocidad de la luz se escribiría como 3.0 × 10 8 m/s. ¡Eso es mucho menos desorden que escribirlo todo y cuando uno trata con muchos números grandes y muchos pequeños, es importante reducir el desorden! La Tierra se formó hace aproximadamente 4.54 mil millones de años, o hace 4.540.000.000 de años. Al escribir esto, se podría decir que la Tierra comenzó hace unos cuatro (4) billones ciento cuarenta (540) millones de años, o usar la notación científica. La notación científica permite a los científicos usar menos espacio y escribir el número como 4.54 × 109 años atrás. La notación científica consta de dos partes: la primera parte, 4.54 es el coeficiente. El segundo número se llama base y siempre es 10. El número base 10 siempre se escribe en forma de exponente, como en el número 4.54 × 10 9; el número 9 se conoce como el exponente o la potencia de 10. Para escribir una notación científica, por ejemplo, 4,540,000,000, el punto decimal se coloca después del primer dígito, 4.54, luego se eliminan los ceros. El coeficiente es 4.54. Para encontrar el

2 Principios Científicos

exponente, cuente el número de lugares desde el punto decimal hasta el final del número, en este caso 9 lugares (109) que es la base. El número 9 es el exponente.

Si el número (coeficiente) es menor que 1, el número es pequeño y el exponente es negativo. Para números muy pequeños, digamos que 0.000001 o una millonésima de segundo se escribe como 1 × 10−6. Para encontrar el exponente, cuente los lugares después del decimal hasta el final del número. Reglas para la Multiplicación en Notación Científica: 1. Multiplica los ceoficientes 2. Agregue los exponentes (la base 10 permanece) Ejemplo 1:(3 × 104 ) (2 × 105 ) = 6 × 109 ¿Qué sucede si el coeficiente es más de 10 cuando se usa la notación científica? Ejemplo 2 :(5 × 103 ) (6 × 103 ) = 30. × 106 Si bien el valor es correcto, no está escrito correctamente en notación científica, ya que el coeficiente no está entre 1 y 10. Uno debe mover el punto decimal hacia la izquierda hasta que el coeficiente esté entre 1 y 10. Para cada lugar, el punto decimal movimientos, el exponente se elevará 1 potencia de 10. 30.× 106 = 3.0 × 107 en Notación Científica

Ejemplo 3 :(2.2 × 104 ) (7.1 × 105 ) = 15.62 × 109 = 1.562 × 1010

Ejemplo 4 :(7 × 104 ) (5 × 106 ) (3 × 102 ) = 105. × 1012 En el ejemplo 4, el decimal debe moverse dos lugares y el exponente se eleva en 2. Por lo tanto, el valor en notación científica es: 1.05 × 1014 Reglas para la división en notación científica: 1. Divide los coeficientes 2. Resta los exponentes (permanece la base 10) Ejemplo 1:(6 × 106 ) / (2 × 103 ) = 3 × 103

¿Qué sucede si el coeficiente es menor que 10?

2.20 Notación Científica

Ejemplo 2 :(2 × 107 ) / (8 × 103 ) = 0.25 × 104 Si bien el valor es correcto, no está escrito correctamente en notación científica ya que el coeficiente no está entre 1 y 10. Debemos mover el punto decimal hacia la derecha hasta que el coeficiente esté entre 1 y 10. Para cada lugar, movemos el decimal sobre el exponente se reducirá 1 potencia de 10. 0.25× 104 = 2.5× 103 en notación científica. La notación científica se utilizará a lo largo de este trabajo cuando se trate de números muy grandes o muy pequeños, ya que su practicidad se puede ver en los ejemplos anteriores. Los logaritmos son otra forma en que los científicos pueden utilizar para tratar con números grandes y pequeños y estos generalmente se enseñan en cursos por debajo del nivel universitario; pero no debería llevar mucho tiempo revisarlo. Antes de las computadoras y las calculadoras manuales, los logaritmos se calculaban generalmente mediante el uso de una regla de cálculo. Los logaritmos son exponentes. La cobertura de prensa de los terremotos de 2011 en Christchurch, Nueva Zelanda y Japón, como tienden a hacer los informes de terremotos importantes, ha servido como un recordatorio de que muchos estudiantes de ciencias introductorios tienen una comprensión relativamente escasa de los logaritmos. Después de todo, no es un tema que la mayoría piense todos los días o use con mucha frecuencia a menos que uno sea científico o ingeniero, y la mayoría de los estudiantes introductorios de ciencias tampoco lo sean. Tanto la escala de Richter para terremotos como la escala de pH para química son logarítmicas y ambas se usan para estudiar el cambio climático y en otras ciencias e ingeniería de la Tierra. Un logaritmo de base 10 (log) es el número, x, de modo que 10 x da el número que uno quiere. Por ejemplo, el log de 100 es 2. Esto significa que log (100) = log (10 × 10) = log (102) = 2. Del mismo modo, el log de un millón es 6, lo que significa que log (1,000,0 00 ) = log (10 × 10 × 10 × 10 × 10 × 10) = log (10 6) = 6. El log de un número menor que 1 es negativo. Por ejemplo, log (0.01) = log (1/100) = log (1/102) = log (10−2) = −2, comparado con 2 para el log de 100. Antes del acceso inmediato a las calculadoras y las computadoras, los logaritmos ofrecían una forma conveniente de multiplicar grandes números. Ahora se usan principalmente para comparar números que difieren en una cantidad relativa muy grande. Generalmente, si x = b y, entonces y es el logaritmo de x para la base b, y se escribe logb (x), entonces log10 (1,000) = 3. Por ejemplo, si tomamos la población de China (1.340 millones), Nueva Zelanda (4 millones) e India (1.270 millones), puede ser difícil hacer comparaciones, ya que la diferencia entre China e India (70 millones) es casi 20 veces la población de Nueva Zelanda. Pero si tomamos los registros de las poblaciones, Nueva Zelanda = 6.6, China = 9.13 e India = 9.10. Ahora es obvio que, en términos relativos, las poblaciones de India y China son casi iguales, mientras que la de Nueva Zelanda es mucho menor. Los terremotos pueden variar desde sentir que toda la Tierra está temblando hasta sacudir el suelo como un niño con un juguete, o no sentirlos en absoluto. Entonces, para estudiar y describir los terremotos, los científicos usan la escala de Richter. Un terremoto de magnitud 5 es 1,000 veces más débil que un terremoto de magnitud 8 porque una diferencia logarítmica de 3 significa 103 = 10 × 10 × 10 = 1,000 diferencia.

2 Principios Científicos

Lecturas Adicionales Ackrill, J. L. (1981). Aristotle the philosopher. Oxford/New York: Oxford University Press. Alley, R. B. (2011). Earth: The operator’s manual. New York: W. W. Norton and Co. Barnes, J. (1995). The Cambridge companion to Aristotle. Cambridge: Cambridge University Press. Brody, T. A. (1993). In Luis De La Pe–a & P. E. Hodgson (Eds.), The philosophy behind physics. Berlin: Springer. ISBN 0-387-55914-0. Godfrey-Smith, P. (2003). Theory and reality: An introduction to the philosophy of science. Chicago/London: The University of Chicago Press. Hansen, J., et al. (2005). EarthÕs energy imbalance: ConÞrmation and implications. Science, 308,

1431Ð1435. doi:10.1126/science.1110252. Krige, J., & Pestre, D. (Eds.). (2003). Science in the twentieth century. London: Routledge. ISBN 0-415-28606-9. Lorenz, E. N. (1963). Deterministic non-periodic ßow. Journal of the Atmospheric Sciences, 20(2), 130Ð141. doi:10.1175/1520-0469(1963) 020<0130:DNF>2.0.CO;2. Smart, J. J. C. (1968). Between science and philosophy. New York: Random House. Smith, J. M., et al. (2005). Introduction to chemical engineering thermodynamics. New York: McGraw Hill. OCLC 56491111. ISBN 0-07-310445-0. van Fraassen, B. C. (2008). Scientific representation: Paradoxes of perspective. Oxford: Oxford University Press.

Capítulo 3

El Método Científico y su Uso

Resumen El método científico no es una secuencia lineal unidimensional de eventos, sino un enfoque tridimensional para resolver problemas y obtener respuestas a preguntas. Una descripción del método científico y ejemplos se dan en este capítulo. Es necesario comprender el método (o métodos) científico para obtener una idea y, con suerte, obtener algo de aprecio por lo que hacen la mayoría de los científicos y la forma en que lo hacen, por lo que este capítulo trata sobre el método científico y cómo algunos científicos importantes lo han usado para lograr sus resultados. El énfasis está en la ciencia del clima y los científicos del clima, pero se mencionan otros científicos importantes y se dan sus resultados. Se describen las leyes de movimiento de Newton y se da su relación con el cambio climático. La deriva continental se introduce y se relaciona con los climas del pasado. Palabras claves Teorías • Hipótesis • Guyots • GISS • Newton • Hess • Tyndall • Wegener • Ussher • Plass • Flemming • Broecker • Callendar • Rahmstorf • ADN • Libby • Expansión del fondo marino • Tectónica de placas • Hansen • Keeling • Manabe • Franklin • GFDL • Revisión por pares • Deriva continental • Arrhenius • Serendipia • Hutton • Uniformitarianismo • Darwin • Evolución • Creacionismo • Fourier • Método científico • Datos • Watson • Crick • Revelle

Cosas que saber La siguiente es una lista de cosas que debe saber de este capítulo. Se pretende, como en cada capítulo, servir como guía para los puntos de énfasis que el alumno debe tener en cuenta al leer el capítulo. Antes de terminar con este y cada capítulo, las "Cosas

G.T. Farmer and J. Cook, Climate Change Science: A Modern Synthesis: Volume 1 - The Physical Climate, DOI 10.1007/978-94-007-57578_3, © Springer Science+Business Media Dordrecht 2013

El método científico y su uso

que saber”debe entenderse y utilizarse para fines de revisión. La lista puede no incluir todos los términos y conceptos requeridos por el instructor. Esto no pretende ser una lista completa sobre este tema. Cosas que Saber El Método Científico Teorías Revisión por pares Alexander Flemming Rosalind Franklin ADN Placas Tectónicas Arrhenius Callendar Año geofísico internacional Syukuro Manabe James Hansen Expansión del fondo marino Deriva continental

¿Cómo se recopilan los datos científicos? Hipótesis Alfred Wegener Las leyes del movimiento de Newton John Tyndall Wallace Broecker Guyots Gilbert Plass Willard Libby Curva Keeling GFDL GISS Stefan Rahmstorf Staphylococcus

3.1 El Método Científico El método científico es difícil de definir porque es más de un método. Lo mejor que puede hacer es ilustrar el método utilizado por la mayoría de los científicos enumerando los pasos tomados junto con algunos ejemplos concretos de documentos científicos reales. El método científico es ese método o métodos utilizados por los científicos para estudiar un problema científico o para responder una pregunta científica, sacar conclusiones y publicar resultados. Cuál es esta metodología, cómo se usa y algunos ejemplos del trabajo científico real se dan en las siguientes secciones. El método científico en realidad consiste en muchos métodos, tan variados como los propios científicos, y se define libremente como la forma en que los científicos hacen su trabajo. El método científico no es un método rígido o un conjunto de métodos, pero necesita ser discutido y entendido. No es posible comprender una ciencia sin comprender las formas en que los científicos realizan sus tareas. El método científico puede considerarse como una serie de pasos lógicos; pero a menudo es simplemente prueba y error. Sin embargo, la prueba y error sin un método lleva más tiempo y permite más errores. Los científicos intentan reducir los errores y hacer la menor cantidad posible. Los científicos a menudo forman parte de un equipo que realiza investigaciones en un área de estudio para la cual han recibido fondos. La financiación para la investigación a menudo se obtiene escribiendo una propuesta y recibiendo una beca de investigación si la propuesta es aceptada. Este no es siempre el caso y lo fue menos en los primeros días del trabajo científico. En trabajos anteriores, especialmente trabajos realizados antes de la década de 1960, los científicos a menudo trabajaban solos en un proyecto que diseñaron y llevaron a cabo con el apoyo de la institución o empresa para la que trabajaron. A menudo, la institución era una universidad o gobierno, o una institución apoyada por un gobierno.

3.1 El Método Científico

Una mirada preliminar al método científico implica al menos los siguientes pasos: 1. Considerar o definir un problema 2. Intente dar una explicación del problema; 3. Determinar o deducir una predicción basada en la explicación; 4. Realice pruebas o experimentos para ver si la explicación es válida. Los cuatro pasos anteriores forman la base de la investigación científica; constituyen un modelo simple para el método científico. Una secuencia posible es 1, 2, 3 y 4. Si 2 es verdadero, ¿cuáles son las consecuencias? La prueba (4) debe incluir considerar el sitio opuesto de cada consecuencia para refutar 2. Si 2 puede ser refutado, entonces comience nuevamente con 1. Debe haber un quinto paso. ¿De qué sirven los pasos 1 a 4 si nadie conoce los resultados? El quinto paso es la comunicación; publicación o presentación. Los resultados de la investigación científica se dan a conocer a los colegas mediante discusión, presentación, publicación o los tres; y en el mundo moderno, la discusión se realiza principalmente por correo electrónico o en los pasillos de las conferencias o la palabra escrita. La publicación generalmente se realiza en revistas revisadas por pares o mediante presentación en una conferencia profesional. La investigación científica es la forma más importante de determinar las causas, las tendencias y las posibles soluciones al cambio climático si se determina que el cambio climático se dirige en la dirección incorrecta y necesitará una acción adecuada. La ciencia es una parte importante de la sociedad y los avances realizados por los científicos han sido importantes para la continuidad y el bienestar de los seres humanos en el planeta Tierra. Los descubrimientos científicos se realizan siguiendo la lógica del método científico, y a veces los descubrimientos se hacen por accidentes e incluso por estupidez. La casualidad en la ciencia es un descubrimiento científico hecho por accidente y esto ha jugado un papel en la investigación científica en el pasado y ciertamente jugará un papel en el futuro. Con suerte, la investigación científica conducirá al avance del conocimiento humano, que es el objetivo principal de realizar investigaciones científicas. La investigación científica ya ha dado lugar a muchos avances beneficiosos para los humanos en las ciencias médicas, como la investigación de drogas e innovaciones que continúan mejorando la vida de la humanidad; Velcro, electrónica de estado sólido, hornos de microondas, computadora personal, computadoras portátiles, ipads, teléfonos inteligentes, etc. son el resultado de una investigación científica. Los científicos hacen su trabajo de muchas maneras diferentes. Algunos usan datos que recopilan ellos mismos; otros usan datos recopilados por otra persona. Algunos trabajan solos; otros trabajan en equipos. La mayoría publica su trabajo lo antes posible; otros mantienen su investigación en secreto, publicando raramente, si es que lo hacen. Algunos son geniales; otros no son tan inteligentes. Los científicos son humanos; algunos lo son aún más que otros. Uno de los ensayos más insólitos y esclarecedores sobre los métodos y la forma en que los científicos trabajan y piensan se titula "La importancia de la estupidez en la investigación científica". Los científicos en general no son estúpidos. En realidad, la mayoría de ellos son bastante inteligentes. Pero la estupidez a menudo juega un papel en la forma en que trabajan los científicos. La estupidez en la investigación científica, de la que no hay nada de qué avergonzarse, se debe al hecho de que la investigación científica se centra en lo desconocido con mayor frecuencia.

El Método Científico y su Uso

Los científicos hacen preguntas y luego intentan encontrar respuestas a esas preguntas. Algunas preguntas no conducen a respuestas, sino que conducen a otras preguntas o a callejones sin salida, y el científico tiene que comenzar de nuevo o cambiar de rumbo. Eventualmente, el científico hará la pregunta correcta, posiblemente en colaboración con otros, y procederá en la dirección correcta para llegar a la respuesta o respuestas correctas. Los científicos usan la lógica, tanto el razonamiento inductivo como el deductivo, y tienen un conjunto de ética mediante el cual realizan su trabajo. Para citar a Sherlock Holmes (en realidad Sir Arthur Conan Doyle, el autor), "¿Cuántas veces debo decirte, Watson, cuando eliminas todo lo imposible, lo que queda, por improbable que sea, debe ser la verdad". Y la mayoría de los científicos están interesados en obtener la verdad. El método científico es el que siguen todos los científicos acreditados. No es un misterio y es bastante simple pero no rígido. Es tan variado como los científicos que lo usan, pero hay partes básicas que se pueden reconocer. Es una metodología por la cual la mayoría de los científicos realizan investigaciones y alertan a otros científicos (y a veces al público) sobre nueva información. El método científico puede comenzar con una idea antes de que se recopile cualquier información. Puede ser la idea de que puede existir algo que no se había pensado antes; una idea original, como la fórmula de Albert Einstein para energía y materia, E = MC 2, relatividad o tectónica de placas, expansión del lecho marino y deriva continental; o el origen de las especies. A menudo es una idea basada en observaciones; empirismo, como el movimiento de las estrellas en el cielo o el lugar de la Tierra en el Sistema Solar (como las observaciones celestes de Copérnico y Galileo, o la configuración de los continentes en un mapa). Después de que se define o formula una idea, el científico comienza a recopilar datos, información o a probar, experimentar y hacer observaciones. O la idea puede surgir después de que el científico comience a recopilar datos. La recopilación de datos puede dar como resultado una idea original y esta idea se convierte en la hipótesis o teoría. Un ejemplo de la recopilación de datos antes de la idea es la teoría de Darwin sobre el origen de las especies mediante la selección natural. Darwin pasó gran parte de su vida recolectando y estudiando organismos vivos y fósiles. A partir de sus observaciones formuló su teoría sobre el origen de las especies. Las hipótesis y teorías generalmente se presentan en reuniones científicas profesionales, se publican en revistas científicas revisadas por pares y se discuten con colegas. Esto es lo que se llama el proceso de revisión por pares. Este proceso permite al científico recibir comentarios de sus compañeros y refinar sus ideas o cambiarlas. Las reuniones, diarios y debates brindan retroalimentación y posiblemente nuevas ideas o información al científico. Entonces la teoría se revisa si es necesario. Es por este método de pasos lógicos que los científicos ganan confianza en que su teoría es correcta. A menudo, surgen nuevas ideas por casualidad (por accidente o por casualidad), como en el descubrimiento de un antibiótico poderoso. Uno fue descubierto por accidente y nombrado por un científico escocés, Alexander Flemming, quien dejó una placa de Petri que contenía la bacteria Staphylococcus sentada descubierta durante la noche por error y descubrió una sustancia de aspecto extraño en la placa de Petri a la mañana siguiente. La substancia

3.1 El Método Científico

formó un anillo alrededor del Staphylococcus y parecía estar impidiendo el crecimiento de la cultura. La sustancia se llamaba penicilina. Un científico podría estar trabajando en formular una hipótesis o establecer una teoría y descubrir una nueva línea de investigación por accidente o pura suerte. Esta nueva información puede conducir al abandono de la hipótesis original o al inicio de una nueva. Debido a que el proceso científico no es rígido, está sujeto a abuso. Para restringir el abuso del proceso, se ha desarrollado un código de ética entre los científicos. Según este código, un científico debe dar crédito completo a todos los demás científicos cuyo trabajo han utilizado. Los datos no deben ser falsificados, omitidos o embellecidos y deben aceptar la responsabilidad de todo su trabajo. Ejemplos de hipótesis y teorías bien conocidas son las siguientes: • • • • • • • •

Hipótesis nebular sobre el origen de la Tierra y el origen del Sistema Solar; Hipótesis para la extinción de formas de vida; Hipótesis de origen dinosaurio; Teoría de la extinción de dinosaurios por impacto de meteoritos; Teoría de la gravedad; Teoría de la evolución; Teoría del origen del universo (la teoría del Big Bang); Teoría de la tectónica de placas.

Existen diferentes formas de describir los métodos básicos utilizados para la investigación científica. Los científicos y filósofos de la ciencia generalmente han acordado ciertos pasos que deben tomarse en toda investigación científica. Sin embargo, estos pasos y la organización de los procedimientos tienden a ser más característicos de las ciencias naturales que de las ciencias sociales, pero el científico social también los usa. El ciclo de formular hipótesis, probar y analizar los resultados y formular nuevas hipótesis se asemeja a los pasos que se describen a continuación. Una lista más completa de los elementos esenciales del método científico es la siguiente: 1. Caracterizaciones (observaciones, definiciones y mediciones del tema de investigación); 2. Hipótesis (explicaciones teóricas, hipotéticas de observaciones y mediciones del tema); 3. Predicciones (razonamiento que incluye deducción lógica de los datos, hipótesis o teoría); 4. Experimentos (pruebas de todo lo anterior); 5. Conclusiones; 6. Revisión por pares; 7. Publicación. Cada elemento de un método científico, si se comparte el trabajo, está sujeto a revisión por pares para detectar posibles errores, descuidos y mejoras, y pueden ser necesarias muchas iteraciones de cada uno. Estas actividades no describen todo lo que hacen los científicos, sino que aplican

El Método Científico y su Uso

principalmente a las ciencias experimentales (por ejemplo, algo de física, química, algo de biología y algo de ciencia de la Tierra, incluida la ciencia del clima). Los elementos del método científico a menudo se enseñan en las aulas, como deberían ser para cualquier clase de ciencias. Algunos pueden cuestionar si la ciencia del clima se lleva a cabo utilizando el método científico, pero seguramente lo es. La ciencia del clima solo carece de la capacidad de poder introducir el clima dentro del laboratorio para realizar experimentos, pero muchos experimentos relacionados con la ciencia del clima pueden, se están realizando y se han realizado en el laboratorio. Los ejemplos son los siguientes: • Experimentos con ácidos débiles que se encuentran en la naturaleza y sus efectos sobre la disolución de carbonato (calcita y aragonita, ambos compuestos por CaCO3). Los carbonatos son componentes importantes de los arrecifes de coral, conchas marinas, rocas sedimentarias, depósitos de cuevas y plantas ornamentales y ácidos débiles presentes en el medio ambiente. Por ejemplo, cada vez que llueve, el CO2 en la atmósfera se combina con H2O formando H2CO3, o ácido carbónico. La información recopilada de los experimentos de laboratorio con ácido carbónico y CaCO3 puede conducir a la protección y preservación de los corales en los arrecifes de coral y otras cosas hechas de carbonato de calcio. • Los científicos realizan experimentos en el laboratorio sobre los efectos de la temperatura en la supervivencia de diferentes especies para determinar el rango de tolerancia de la especie a la temperatura. También realizan experimentos de laboratorio con otros aspectos del medio ambiente para determinar los límites de tolerancia, tales como la presión atmosférica, diversos contaminantes y las condiciones del suelo para las especies de plantas.

Hay muchos experimentos que se pueden hacer en el laboratorio y en el campo que se relacionan con la ciencia del clima. Los están llevando a cabo científicos en laboratorios y en campos de todo el mundo. El método científico no es una receta. Requiere inteligencia, imaginación, perseverancia y creatividad, y cierto grado de estupidez y accidentes de vez en cuando durante el proceso científico. También es un ciclo continuo, que desarrolla constantemente modelos y métodos más útiles, precisos y completos. Por ejemplo, cuando Albert Einstein desarrolló las Teorías especiales y generales de la relatividad, de ninguna manera refutó ni descartó las leyes de Isaac Newton como se establece en “Principia” de Newton en el siglo XVII. Se ha dicho que si lo astronómicamente grande, lo infinitamente pequeño y lo extremadamente rápido se omiten de las teorías de Einstein, todos los fenómenos que Newton no pudo haber observado, las ecuaciones de Newton siguen siendo válidas. Las teorías de Einstein son expansiones y refinamientos de las teorías de Newton y aumentan nuestra confianza en el trabajo de Newton. Idealmente, esta es la forma en que la ciencia debería y funciona la mayor parte del tiempo. La mayoría de los no científicos consideran que la ciencia avanza paso a paso y aumenta el conocimiento del mundo natural de manera lineal. Las matemáticas pueden funcionar de esta manera, por ejemplo, si a es igual a b, que c; pero la ciencia no. Un ejemplo más probable de la ciencia sería si a es igual a b, que c, d, e, y tal vez f. Cuando ocurre un avance en la ciencia, los científicos primero intentan evaluar la nueva información para ver si el nuevo avance es válido. Luego intentan utilizar la nueva información para avanzar en el conocimiento atacando nuevos problemas de investigación e intentando encontrar nuevas respuestas.

3.2 Un Enfoque Linealizado del Método Científico

Este no es un proceso lineal ya que los científicos realizan su trabajo de diferentes maneras y pueden investigar un problema con diferentes herramientas para llegar a la respuesta. Un ejemplo reciente (noviembre de 2011) del método científico en acción proviene del trabajo realizado en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) con neutrinos. Durante una prueba reciente, se midió que los neutrinos viajaban más rápido que la velocidad de la luz. Se cree que la velocidad de la luz es una constante universal y forma la base de la física moderna y las teorías de la relatividad de Einstein; en la fórmula E = MC2, C es la velocidad de la luz.

El Gran Colisionador de Hadrones es un gigantesco instrumento científico cerca de Ginebra, Suiza, donde se extiende por la frontera entre Suiza y Francia a unos 100 metros bajo tierra. Es un acelerador de partículas utilizado por los físicos para estudiar las partículas más pequeñas conocidas, los bloques de construcción fundamentales de todas las cosas. Revolucionará nuestra comprensión, desde el mundo minúsculo en lo profundo de los átomos hasta la inmensidad del Universo. Es en el LHC donde se dice que los neutrinos superan la velocidad de la luz. Si este experimento puede duplicarse y todos los pasos realizados están adecuadamente documentados, la teoría de la relatividad de Einstein colapsará. Los científicos en Italia midieron el tiempo de paso de neutrinos en el LHC que viajaba de Suiza a Italia a un ritmo más rápido que la velocidad de la luz. En este escrito (enero de 2012) se realizaron dos mediciones posteriores, una que confirma el experimento original y la otra que lo refuta. Se planean otros experimentos que refutarán o justificarán el resultado original. Los neutrinos viajan más rápido que la velocidad de la luz o no lo hacen. La mayoría de los experimentos posteriores han demostrado que los neutrinos no viajan más rápido que la velocidad de la luz. Resultados como los que tienen neutrinos en el LHC son a menudo el caso de los experimentos. Si el experimento da como resultado un nuevo hallazgo, el experimento debe repetirse para su confirmación. Los resultados tienen que ser confirmados por experimentos adicionales. Si los experimentos adicionales no son posibles o no se realizan correctamente, las preguntas sobre los resultados del experimento original siempre permanecerán.

3.2 Un Enfoque Linealizado del Método Científico Es un ejercicio útil observar un enfoque linealizado para hacer investigación científica, teniendo en cuenta que esto no representa exactamente cómo se realiza la mayoría de la investigación científica. A veces se ofrece un esquema lineal y pragmático de algunos de los puntos anteriores como una guía para proceder con la investigación científica: 1. Defina la pregunta y determine los límites; 2. Recopilar información y recursos (observar, contar, documentar); 3. Formar una hipótesis; 4. Realizar experimentos, recopilar datos y documentos; 5. Analizar los datos; 6. Interprete los datos y saque conclusiones que puedan servir como punto

de partida para una nueva hipótesis;

El Método Científico y su Uso

Pregunta

Hacer investigación de antecedentes Construir Hipótesis

Intentar de nuevo

Prueba con un Experimento Analizar resultados Sacar conclusiones Hipótesis es falsa o Hipótesis es verdadera

parcialmente cierta

Informe de Resultados

Fig. 3.1 El flujo de lógica del método científico (Fuente: John Cook)

7. Discuta los procedimientos y resultados con colegas; 8. Publicar los resultados; 9. Vuelva a realizar la prueba (frecuentemente realizada por otros científicos). El ciclo iterativo inherente a esta metodología paso a paso va del punto 3 al 7 y vuelve al 3 nuevamente. Por supuesto, se sabe que el pensamiento científico (así como la mayoría de los procesos de pensamiento) no es, ni necesariamente debe ser, lineal. Si bien este esquema describe un método típico de hipótesis / prueba, también debe tenerse en cuenta que varios filósofos, historiadores y sociólogos de la ciencia, y los científicos afirman que tales descripciones del método científico tienen poca relación con la forma en que la ciencia se practica realmente. La ilustración anterior (Fig. 3.1) es un diagrama de flujo del proceso de pensamiento que se usa a menudo al realizar un estudio científico. Un flujo de pensamiento lógico es esencial para un estudio científico válido. La ciencia progresa mediante argumentos, escepticismo y debate, pero avanza mediante la formulación de hipótesis con claridad y su comprobación objetiva. Las pruebas, la experimentación y la objetividad son las claves de la ciencia. En la práctica, los científicos contemporáneos generalmente someten sus hallazgos de investigación al escrutinio de sus pares, lo que incluye revelar los métodos que usan (y una documentación detallada de esos métodos), para que otros científicos puedan verificar sus resultados mediante la replicación. Los conocimientos y resultados de investigación de individuos o equipos de científicos se confirman o rechazan en la literatura revisada por pares por los esfuerzos combinados de muchos otros científicos.

3.4 Ideas, persistencia, documentación, pruebas, reproducibilidad, publicación

Al realizar investigaciones científicas, lo importante no es la creencia de los científicos, sino los resultados de las pruebas. De hecho, cuando Albert Einstein fue informado de la publicación de un libro titulado "100 Autores contra Einstein", se dice que comentó: "¡Si me hubiera equivocado, habría sido suficiente!" Sin embargo, ese científico contrario habría necesitado pruebas en forma de datos confiables y resultados comprobables. Y este es también el caso del calentamiento global y la ciencia del cambio climático. Aquellos que citan a 300 o 3,000 personas que firman peticiones contra el calentamiento global son tan importantes como aquellos que firmaron la petición sobre Albert Einstein y la relatividad; ¡no es importante en absoluto, como una mirada a los nombres de los muertos e irrelevantes revelados! Lograr que las personas firmen una petición no tiene nada que ver con evidencia a favor o en contra de la ciencia del clima de la Tierra ni nada más, excepto posiblemente en un retiro político. La evidencia científica habla por sí misma y ha expresado literalmente volúmenes en las últimas décadas y siglos. Si los científicos del clima están equivocados sobre el calentamiento global, bastaría con una prueba de que la Tierra no se está calentando.

3.3 Recopilación de Datos- Experimentación, Medición, Observación Los científicos recopilan información, pero no se recopila al azar. Los datos, que son bits (partes) de información, se recopilan de una determinada manera prescrita. Los datos (sí, la palabra datos es plural; el singular es dato) siempre deben estar bien documentados a medida que se recopilan; y sometido a controles de precisión, calidad y pertinencia al problema que se está considerando. En minerales, rocas, biota o cualquier otro artículo recolectado, la etiqueta o documentación es tan importante como la muestra. Sin la documentación adecuada, el espécimen o medición puede ser una curiosidad pero no tendrá valor científico.

La recopilación de datos sobre el cambio climático implica lecturas de la temperatura terrestre, oceánica y atmosférica; los cambios de precipitación en las regiones del mundo, las direcciones del viento, los avances y retrocesos glaciales, la disminución o el aumento del nivel del mar en todo el mundo, los cambios en las corrientes atmosféricas y oceánicas y sus efectos, y las tendencias a largo plazo en estos datos.

Los datos sobre el cambio climático se recopilan de acuerdo con normas estrictas de garantía de calidad (QA, “quality assurance”) y control de calidad (QC “quality control”); a menudo se presentan juntas como (QA / QC) para que puedan reproducirse de acuerdo con una parte del método científico (es decir, reproducibilidad).

3.4 Ideas, Persistencia, Documentación, Pruebas, Reproducibilidad, Publicación El trabajo científico generalmente comienza con una idea, se mantiene actualizado debido a la persistencia científica y la documentación, y finalmente sobrevive debido a la experimentación, su prueba y su reproducibilidad. Un ejemplo de una idea científica es la siguiente: "Un mapa del mundo muestra que la costa este de América del Sur parece encajar perfectamente en la costa oeste de

El Método Científico y su Uso

Fig. 3.2 Los continentes de América del Sur y África y el ajuste de sus costas (de http: // www.bnvillage.co.uk/black-roots-village/106867-making- connections.html; de la NASA, dominio público)

África como piezas de un rompecabezas. Quizás los dos continentes estuvieron juntos al mismo tiempo ". Esta idea se propuso por primera vez poco después de que se hiciera el primer mapa del mundo en el siglo XVI. La Figura 3.2 muestra el esquema de los dos continentes del hemisferio sur, América del Sur y África, y su "ajuste" como si fueran piezas de un rompecabezas. La primera prueba de esta idea se produjo cuando se hicieron mapas de las áreas sumergidas de las costas de los dos continentes y los geólogos vieron un ajuste aún mejor; entonces se determinó que la edad del Océano Atlántico era más joven de lo que se pensaba originalmente y la teoría de la Tectónica de Placas nació después de darse cuenta de que la corteza oceánica se estaba subduciendo (tirando hacia abajo) en las trincheras oceánicas. Por supuesto, es imposible reproducir el movimiento de América del Sur y África alejándose unos de otros, pero otra evidencia muestra claramente que realmente se habían alejado uno del otro a medida que se agregaba una nueva corteza a lo que ahora es la Cordillera del Atlántico Medio.

La idea de que los continentes de África y América del Sur estuvieron juntos una vez fue formalizada por un meteorólogo y geólogo aficionado alemán llamado Alfred Wegener (1880–1930), quien en 1912 publicó un libro sobre deriva continental titulado (en inglés; era publicado originalmente en alemán) "Sobre el origen en continentes y océanos". Wegener había propuesto la idea por primera vez antes, pero no la publicó formalmente hasta 1912. Wegener no pudo proporcionar un argumento convincente porque no existía un mecanismo conocido para explicar cómo los continentes se habían separado. Su mecanismo propuesto tenía que ver con la rotación de la Tierra sobre su eje y la fuerza centrífuga así generada, pero se sabía que no era lo suficientemente fuerte como para mover continentes.

3.6 Teorías

Wegener postuló que los continentes se habían separado, de una masa de tierra original que él llamó "Pangea", debido a la fuerza centrífuga causada por la rotación de la Tierra. La pregunta principal se convirtió en "¿Cómo podrían estas grandes masas continentales (África y América del Sur) surcar las cuencas oceánicas para trasladarse a sus ubicaciones actuales?" Sin embargo, la idea de la deriva continental se arraigó a principios del siglo XX cuando algunos geólogos comenzaron a ver más evidencia de la existencia anterior de Pangea. Pronto los científicos de la Tierra (principalmente geólogos) se dividieron en dos campos; "Drifters" y "no drifters": los "drifters" (drift: deriva) que citan abundantes evidencias de los continentes del hemisferio sur de la deriva continental y los "no drifters" que argumentan que los continentes no podrían haberse movido sobre las vastas extensiones de las cuencas oceánicas. El concepto de deriva continental persistió durante la primera mitad del siglo XX y los geólogos que trabajan en los continentes del hemisferio sur comenzaron a encontrar evidencia en las rocas y fósiles que apoyaban firmemente la idea. Documentaban las rocas y los fósiles de áreas que podrían respaldar la reproducibilidad de su evidencia, pero aún no podían proporcionar ninguna evidencia de un mecanismo a pesar de que los "drifters" sabían que debía haber uno. Los científicos estaban encontrando plantas y animales fósiles en los continentes del hemisferio sur que no podrían haber sido dispersados a grandes distancias por ningún mecanismo conocido. Tenía que haber pruebas de que los continentes del sur estuvieron una vez juntos.

La hipótesis o teoría de la deriva continental permaneció en la mente de los científicos que esperaban un mecanismo para explicarlo. ¿Qué era la "deriva continental"? ¿Fue una hipótesis o una teoría y cuál es la diferencia entre los dos? Necesitamos primero definir cada uno de ellos.

3.5 Hipótesis Una hipótesis suele ser un precursor de una teoría, pero no siempre. En la ciencia, se concibe una hipótesis antes o después de que se recopilen los datos. Por definición, una hipótesis es una posible explicación propuesta para un fenómeno o problema. Proporciona una explicación de diez puntos para un problema científico que puede ser probado. La idea de Wegener de los continentes a la deriva era una hipótesis que se convirtió en una teoría solo después de que los geólogos que trabajaban en los continentes del hemisferio sur adquirieran información adicional y seguiría siendo una hipótesis hasta que la teoría de la tectónica de placas fuera formulada y aceptada en los años sesenta y principios de los setenta. Pero la tecnología de placas aún es una teoría, aunque está en camino de convertirse en realidad. Está respaldado por una gran cantidad de hechos, como deben ser todas las teorías.

3.6 Teorías Las teorías son explicaciones de los fenómenos, a diferencia de las hipótesis que a menudo las excluyen. Un ejemplo de una teoría es evidenciado por la teoría de la gravedad de Newton, o la teoría de la evolución de Darwin, la teoría de la relatividad de Albert Einstein,

El Método Científico y su Uso

La teoría de Harry Hess sobre la expansión del fondo marino. Las teorías explican un conjunto coherente de hechos. No son "solo una teoría", como dijo un ex presidente de los Estados Unidos cuando se le preguntó si creía en la evolución. Obviamente no entendió el significado científico de la teoría. Las teorías están tan cerca de la verdad como los científicos a menudo pueden venir y están a la par de las "leyes" científicas. Las teorías científicas suelen ser más complejas que las leyes científicas, pero son esencialmente las mismas. Las leyes de la ciencia también se llaman leyes físicas y se consideran universales e invariables y son aceptadas por los científicos y el público educado como hechos. Muchas teorías también se consideran hechos, como las teorías de la gravedad y la evolución orgánica. Ejemplos de leyes científicas son las leyes de movimiento de Newton.

3.7 Las leyes del movimiento de Newton Las tres leyes de movimiento de Newton son bien conocidas y se publicaron por primera vez en 1687 y se detallan a continuación. Las leyes de movimiento newtonianas se ven en las partes móviles de la atmósfera, como los sistemas de alta y baja presión, el viento que simplemente mueve el aire y las partículas sólidas y los líquidos transportados por el viento y las corrientes en la atmósfera. La Primera Ley del Movimiento de Newton establece que para que el movimiento de un objeto cambie, una fuerza debe actuar sobre él. Un objeto en reposo tiende a permanecer en reposo hasta que alguna fuerza hace que se mueva. Un objeto en movimiento continuará en movimiento en línea recta hasta que una fuerza actúe sobre él para cambiar su movimiento en línea recta o lo detenga. La segunda ley del movimiento de Newton define la relación entre aceleración, fuerza y masa. La aceleración (a) de un cuerpo es paralela y directamente proporcional a la fuerza neta F e inversamente proporcional a la masa m, es decir, F = ma. La Tercera Ley del Movimiento de Newton establece que cada vez que una fuerza actúa de un objeto a otro, hay una fuerza igual que actúa sobre el objeto original. Existen otras leyes físicas y químicas que gobiernan el comportamiento de los materiales en el planeta Tierra y se tratan más detalladamente en los cursos de química y física.

3.8 El Proceso de Revisión por Pares El proceso de revisión por pares es lo que se hace antes de la publicación de un artículo científico o libro legítimo publicado por una revista o editorial científica acreditada. También continúa después de la publicación. Es este proceso el que permite a un científico recibir opiniones y críticas constructivas de sus colegas antes de su publicación (o antes de la próxima edición). Las revistas y las editoriales tienen editores que revisan y, por lo general, envían para su revisión documentos y libros que se les envían.

3.9 Uso del Método Científico

Los revisores envían comentarios al editor, quien los envía al autor del artículo o libro. Luego se hacen correcciones al texto escrito si el autor está de acuerdo con los comentarios y luego vuelve a enviar el material al editor. Si el editor acepta que el material ha sido mejorado y está listo para su publicación, entonces se publica. Los editores tienen la prerrogativa de negarse a publicar material que consideren erróneo, inapropiado o irrelevante para el tema en cuestión. Por ejemplo, si existe un consenso científico de que el CO2 es un gas de efecto invernadero que causa el calentamiento global y se envía un artículo a una revista profesional que dice lo contrario (que el CO2 no causa el calentamiento global) y no cita datos para corroborar la afirmación del autor, lo más probable es que el editor se niegue a publicar el documento. En general, los editores son imparciales y son responsables de la integridad de su producto. No rechazan habitualmente documentos o materiales que sean pertinentes y científicamente válidos.

3.9 Uso del Método Científico El método científico, y los que lo han aplicado, ha dado como resultado importantes avances en la comprensión de la humanidad del mundo que nos rodea y sentó las bases para un conocimiento adicional. Algunos ejemplos de este uso del método científico y la comprensión resultante se dan a continuación.

3.9.1 James Hutton y el Uniformitarianismo James Hutton (1726–1797) fue un granjero y naturalista escocés conocido como el fundador de la geología moderna. La geología forma una gran parte de la ciencia de la Tierra y el cambio climático. Antes de la época de Hutton, se pensaba que la historia de la Tierra consistía en una catástrofe tras otra, la más reciente fue la inundación de Noé o la inundación de Noach. Hutton, siendo naturalista, era un gran observador del mundo que lo rodeaba y razonó que no había necesidad de una serie de catástrofes para explicar el mundo natural y la historia de la Tierra; uno solo tenía que mirar los procesos modernos de erosión y deposición para comprender la historia pasada de la Tierra. Estos procesos podrían explicar cuánto pudo haberse formado el mundo de Hutton. Todo lo que se necesitaba era mucho tiempo. En los días de Hutton, se creía que la Tierra se había creado en unos pocos días y noches y solo tenía unos pocos miles de años, todavía era vieja en la mente de la mayoría de los humanos. A mediados del siglo XVIII, cuando Hutton observaba cuidadosamente la naturaleza, se creía que la Tierra tenía solo unos 6,000 años. Se pensaba que el mundo había sido creado el 22 de octubre de 4004 aC porque esa era la fecha a la que llegó un arzobispo irlandés llamado Ussher, cuyo nombre aún vive en la infamia debido a su investigación académica sobre lo que a menudo se llama " Sagrada Biblia." Parece que el arzobispo Ussher había trabajado cuidadosamente las genealogías en

El Método Científico y su Uso

génesis para llegar a la fecha absoluta de la "creación" de la Tierra. Se pensaba que los fósiles habían sido colocados en las rocas como resultado del "Diluvio". Otros dirían más tarde que los fósiles fueron colocados en rocas para "hacer ateos a los geólogos". Es cierto que muchos geólogos son ateos, pero seguramente los fósiles en las rocas no son la causa. Hutton notó que muchas rocas no eran planas y se apilaban una sobre otra como se requería en la hipótesis de "Inundación", pero en algunos lugares, como en Siccar Point, cerca de Edimburgo, Escocia, las capas verticales de lutita gris se cubrieron directamente por casi capas horizontales de arenisca roja. Tal yuxtaposición solo podría explicarse por grandes movimientos de la Tierra que inclinan la lutita verticalmente, luego la erosionan por el viento, la lluvia y el mar, y luego depositan las areniscas rojas sobre la superficie erosionada de la lutita.

Hutton, en 1788, presentó un documento a la Royal Society of Edinburgh en el que afirmó que en sus estudios y observaciones del mundo natural; "El resultado, por lo tanto, de esta investigación física es que no encontramos vestigios de un comienzo, ni perspectivas de un final". Los científicos actuales de la Tierra y, en particular, los geólogos aún mantienen la visión de Hutton de la Tierra. Hutton había sido educado formalmente en los campos de la medicina y la química, pero administró dos pequeñas granjas familiares mientras estudiaba los procesos naturales en el trabajo en la tierra. Hutton pensó que los sedimentos eran depositados lentamente por el agua, luego comprimidos y convertidos en roca y que las rocas más antiguas estaban formadas por "materiales provistos de las ruinas de antiguos continentes". Reconoció que este proceso podría ser un ciclo continuo; Cuando la roca se expone a la atmósfera, se descompone y se erosiona. Llamó a esto el "gran ciclo geológico" y se dio cuenta de que se había completado muchas veces. El enfoque de Hutton para el estudio de la Tierra y sus materiales y procesos se ha denominado uniformitarianismo, que se puede expresar simplemente como "el presente es la clave del pasado". La implicación del uniformitarianismo es que los procesos que ahora operan en la Tierra han estado operando a lo largo de la historia de la Tierra, difiriendo solo en su ubicación e intensidad. El desarrollo de Hutton del uniformitarianismo se basó en el empirismo, observando cuidadosamente cómo funcionaban las cosas en el mundo real. Los geólogos de hoy usan el uniformitarismo para interpretar la historia de la Tierra y los científicos del clima usan un uniformismo inverso, declarado como "el pasado es la clave del presente". Al estudiar los núcleos de hielo y sedimentos, la información detallada de las condiciones atmosféricas del pasado obtenidas de las burbujas de aire en el hielo puede llevarnos a una mejor comprensión del clima actual y las proyecciones para el futuro.

3.9.2 Charles Darwin y el Origen de las Especies Charles Darwin (1809-1882) fue un naturalista, biólogo y geólogo inglés que desarrolló una teoría sobre el origen de las especies después de pasar mucho tiempo observando, recolectando y catalogando fósiles, rocas y especímenes de animales y plantas de todo el mundo. Estableció que todas las especies en la Tierra han descendido de un ancestro común. Fue el creador de la idea de la selección natural, que la naturaleza dio lugar a nuevas especies a través de la competencia.

3.9 Uso del Método Científico

Su teoría de la selección natural se basaba en el empirismo. En sus propias palabras, atribuyó su éxito al "amor por la ciencia, una paciencia ilimitada para reflexionar durante mucho tiempo sobre cualquier tema, la industria para observar y recopilar hechos, y una buena parte de la invención, así como del sentido común". Esta es una descripción justa del método científico tal como lo usó Darwin. También dijo sobre sí mismo: "Me he esforzado constantemente por mantener mi mente libre para abandonar cualquier hipótesis, por muy amada que sea (y no puedo resistirme a formar una en cada tema), tan pronto como se demuestre que los hechos se le oponen". Y así es como debería ser para cualquier científico o estudiante de ciencias, o para cualquier persona, para el caso. Pero vemos hoy, especialmente en los políticos, que a menudo no tienen una mente abierta, y algunos incluso debaten la presencia de la mente en algunos. La teoría de Darwin sobre el origen de las especies era que surgiría una nueva especie mediante la selección natural. Explicó que la gran variedad de cosas vivas y fósiles que había observado se debía al hecho de que ciertos organismos eran favorecidos sobre otros para sobrevivir; que nuevas especies surgirían por actos de la naturaleza y no por la creación divina. La teoría de la evolución de Darwin se presentó en su libro de 1859 sobre el origen de las especies por medios de selección natural, que se publicó en Londres, Inglaterra. La publicación del libro de Darwin causó una tormenta de fuego. La Iglesia (la Iglesia Católica Romana y la Iglesia de Inglaterra) la condenaron de inmediato y muchos fundamentalistas religiosos de la actualidad todavía se pronuncian en contra de la teoría de la evolución; pero más de 150 años de documentación en ciencias respaldan la teoría y hoy constituye la piedra angular de las ciencias de la biología, la geología y la paleontología. Charles Darwin no fue el primer científico en formular una teoría de la evolución, pero fue la extensa documentación de los hechos en que se basó la idea lo que hizo que fuera aceptada casi universalmente por la comunidad científica. Sin la extensa documentación y la formulación detallada de la teoría, la idea de Darwin del origen de las especies por medio de la selección natural no habría sido tan fácilmente aceptada. El significado de Darwin fue tergiversado por muchos después de la publicación de 1859 del "Origen" y solo una lectura cuidadosa del libro permitiría una comprensión completa de su significado. Quizás la frase "supervivencia del más apto" resume mejor el significado de Darwin, pero no fue una frase utilizada por el propio Darwin. La frase fue utilizada por primera vez por otro inglés, Herbert Spencer. La teoría de la evolución de Darwin se basa en hechos clave y las inferencias extraídas de ellos, que el biólogo Ernst Mayr resumió de la siguiente manera (en base a hechos e inferencias): • • • • • • •

Cada especie es lo suficientemente fértil como para que si toda la descendencia sobreviviera para reproducirse, la población crecería (hecho). A pesar de las fluctuaciones periódicas, las poblaciones permanecen aproximadamente del mismo tamaño (hecho). Los recursos como los alimentos son limitados y relativamente estables en el tiempo (hecho). Se produce una lucha por la supervivencia (inferencia). Los individuos en una población varían significativamente entre sí (hecho). Gran parte de esta variación es heredable, es decir, genética (hecho). Las personas menos adaptadas al medio ambiente tienen menos probabilidades de sobrevivir y menos probabilidades de reproducirse; Es más probable que las personas más adecuadas para el medio ambiente

El Método Científico y su Uso

para sobrevivir y es más probable que se reproduzca y deje sus rasgos heredables a las generaciones futuras, lo que produce el proceso de selección natural (inferencia). • Este proceso de efectos lentos hace que las poblaciones cambien para adaptarse a sus entornos y, en última instancia, estas variaciones se acumulan con el tiempo para formar nuevas especies (inferencia).

Charles Darwin fue el naturalista en el barco HMS Beagle, que partió de Inglaterra en diciembre de 1831 y regresó en octubre de 1836. Este viaje fue probablemente la experiencia más importante en la vida de Darwin, ya que visitó Cabo Verde y otras islas del Atlántico, las costas e islas sudamericanas, incluidas las Islas Galápagos. Luego visitó Tahití, Nueva Zelanda, Australia, Tasmania y las Azores antes de regresar a Inglaterra en octubre de 1836. Se cree que Darwin no volvió a abandonar Inglaterra después de 1836. Utilizó la información recopilada durante el viaje del Beagle para escribir y publicar sus libros sobre arrecifes de coral, selección sexual, variación bajo domesticación, botánica, geología, un diario del viaje y un libro titulado El Origen del Hombre.

3.9.3 James Watson y Francis Crick – La Estructura del ADN En 1953, James D. Watson y Francis Crick, utilizando datos de difracción de rayos X, propusieron la estructura de escalera en espiral de ADN (ácido desoxirribonucleico). Esto se conoció como la doble hélice para la estructura de la molécula de ADN. Por este trabajo, fueron galardonados con el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1962, que fue compartido con Maurice Wilkins, investigador del King’s College London. James D. Watson (1928–) es un biólogo molecular, genetista y zoólogo estadounidense. Francis Harry Compton Crick (1916–2004) fue un biólogo molecular, biofísico y neurocientífico inglés y miembro honorario de la Universidad de Cambridge, Reino Unido. Fue un distinguido profesor de investigación en el Instituto Salk de Estudios Biológicos en La Jolla, California, donde murió en 2004. El trabajo de Watson y Crick se fundó en trabajos anteriores de Linus Pauling y otros. Como suele ser el caso, los grandes descubrimientos no podrían haberse realizado sin el trabajo de otros. Sir Isaac Newton dijo que su trabajo era importante porque "se había parado sobre los hombros de gigantes". A principios de la década de 1950, la carrera para descubrir la estructura del ADN estaba en marcha. En la Universidad de Cambridge, el estudiante graduado Crick y su compañero de investigación Watson se habían interesado, impresionado especialmente por el trabajo de Pauling. Mientras tanto, en el King’s College de Londres, Maurice Wilkins (1916–) y Rosalind Franklin también estudiaban ADN. El enfoque del equipo de Cambridge fue hacer modelos físicos para reducir las posibilidades y, finalmente, crear una imagen precisa de la molécula. El equipo del Rey tomó un enfoque experimental, observando particularmente las imágenes de difracción de rayos X del ADN.

En 1951, Watson asistió a una conferencia de Franklin sobre su trabajo hasta la fecha. Había descubierto que el ADN puede existir en dos formas, dependiendo de la humedad relativa del aire circundante. Esto la ayudó a deducir que la parte fosfato de la molécula

3.9 Uso del Método Científico

estaba en el exterior de la estructura. Watson regresó a Cambridge con un recuerdo bastante turbio de los hechos que Franklin había presentado, aunque claramente criticaba su estilo de lectura y su apariencia personal. En base a esta información, Watson y Crick hicieron un modelo fallido. Causó que el jefe de su unidad en el laboratorio les dijera que detuvieran la investigación de ADN. Pero el tema seguía apareciendo y continuaron experimentando. Franklin, trabajando principalmente sola, descubrió que sus difracciones de rayos X mostraban que la forma "húmeda" de ADN (con mayor humedad) tenía todas las características de una hélice. Sospechaba que todo el ADN era helicoidal, pero no quería anunciar este hallazgo hasta que tuviera evidencia suficiente en la otra forma también. Wilkins estaba frustrado. En enero de 1953, mostró los resultados de Franklin a Watson, aparentemente sin su conocimiento o consentimiento. El trabajo de difracción de rayos X mostró a Watson una doble hélice distintiva.

Watson y Crick dieron un paso conceptual crucial, sugiriendo que la molécula estaba hecha de dos cadenas de nucleótidos, cada una en una hélice como había encontrado Franklin, pero una subiendo y la otra bajando. Watson y Crick demostraron que cada cadena de la molécula de ADN era una plantilla para la otra. Durante la división celular, las dos cadenas se separan y en cada cadena se construye una nueva "otra mitad", como la anterior. De esta forma, el ADN puede reproducirse sin cambiar su estructura, excepto por errores ocasionales o mutaciones. La estructura se ajustaba tan perfectamente a los datos experimentales que fue aceptada casi de inmediato. El descubrimiento de la estructura del ADN se ha denominado el trabajo biológico más importante de los últimos 100 años y, algunos dicen que el campo que abrió puede ser la frontera científica para los próximos 100. En 1962, cuando Watson, Crick y Wilkins ganaron el Premio Nobel de fisiología y medicina, Franklin había muerto. El Premio Nobel solo se otorga a los ganadores vivos, y solo se puede compartir entre tres ganadores. Crick dijo que ella, si hubiera vivido, habría sido honrada también por su trabajo. En realidad, fue el trabajo de Franklin lo que llevó a Watson y Crick a su estructura de ADN, ya que fue su lografía de cristal de rayos X lo que selló el acuerdo. Nuevamente, el empirismo se usó con una cuidadosa observación y la construcción física de modelos para resolver el problema de la estructura del ADN.

3.9.4 Harry Hess y la Teoría Tectónica de Placas La teoría de la tectónica de placas representa un cambio de paradigma en las ciencias de la Tierra. Ha hecho que los geólogos vean el mundo y la forma en que funciona bajo una luz completamente diferente. Harry Hess (1906-1969) fue profesor de geología en la Universidad de Princeton y su trabajo preparó el escenario para la idea posterior de la tectónica de placas. Sirvió en la Marina de los EE. UU. En la Segunda Guerra Mundial y con la bendición de su tripulación pudo inspeccionar partes del fondo oceánico de la cuenca del Océano Pacífico con equipos de eco. Hess formuló una hipótesis sobre un fondo marino en expansión en 1959 en un manuscrito informal que se difundió ampliamente. Más tarde se publicó (1962) en un artículo titulado "Historia de las cuencas oceánicas", que fue una de las contribuciones más importantes e innovadoras en el desarrollo de la teoría de la tectónica de placas. Hess se basó en el trabajo de un geólogo inglés, Arthur Holmes (1890-1965), que trabajó desde principios hasta mediados del siglo XX.

El Método Científico y su Uso

En el artículo de Hess de 1962, describió cómo funcionaba la expansión del fondo marino; la roca fundida (magma) rezuma del interior de la Tierra a lo largo de las crestas oceánicas centrales creando un nuevo fondo marino que se extiende desde la cresta activa y eventualmente se hunde en las profundas zanjas oceánicas. En el momento del trabajo de Hess, había ciertas preguntas sobre el fondo marino que aún no habían sido respondidas. Se había descubierto que las cuencas oceánicas no eran tan viejas como se pensaba. Los geólogos habían pensado durante mucho tiempo que las cuencas oceánicas producirían sedimentos que proporcionarían evidencia del comienzo de los tiempos en la Tierra, el origen de la Tierra (hace unos 4.54 mil millones de años). Este no fue el caso y Hess razonó que los sedimentos se habían acumulado en el fondo del océano por solo unos 300 millones de años. Hess calculó que el fondo del océano tardó tanto en pasar de las crestas oceánicas a las trincheras oceánicas cercanas a los continentes. La idea de Hess recibió la resistencia esperada de la comunidad científica porque los geólogos todavía eran escépticos sobre un mecanismo, aunque Hess sabía que los fósiles más antiguos encontrados en ese momento en el fondo marino tenían solo unos 180 millones de años. Propuso que el mecanismo para la expansión del fondo marino era una nueva corteza formada en las crestas del océano medio que forzó, o empujó, el fondo marino a moverse a las trincheras. Muchos todavía se aferraban a la creencia de que los continentes y las cuencas oceánicas habían sido demasiado frágiles para que pudieran moverse grandes distancias como lo exigía el concepto de expansión del fondo marino. Las ideas anteriores sobre la deriva continental tenían a los continentes arando a través de la corteza oceánica hasta sus ubicaciones actuales. Hess sabía que había formas limitadas de probar su hipótesis, pero estudios geofísicos posteriores confirmaron que la corteza oceánica estaba desapareciendo en las trincheras oceánicas de la Tierra. Hess, a diferencia de Wegener, vivió para ver la confirmación de su hipótesis y resultó en el concepto de Placas Tectónicas que causó un cambio de paradigma en las ciencias de la Tierra. Causó que los geólogos de todo el mundo miraran las rocas de una manera completamente diferente a la que tenían antes y que analizaran su historia en un contexto completamente nuevo. Hess también descubrió colinas en el fondo marino que tenían cimas planas. A estos los llamó guyots, que son colinas volcánicas de cima plana que se construyeron desde el fondo marino hasta la superficie del océano cuando se formaron y sus cimas se cortaron (erosionaron) por la acción de las olas. Otros fueron llamados montes submarinos. Luego se hundieron lentamente bajo la superficie del mar bajo su propio peso. El edificio de geología de la Universidad de Princeton se llama Guyot Hall en honor a Harry Hess y su investigación innovadora. Hess fue profesor durante mucho tiempo en la Universidad de Princeton. La relación de la expansión del fondo marino con la ciencia del cambio climático se desarrolla más en el Volumen II de esta serie de libros de texto.

3.9.5 Teoría de la Placa Tectónica En 1963 se descubrió que había franjas a cada lado de las crestas oceánicas medias, paralelas a las crestas que mostraban polaridad repetida y alterna. Los minerales magnéticos en las tiras, que se alinean con el campo magnético de la Tierra, mostraron reversiones alternadas de polaridad en las rocas a cada lado de las crestas del océano medio; es decir, una tira mostraría el extremo sur magnético de los minerales magnéticos

3.9 Uso del Método Científico

apuntando hacia el Polo Norte y la franja adyacente que muestra el reverso (el extremo norte magnético apuntando hacia el Polo Norte), y esta secuencia alterna se repitió a medida que uno se alejaba de la cresta a cada lado. Cada lado de la cresta tenía tiras a juego de polaridad alterna. Estudios adicionales que utilizan técnicas de datación por edades mostraron que el fondo marino se hizo más viejo a medida que uno se alejaba de las cordilleras del océano medio en cualquier dirección, lo que brinda un mayor apoyo al concepto de Hess de expansión del fondo marino. Si se agregaba corteza en las crestas, tenía sentido que la corteza más joven estuviera cerca de las crestas y, por lo tanto, la corteza más vieja tenía que estar cada vez más lejos de las crestas. El concepto de que los continentes y las cuencas oceánicas no siempre fueron como son hoy en día fue una idea revolucionaria para los geólogos de la época. Los geólogos tienden a ser un grupo conservador, y pasó algún tiempo antes de que se convencieran de que la corteza terrestre estaba activamente involucrada en movimientos que podrían dar lugar a mover continentes enteros (deriva continental). A fines de la década de 1960, se había reunido suficiente información para proponer una teoría basada en la evidencia, y el concepto de deriva continental encajaría perfectamente en la nueva teoría. La teoría de la tectónica de placas es que la capa más externa de la Tierra, la corteza, está formada por placas que se mueven una con respecto a la otra y se han movido una con respecto a la otra durante gran parte del pasado geológico. Probablemente se han movido a diferentes velocidades y tal vez en diferentes direcciones en el pasado geológico, pero han deambulado o derivado sobre la faz de la Tierra a sus posiciones actuales. El movimiento relativo de estas placas tectónicas ha afectado en gran medida la historia climática de la Tierra y se trata con mayor detalle en el Volumen II de esta serie de libros de texto. Los científicos del cambio climático son aquellos científicos cuyas contribuciones están en el ámbito del cambio climático. Muchos de los siguientes científicos también han contribuido a otras ciencias y áreas de la ciencia, pero el énfasis aquí está en sus contribuciones a la ciencia del clima y sus implicaciones actuales.

3.9.6 Wallace Broecker y el Primer Uso del Término Calentamiento Global Wallace (Wally) Smith Broecker (1931–) es profesor de Newberry en el Departamento de Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente de la Universidad de Columbia y científico investigador en el Observatorio de la Tierra Lamont-Doherty de Columbia. Es ampliamente reconocido por haber acuñado el término "calentamiento global". También se le atribuye ser el creador del concepto de "cinta transportadora" de circulación oceánica (ver Fig. 12.6); Un concepto global de los océanos que actúan como una cinta transportadora para distribuir el carbono en todo el Océano Mundial. Se le atribuye el establecimiento de los cimientos de la ciencia del ciclo del carbono. Es autor de más de 450 publicaciones en la literatura revisada por pares y es autor de diez (10) libros, uno de los cuales es Tracers in the Sea, que lo estableció como uno de los líderes en oceanografía química. Su trabajo con el radiocarbono (14C) y su vinculación a la paleoceanografía se describen como puntos de referencia en el campo.

El Método Científico y su Uso

En 1975 en el semanario Science, Broecker publicó el primer uso legítimo del término "Calentamiento global" en un artículo revisado por pares titulado "Cambio climático: ¿estamos al borde de un pronunciado calentamiento global?" El artículo de Broecker fue escrito durante un breve episodio de enfriamiento global en la década de 1970, lo que lo hace aún más sorprendente y profético.

3.10 Uso del Método Científico en la Ciencia del Cambio Climático La Tierra se está calentando globalmente; La temperatura de nuestro planeta se está calentando. El calentamiento global es un hecho, es inequívoco y se debe principalmente a la quema de combustibles fósiles por parte de los humanos durante los últimos cientos y posiblemente algunos miles de años. Los combustibles fósiles son el carbón, el gas natural y el petróleo. Los humanos también han sido responsables del calentamiento de la Tierra sin darse cuenta cortando árboles (deforestación), la fabricación de carbón y el cultivo de alimentos, especialmente arroz. Pero la causa principal, con mucho, es la quema masiva de combustibles fósiles desde la Revolución Industrial y la producción en masa del motor de combustión interna que la mayoría utiliza como fuente de energía. Estos avances en el uso de la energía han provocado un aumento constante y constante en la concentración de dióxido de carbono atmosférico y, como resultado, la Tierra continúa calentándose. Los combustibles fósiles están compuestos de hidrocarburos que han estado enterrados en la Tierra durante millones de años. Se forman lentamente y no están siendo reemplazados, y cada vez es más difícil y costoso encontrarlos y comercializarlos económicamente. Por ejemplo, el petróleo, cuyos depósitos antes se encontraban perforando en tierra, ahora se encuentra perforando en aguas oceánicas (como en el Golfo de México). El primer pozo de petróleo en los Estados Unidos fue en el estado de Pennsylvania. Los pozos nuevos más recientes se han perforado en alta mar y se están perforando en aguas cada vez más profundas a medida que se siguen descubriendo nuevos depósitos o depósitos de petróleo. Los humanos pronto se quedarán sin combustibles fósiles baratos. Los combustibles fósiles han proporcionado a los humanos una fuente de energía relativamente barata durante mucho tiempo. Al ritmo de consumo, es posible que se nos acaben los combustibles fósiles baratos más temprano que tarde y, a medida que lo hagamos, se volverán cada vez más caros de extraer, transportar, vender y quemar. Muchos científicos están pidiendo una política de dejar el resto de los combustibles fósiles en el suelo antes de que la humanidad los queme a todos. Hay al menos dos razones para esto: 1. Los humanos pueden necesitarlos más tarde; y 2. Quemarlos está haciendo que el planeta se caliente Es imposible saber cuándo se produjo el primer incendio con carbón, pero los científicos saben que el hombre primitivo en Europa estaba quemando carbón. Se sabe que el carbón se usó durante la Edad del Bronce, hace más de 4.000 años. Hoy (junio de 2012), la quema de carbón es la mayor fuente de dióxido de carbono (CO 2) en la atmósfera, donde permanece durante mucho tiempo (quizás durante miles de años) y continúa contribuyendo al calentamiento global.

3.10 Uso del Método Científico en la Ciencia del Cambio Climático

3.10.1 Joseph Fourier y el GreenhoEfecto Invernadero Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) fue un matemático y físico francés que estudió para el sacerdocio pero nunca tomó sus votos. Comenzando con su trabajo en la década de 1820, los científicos habían entendido que los gases en la atmósfera podrían atrapar el calor recibido del Sol. Fourier se dio cuenta de que la energía en forma de luz visible del Sol penetra fácilmente en la atmósfera para alcanzar la superficie y calentarla, pero el calor no puede escapar fácilmente al espacio. El aire absorbe rayos de calor invisibles (radiación infrarroja) que se elevan desde la superficie. El aire caliente irradia parte de la energía hacia la superficie, lo que ayuda a que se mantenga caliente. Este es el efecto que más tarde se llamaría el "efecto invernadero". Las ecuaciones y los datos disponibles para los científicos del siglo XIX eran demasiado pobres para permitir un cálculo preciso de este efecto, pero Fourier sentó las bases para una física posterior (por ejemplo, la teoría de la radiación del cuerpo negro) que mostró que una Tierra desnuda y sin aire a su distancia de el Sol debería estar mucho más frío de lo que realmente está (unos 30°C más frío).

3.10.2 John Tyndall y la Radiación Térmica John Tyndall (1820-1893) fue un físico, matemático y montañista irlandés que comenzó a estudiar las propiedades radiativas de varios gases. Construyó el primer trofotómetro de especificación que utilizó para medir el poder de absorción de gases como el vapor de agua, dióxido de carbono, ozono e hidrocarburos. Fue el primero en mostrar las vastas diferencias entre gases para absorber y transmitir calor radiante. Tyndall demostró que el vapor de agua, el dióxido de carbono y el ozono eran los mejores absorbentes de la radiación térmica o térmica (no la radiación de las bombas atómicas y de hidrógeno, es decir, la radiactividad) y absorben mucho más fuertemente que la propia atmósfera. Llegó a la conclusión de que el vapor de agua era el absorbente más fuerte del calor radiante y que es el gas más importante para controlar la temperatura de la atmósfera. Incluso especuló sobre cómo las fluctuaciones en el vapor de agua y el dióxido de carbono estaban relacionadas con el cambio climático. Por lo tanto, se adelantó muchos años a su tiempo. Tyndall se dio cuenta de que el clima de la Tierra había cambiado drásticamente en el pasado al observar los glaciares en los Alpes. También señaló que los glaciares habían sido más extensos en el pasado de la Tierra. Es el primer científico conocido que les dijo a sus alumnos por qué el cielo es azul. Tyndall sugirió que el cielo es azul porque las moléculas en la atmósfera dispersan preferentemente los rayos azules del Sol, de modo que lo que vemos mirando un cielo despejado es el color azul. Esto también es cierto mirando la Tierra desde el espacio exterior; La Tierra es el planeta azul (ver portada). El Sol, las estrellas, la Luna y otros planetas irradian luz que viaja a la Tierra. Esta luz es radiación electromagnética que viaja a través del espacio como ondas o fotones. Las ondas electromagnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas eléctricamente. Estas ondas se llaman radiación electromagnética porque irradian de partículas cargadas eléctricamente. Viajan a través del espacio exterior, así como a través del aire y otras sustancias.

El Método Científico y su Uso

La radiación electromagnética, además de actuar como ondas, actúa como una corriente de partículas que no tienen masa. Los fotones con la energía más alta corresponden a las longitudes de onda más cortas. La radiación electromagnética viaja a la velocidad de la luz. Las ondas de luz visible varían en tamaño de 0.4 a 0.7 mm (4,000–7,000 Å), mientras que un átomo tiene un tamaño de unos pocos angstroms. La radiación electromagnética se analiza con más detalle más adelante en este texto.

3.10.3 Svante Arrhenius y el Dióxido de Carbono Svante Arrhenius (1859–1927) fue la primera persona en investigar cuál sería el efecto de duplicar el dióxido de carbono atmosférico en el clima global. Arrhenius fue un científico sueco y uno de los fundadores de la química física. Aparentemente fue uno de los primeros en discutir la cuantificación del dióxido de carbono en la atmósfera. Fue el primero en predecir que las emisiones de dióxido de carbono provenientes de la quema de combustibles fósiles y otros procesos de combustión causarían el calentamiento global. Arrhenius declaró lo siguiente: El gran físico francés Fourier sugirió que las envolturas atmosféricas limitan las pérdidas de calor de los planetas alrededor de 1800. Sus ideas fueron desarrolladas posteriormente por Pouillet y Tyndall. Su teoría ha sido diseñada como la teoría de los invernaderos, porque pensaban que la atmósfera actuaba a la manera de los cristales de los invernaderos. Si la cantidad de ácido carbónico en el aire se hundiera a la mitad de su porcentaje actual, la temperatura caería aproximadamente 4 °; una disminución a un cuarto reduciría la temperatura en 8 °. Por otro lado, cualquier duplicación del porcentaje de dióxido de carbono en el aire elevaría la temperatura de la superficie de la tierra en 4 °; y si el dióxido de carbono aumentara cuatro veces, la temperatura aumentaría en 8°.

Arrhenius fue el primero en predecir que las emisiones de dióxido de carbono provenientes de la quema de combustibles fósiles y otros procesos de combustión causarían el calentamiento global.

En 1903 Arrhenius fue galardonado con el Premio Nobel de Química. Su interés en la ciencia del clima surgió de su interés en la causa o causas de las glaciaciones. Su trabajo sentó las bases para un trabajo posterior en la ciencia del cambio climático. Arrhenius estaba al tanto de los trabajos de Fourier, Tyndall y otros antes que él y en 1895 presentó un documento sobre la influencia del dióxido de carbono en el clima. El artículo utilizó un modelo de presupuesto energético que se adelantó a su tiempo al considerar los efectos radiativos del dióxido de carbono y el vapor de agua sobre la temperatura de la superficie de la Tierra. Realizó una serie de cálculos basados en los datos disponibles para él sobre los efectos de la temperatura de las cantidades crecientes y decrecientes de dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra. Su trabajo demostró que la región del Ártico experimentaría un aumento de temperatura de aproximadamente 8 o 9 ° C si el dióxido de carbono aumentara 2.5-3 veces su valor (en 1895). El dióxido de carbono antes de la Revolución Industrial era de 270 a 280 partes por millón (ppm). Hoy (junio de 2012), supera las 396 ppm. Arrhenius calculó que para obtener la temperatura del último avance glacial entre los paralelos 40º y 50º de latitud, el dióxido de carbono en la atmósfera tendría que disminuir entre 0,62 y 0,55 de su valor en 1895 para bajar la temperatura 4–5 ° C.

3.10 Uso del Método Científico en la Ciencia del Cambio Climático

Unos años después de que Arrhenius publicara su trabajo, otro científico sueco, Knut Angström, le pidió a su asistente que midiera el paso de la radiación infrarroja a través de un tubo lleno de dióxido de carbono. El asistente informó que la cantidad de radiación apenas cambió cuando redujo el gas en un tercio. Esto significaba que solo se necesitaba un rastro del gas de dióxido de carbono para absorber la radiación. Agregar más dióxido de carbono hizo poca diferencia y solo un rastro de él en el tubo bloqueaba el paso de la radiación infrarroja.

3.10.4 T. C. Chamberlin y las Edades de Hielo Thomas Chrowder Chamberlin (1843–1928) fue un geólogo estadounidense quizás mejor conocido por su presentación de múltiples hipótesis de trabajo. Fue Jefe de la División Glacial del Servicio Geológico de EE. UU., Presidente de la Universidad de Wisconsin (en Madison), fundador del Journal of Geology, organizador del departamento de geología de la Universidad de Chicago, y con Forest Ray Moulton, desarrolló Una hipótesis de la formación del Sistema Solar conocida como la hipótesis planetesimal de Chamberlin-Moulton. La hipótesis planetesimal tenía en su centro la idea de que los objetos más pequeños (planetesimales) colisionaron entre sí en las primeras etapas del Sistema Solar y formaron los planetas por acreción (creciendo juntos y haciéndose más grandes). En 1899, Chamberlin propuso que el dióxido de carbono en la atmósfera disminuya durante los tiempos de mayor erosión continental, lo que resulta en episodios de glaciación durante la última "edad de hielo". La erosión mejorada se debió a montañas de mayor altura (debido a la construcción de montañas u orogénesis; o tectónica de placas) y al aumento de la meteorización química. El registro oceánico de los isótopos de estroncio, conservado en el sedimento marino, respalda su sugerencia de que los climas glaciales durante el fanerozoico están en parte relacionados con aumentos en la tasa de erosión química global en relación con la desgasificación del interior de la Tierra. Además, la estrecha correlación de los principales episodios de construcción de montañas del Ordovícico Tardío y el Silúrico Temprano, el Devónico, el Periodo Carbonífero y el Pérmico, y la Era Cenozoica tardía (ver Apéndice I para los Periodos geológicos, Épocas y Eras) con los tiempos de aumento La erosión continental y la glaciación sugieren que la hipótesis de Chamberlin sobre la causa de los episodios glaciales debe revisarse, al menos para los episodios glaciales anteriores al Cenozoico. Chamberlin formuló sus ideas sobre las glaciaciones cuando trabajó en los depósitos glaciares de su natal Illinois y Wisconsin. Fue responsable de nombrar las glaciaciones Illinoian (hace 310,000–128,000 años) y Wisconsin (hace 35,000– 11,800 años) y otras de la edad del Pleistoceno.

3.10.5 Guy Stewart Callendar y las Temperaturas Crecientes Guy Stewart Calendar (1897–1964) fue un ingeniero británico que fue el primer científico en estudiar el cambio climático de manera sistemática. Fue el primero en conectar el aumento de las

El Método Científico y su Uso

concentraciones de dióxido de carbono en la atmósfera al aumento de la temperatura de la Tierra. Era consciente del aumento de dióxido de carbono en la atmósfera como resultado de la quema de combustibles fósiles y un aumento de la temperatura atmosférica durante los primeros 40 años del siglo XX, que él vincula empíricamente. Usó el término "efecto invernadero antropogénico" para describir lo que estaba sucediendo con el clima de la Tierra. El efecto invernadero antropogénico también se llama efecto Callendar. Callendar formuló una teoría coherente de la absorción y emisión infrarroja por gases traza, estableció la concentración de dióxido de carbono (290 ppm) en el siglo XIX, y afirmó que su concentración atmosférica estaba aumentando debido a las actividades humanas, lo que hacía que el clima de la Tierra se calentara. La investigación de Callendar resultó en nuevas ideas fundamentales sobre los espectros de vapor de agua, dióxido de carbono y ozono a bajas concentraciones y bajas temperaturas en la atmósfera, de vital importancia para los estudios del presupuesto de calor de la Tierra. Colaboró con un físico de Cambridge para delinear las características de absorción y emisión de espectros infrarrojos de hidrocarburos y gases traza atmosféricos. La principal contribución científica de Callendar fue específicamente en el cambio climático antropogénico; La teoría del dióxido de carbono del cambio climático. A partir de 1938, Callendar revivió y reformuló la teoría del dióxido de carbono argumentando que el aumento de las temperaturas globales y el aumento de la quema de combustibles fósiles estaban estrechamente relacionados. Callendar compiló datos meteorológicos de estaciones de todo el mundo que indicaban claramente una tendencia al calentamiento global de aproximadamente 0,5 °C en las primeras décadas del siglo XX. Callendar estableció lo que se convertiría en el número estándar de 290 partes por millón como la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera del siglo XIX y documentó un aumento del 10% en esta cifra entre 1900 y 1935, que coincidía estrechamente con la cantidad de combustible quemado Callendar señaló que los humanos habían sido capaces de intervenir y acelerar los procesos naturales durante mucho tiempo, y que la humanidad ahora estaba interviniendo fuertemente en el lento ciclo del carbono al "arrojar al aire unas 9,000 toneladas de dióxido de carbono por minuto". En una era anterior al modelado climático por computadora, Callendar compiló toda la información disponible en ese momento sobre los espectros detallados de absorción y emisión infrarroja de gases traza atmosféricos en una imagen coherente de interés y relevancia para los científicos climáticos. Argumentó que el aumento del contenido de dióxido de carbono de la atmósfera y el aumento de la temperatura se debieron a las actividades humanas, estableciendo así la teoría del dióxido de carbono del cambio climático en su forma reconociblemente moderna. Fue el primero en establecer el vínculo entre el dióxido de carbono y la temperatura de la Tierra y esta es una contribución increíble a la ciencia del cambio climático.

3.10.6 Gilbert Plass y Duplicación de Dióxido de Carbono Gilbert Norman Plass (1920–2004) fue un físico canadiense que en la década de 1950 hizo predicciones sobre el aumento de los niveles de dióxido de carbono atmosférico en el siglo XX y su efecto sobre la temperatura promedio de la Tierra que coincide con las mediciones de temperatura reportadas medio siglo después.

3.10 Uso del Método Científico en la Ciencia del Cambio Climático

Plass trabajó principalmente en los EE. UU. Y trabajó como físico en el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago y más tarde en la Universidad Johns Hopkins. Dejó la academia en 1955 y trabajó para Lockheed Aircraft Corporation, luego se unió a Ford Motor Company en su división aeronutronica. En 1963 aceptó un puesto como el primer profesor de ciencias atmosféricas y espaciales en el Centro Suroeste de Estudios Avanzados (ahora la Universidad de Texas en Arlington). En 1968 se convirtió en profesor y jefe del departamento de física de la Universidad Texas A&M.

En 1953, como resultado de su trabajo sobre los efectos del dióxido de carbono de fuentes industriales como gas de efecto invernadero, declaró: "A su ritmo actual de aumento, el dióxido de carbono en la atmósfera elevará la temperatura promedio de la Tierra 1.5 ° F cada 100 años En los siglos venideros, si el crecimiento industrial del hombre continúa, el clima de la Tierra seguirá calentándose”. Plass hizo uso de las primeras computadoras electrónicas y predijo que una duplicación del dióxido de carbono causaría un calentamiento de la temperatura de la Tierra de 3.6 ° C. También predijo que los niveles de dióxido de carbono en 2000 serían un 30% más altos que en 1900 y que el planeta sería aproximadamente 1 ° C más cálido en 2000 que en 1900. El Cuarto Informe de Evaluación 2007 del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) estimó una sensibilidad climática de 2–4.5 ° C para duplicar el dióxido de carbono, un aumento del 37% desde los tiempos preindustriales (desde aproximadamente 1750 DC) y un calentamiento de 1900–2000 de alrededor de 0.7 °C.

3.10.7 Hans Suess y Carbono-14 en Dióxido de Carbono Hans Suess (1909–1993) fue un físico, químico físico y geoquímico austríaco que creció en Viena y que tuvo un papel importante en la ciencia climática usando radiocarbono (carbono 14 o 14C). En la década de 1950, un grupo de la Universidad de Chicago encabezado por Willard Libby estaba usando carbono 14 para fechar materiales antiguos. Estos materiales eran principalmente arqueológicos y antropológicos, como la cerámica y las momias. El grupo de Chicago también estaba trabajando en la separación y enriquecimiento de isótopos para su uso en el campo de la medicina. Los investigadores de Chicago desarrollaron nuevas técnicas para la separación y enriquecimiento de isótopos y fueron utilizadas por Suess, que se había unido al personal del Servicio Geológico de los Estados Unidos como geoquímico. Más tarde fue miembro fundador de la Universidad de California, Davis. Fue responsable del desarrollo de técnicas de datación por radiocarbono y contribuyó al conocimiento de los elementos y la evolución del Sistema Solar. Suess ideó un plan para medir los isótopos de carbono en los anillos de los árboles. Comenzó a recolectar árboles viejos con la ayuda del personal del Servicio de Parques Nacionales y el Departamento de Agricultura de los EE. UU. La principal preocupación de Suess era estudiar cómo se movía el carbono a través del medio ambiente. El carbono 14 se origina en la atmósfera superior por el bombardeo de nitrógeno por los rayos cósmicos. El carbono 14 tiene una vida media de alrededor de 50,000 años, por lo que el carbono 14 en los combustibles fósiles ha desaparecido en gran medida, ya que la mayoría de los combustibles fósiles tienen millones de años.

El Método Científico y su Uso

Suess fue el primero en notar que los anillos de los árboles tenían menos carbono 14 de lo que habría estado presente en los anillos de los árboles de carbono natural. El carbono en los anillos de los árboles tenía que provenir de la quema de combustibles fósiles; de lo contrario habría más carbono 14 presente. Libby, a principios de la década de 1950, había sugerido que tal vez el carbono 14 podría usarse para determinar la circulación en los océanos profundos. Se sabía que los océanos eran un sumidero de carbono (absorbido por los océanos) y se sabía que desempeñaban un papel como una parte importante del ciclo del carbono. Se desconocía cómo se distribuía el carbono en los océanos. Se sabía que el dióxido de carbono se intercambiaba entre la atmósfera y el agua del océano en la superficie del océano, pero no se sabía cómo o incluso si este dióxido de carbono se mezclaba en las aguas más profundas del océano. Parecía seguro que la enorme masa de los océanos absorbería cualquier exceso de carbono que pudiera provenir de actividades humanas como la quema de combustibles fósiles. Las mediciones de Suess de la distribución de iones de carbono en los océanos dieron como resultado la predicción de que podrían tomar 1,000 años para que circulen tanto horizontal como verticalmente. Hay tres isótopos de carbono que se encuentran en la naturaleza, carbono-12 (12C), carbono-13 (13C) y carbono-14 (14C). El 14C es carbono radiactivo o radiocarbono 12C y 13C son isótopos estables de carbono y el radiocarbono no es medible después de alrededor de 50,000 años, por lo que los depósitos antiguos (más de 50,000 años) no contienen cantidades medibles de 14C. La principal contribución de Hans Suess a la ciencia del cambio climático fue determinar que la circulación oceánica tardó demasiado en distribuir iones de carbono y, como resultado, los océanos no absorberían las cantidades de dióxido de carbono que la humanidad estaba poniendo en la atmósfera.

3.10.8 Roger Revelle y Química del Océano Roger Revelle (1909–1991) fue un científico estadounidense que realizó importantes contribuciones a la comprensión de los océanos por parte de la humanidad. Fue oceanógrafo y un importante portavoz de la ciencia. Fue uno de los primeros científicos en reconocer los efectos del aumento de los niveles de dióxido de carbono atmosférico en la temperatura de la superficie de la Tierra. Fue miembro durante mucho tiempo del Instituto de Oceanografía Scripps y se desempeñó como director desde 1951 hasta 1964. Revelle sirvió en numerosos comités nacionales y fue presidente del Panel de Oceanografía del Comité Nacional de los Estados Unidos sobre el Año Geofísico Internacional (IGY). Durante la planificación del IGY, Scripps fue nombrado como el centro principal en el Programa de dióxido de carbono atmosférico. Revelle contrató a Charles David Keeling, quien se unió al personal de Scripps para dirigir el programa IGY y comenzó a medir el dióxido de carbono atmosférico en 1956. Keeling comenzó a medir el CO2 en la Antártida y en el volcán Mauna Loa, Hawai. Revelle se interesó en la solubilidad del carbonato de calcio y su interés en el dióxido de carbono en la atmósfera se mantuvo durante el resto de su vida. En 1965, Revelle se desempeñó como miembro del Comité Asesor Científico sobre Contaminación Ambiental del Presidente. El comité publicó el primer informe autorizado del

3.10 Uso del Método Científico en la Ciencia del Cambio Climático

Gobierno de EE.UU. en el que el dióxido de carbono fue reconocido oficialmente como un posible problema global.

3.10.9 Charles David Keeling y CO2 Charles David Keeling (1928–2005) fue un químico estadounidense que acudió a Scripps del Instituto de Tecnología de California (Cal Tech), donde había sido un posdoctorado en geoquímica. Como se vio anteriormente, Roger Revelle contrató a Keeling en Scripps en 1956 para estudiar la geoquímica del carbono y el oxígeno con énfasis en el ciclo del automóvil. Fue el primer científico en confirmar el aumento de dióxido de carbono en la atmósfera mediante mediciones muy precisas que produjeron datos que dieron como resultado lo que ahora se llama la Curva de Keeling (Fig. 1.2). Antes del trabajo de Keeling, nadie había cuantificado que el dióxido de carbono aumentara constantemente en la concentración atmosférica y sus mediciones se convirtieron en un hito en la ciencia histórica del cambio climático.

Keeling descubrió que la atmósfera respira en un ciclo anual que refleja las influencias de la fotosíntesis, la respiración y la mezcla atmosférica. El descubrimiento de Keeling del fondo atmosférico fue de gran importancia, ya que motivó sus posteriores estudios climatológicos del dióxido de carbono atmosférico de la Tierra en su conjunto. A modo de ejemplo, el descubrimiento de un fondo atmosférico también eventualmente motivó los estudios globales de otros científicos de gases de efecto invernadero adicionales como el metano y el óxido nitroso y de gases estratosféricos que destruyen el ozono como los clorofluorocarbonos. Keeling comenzó el observatorio en los flancos del volcán Mauna Loa en Hawai y comenzó su medición de CO2 en 1958. Localizó el observatorio viento arriba del respiradero volcánico. Se sabe que una de las fuentes de dióxido de carbono en la atmósfera son los volcanes, por lo que Keeling tuvo que tener cuidado de que sus mediciones de CO2 no estuvieran influenciadas por los gases que escapan del respiradero de Mauna Loa. Las mediciones de Keeling en Mauna Loa han proporcionado una verdadera medida del ciclo global del carbono, un registro efectivamente continuo de la quema de combustibles fósiles. También mantienen una precisión y precisión que permiten a los científicos separar las emisiones de combustibles fósiles de las debidas al ciclo natural anual de la biosfera, lo que demuestra un cambio a largo plazo en el intercambio estacional de CO2 entre la atmósfera, la biosfera y el océano. Mauna Loa es de hecho un volcán activo y los volcanes liberan dióxido de carbono a la atmósfera; entró en erupción en 1950, 1975 y 1984. Entre erupciones, emite cantidades variables de dióxido de carbono (CO2) y dióxido de azufre (SO2) de las fisuras en la cumbre. El observatorio está ubicado en la ladera norte de la montaña, a 4 millas de distancia y 2,600 pies más abajo que la cumbre, que está a 13,675 pies sobre el nivel del mar. La mayoría de las veces, el observatorio experimenta condiciones "de referencia" y mide el aire limpio que ha estado sobre el Océano Pacífico durante días o semanas. Los observadores lo saben porque el analizador de CO 2 generalmente proporciona una lectura muy constante que varía en menos de 3/10 de una parte por millón (ppm) de una hora a otra. Estas son las condiciones utilizadas para calcular los promedios que entran en el gráfico de las concentraciones de CO2 atmosférico.

El Método Científico y su Uso

El CO2 volcánico de la cumbre de Mauna Loa solo se detecta a altas horas de la noche en momentos en que los vientos regionales son suaves y del sur. En estas condiciones, se forma una inversión de temperatura sobre el suelo, y las emisiones volcánicas quedan atrapadas cerca de la superficie y viajan por el lado de la ladera de la montaña hacia el observatorio. Cuando las emisiones volcánicas llegan al observatorio, las lecturas del analizador de CO2 aumentan en varias partes por millón, y las cantidades medidas se vuelven muy variables durante períodos de varios minutos a algunas horas. En la última década, esto ha ocurrido en aproximadamente el 15% de las noches entre la medianoche y las 6 de la mañana. Los datos de dióxido de carbono, medidos como la fracción molar en aire seco, en Mauna Loa constituyen el registro más largo de mediciones directas de CO 2 en la atmósfera. Fueron iniciados por Keeling en marzo de 1958 en una instalación ahora administrada por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA). NOAA comenzó sus propias mediciones de CO2 en mayo de 1974, y han corrido en paralelo con las realizadas por Scripps desde entonces. La curva negra en la curva de Keeling (Fig. 1.2) representa los datos corregidos estacionalmente. Los datos se informan como una fracción molar seca definida como el número de moléculas de dióxido de carbono dividido por el número de moléculas de aire seco multiplicado por un millón (ppm). Keeling también notó una variación estacional en sus mediciones de CO2. En los meses de verano, las lecturas de CO2 disminuirían debido a que las plantas toman CO2 de la atmósfera y usan CO2 en la fotosíntesis. En invierno, las lecturas de CO2 aumentarían debido a que las plantas mueren o quedan inactivas y ceden su CO2 a la atmósfera. Esto se puede ver en la curva de Keeling ilustrada en la figura 1.2. El trabajo de Keeling fue motivado por la sugerencia, hecha originalmente por Svante Arrhenius, de que los niveles de dióxido de carbono atmosférico podrían estar aumentando debido a la quema de combustibles fósiles con posibles consecuencias para el clima global. En ese momento, sin embargo, la sugerencia era controvertida; en parte porque no estaba claro en qué medida los océanos podrían estar amortiguando el aumento de CO2 atmosférico. En unos pocos años de mediciones, el registro de Mauna Loa había cambiado la noción del aumento de CO2 atmosférico de una cuestión de teoría a una cuestión de hecho. Este fue un logro de enorme importancia científica, social y política, y dentro de la comunidad científica estimuló la participación de investigadores climáticos como Syukuro Manabe y otros para cuantificar de manera más precisa el impacto del aumento de CO2 en el clima global. El registro de Mauna Loa, o Curva de Keeling, se ha convertido en un icono estándar que simboliza el impacto de los humanos en el planeta.

3.10.10 Syukuro (“Suki”) Manabe y Modelado Climático Syukuro ("Suki") Manabe (1931–) es meteorólogo en el Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos (GFDL) de NOAA ubicado en la Universidad de Princeton en los Estados Unidos. Poco después de recibir su Ph.D. en meteorología en Japón emigró a los EE. UU.

3.10 Uso del Método Científico en la Ciencia del Cambio Climático

y comenzó a trabajar en algunos de los primeros intentos de modelar el sistema atmosférico-oceánico para poder resolver algunos de los problemas de la ciencia climática. En la década de 1960, Manabe y su equipo de investigación desarrollaron un modelo radiactivo-convectivo de la atmósfera y modelaron gases de efecto invernadero como vapor de agua, dióxido de carbono y ozono. Este fue el comienzo de una investigación a largo plazo sobre el cambio climático y el calentamiento global. A fines de la década de 1960 comenzó a desarrollar un modelo de circulación general (GCM) del sistema atmósfera-océano-tierra. Suki Manabe fue pionera en el uso de computadoras para simular el cambio climático global y las variaciones climáticas naturales.

3.10.11 James Hansen y Análisis de Temperatura James Hansen (1941–) es el director del Instituto Goddard de Estudios Espaciales (GISS) en la Universidad de Columbia en la ciudad de Nueva York, Nueva York y es profesor adjunto en el Departamento de Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente de la Universidad de Columbia. Comenzó a estudiar la atmósfera de Venus y luego aplicó su trabajo a la atmósfera de la Tierra. Desarrolló modelos de transferencia radiativa para comprender mejor los efectos de los aerosoles y gases traza en el clima de la Tierra. El desarrollo y uso de modelos climáticos globales por parte de Hansen ha contribuido a una mayor comprensión del clima de la Tierra. Hansen se ha convertido en un activista para la acción para mitigar los efectos del cambio climático, que en algunas ocasiones ha llevado a su arresto. Es particularmente activo en la oposición a la minería del carbón y las centrales eléctricas de carbón y los contaminantes que emiten, incluido el dióxido de carbono, mercurio, arsénico y otros. En 1987, Hansen y uno de sus colegas (S. Lebedeff) idearon un método para obtener una temperatura promedio global. Este método continúa siendo utilizado por GISS y agencias en otros países para llegar a una temperatura global promedio anual. Se puede obtener información adicional en el siguiente sitio web: http: // www. giss.nasa.gov/.

3.10.12 William Ruddiman y Paleoclima William F. Ruddiman es un destacado paleoclimatólogo y profesor emérito del Departamento de Ciencias Ambientales de la Universidad de Virginia. Tal vez sea mejor conocido por proponer que los humanos comenzaron a afectar las concentraciones de dióxido de carbono y metano en la atmósfera desde 10.000 años antes del presente (2012) por la deforestación y los inicios de la agricultura. Ruddiman es autor de dos libros y más de 150 artículos científicos en revistas científicas revisadas por pares. Él es un firme defensor de la designación del Antropoceno a partir de 8,000 años antes de Cristo, cuando los humanos comenzaron a cambiar la composición de la atmósfera con las primeras prácticas agrícolas.

El Método Científico y su Uso

3.10.13 Gavin Schmidt y GISS Gavin Schmidt es un científico del clima en el Instituto Goddard de Estudios Espaciales (GISS) en la ciudad de Nueva York, NY. Se especializa en modelos climáticos y está interesado en modelar el clima pasado, presente y futuro. Trabaja en el desarrollo y mejora de modelos climáticos acoplados y, en particular, está interesado en cómo se pueden comparar sus resultados con los datos paleoclimáticos. Ha trabajado en la evaluación de la respuesta climática a múltiples forzamientos, incluida la radiación solar, la química atmosférica, los aerosoles y los gases de efecto invernadero. Un resumen general de uno de los trabajos recientes de Gavin Schmidt muestra lo siguiente: 1. Resumen: una sinopsis de lo que contiene el documento; 2. Introducción: una introducción a los problemas a resolver con el trabajo realizado para el proyecto; 3. Datos y métodos: qué materiales están disponibles para el estudio y cómo se realizó el estudio; 4. Resultados y conclusiones; 5. Apéndices; 6. Referencias.

3.10.14 Stefan Rahmstorf, Aumento del Nivel del Mar y la Temperatura Físico y oceanógrafo de formación, Stefan Rahmstorf ha pasado del trabajo inicial en la teoría de la relatividad general al trabajo en temas climáticos. Ha realizado investigaciones en el Instituto Oceanográfico de Nueva Zelanda, en el Instituto de Ciencias Marinas de Kiel y desde 1996 en el Instituto Potsdam para la Investigación del Impacto Climático en Alemania (en Potsdam, cerca de Berlín, Alemania). Su trabajo se centra en el papel de las corrientes oceánicas en el cambio climático, pasado y presente. Enseña física de los océanos como profesor en la Universidad de Potsdam. Rahmstorf es un editor frecuente en el área de los efectos oceánicos sobre el clima y el aumento del nivel del mar debido al deshielo de los glaciares. Es colaborador habitual del sitio web RealClimate.com, altamente recomendado como fuente de información actualizada sobre el cambio climático.

Lecturas Adicionales Ager, D. (1993). The new catastrophism: The importance of the rare event in geological history. Cambridge: Cambridge University Press. Alley, R. B. (2000). The two-mile time machine. Princeton: Princeton University Press. Appenzeller, T., & Dimick, D. R. (2004, September). The heat is on. National Geographic, 12–75. Badash, L. (2001). Nuclear winter: Scientists in the political arena. Perspectives in Physics, 3, 76–105. Bowen, M. (2008). Censoring science: Inside the political attack on Dr. James Hansen and the

truth of global warming. New York: Dutton. ISBN 978-0525-95014-1.

Lecturas Adicionales

Cohen, M., & Ernest, N. (1934). An introduction to logic and scientific method (p. 375). New York:

Harcourt, Brace, and Company. Darwin, C. (1859). On the origin of species by means of natural selection, or the preservation of favoured races in the struggle for life (p. 502). London: John Murray. Foster, G., & Rahmstorf, S. (2011). Global temperature evolution 1979–2010. Environmental Research Letters, 6(2011), 044022 (8 pp). doi: 10.1088/1748-9326/6/4/044022. Hansen, J. E., & Lebedeff, S. (1987). Global trends of measured surface air temperature . Journal of Geophysical Research, 92(D11), 13345–13372. Bibcode 1987JGR....9213345H. doi:10.1029/

JD092iD11p13345. Hansen, J. R., et al. (2002). Global warming continues. Science, 295(5553), 275. doi:10.1126/ science.295.5553.275c. Hawking, S. (1996). The illustrated a brief history of time (Updated and expanded ed., p. 15). New York: Bantam Books. Hesketh, I. (2009). Of apes and ancestors: Evolution, Christianity, and the Oxford debate. Toronto:

University of Toronto Press. ISBN 978-0-8020-9284-7. Mayr, E. (1982). The growth of biological thought. Cambridge: Harvard University Press. ISBN 0-674-36446-5. Schick, T., & Lewis, V. (2002). How to think about weird things: Critical thinking for a new age.

Boston: McGraw-Hill Higher Education. ISBN 0-7674-2048-9. Schmidt, G. A., et al. (2006). Present day atmospheric simulations using GISS ModelE: Comparison to in-situ, satellite and reanalysis data. Journal of Climate, 19(2), 153–192. Bibcode 2006JCli… 19..153S. doi:10.1175/JCLI3612.1.

Parte II

Descripciรณn General de la Ciencia del Cambio Climรกtico

Capítulo 4

Presupuesto de Energía de la Tierra

Resumen El desequilibrio energético de la Tierra es la diferencia entre la cantidad de energía solar absorbida por la Tierra y la cantidad de energía que irradia al espacio en forma de calor. Si el desequilibrio es positivo, entra más energía que sale, podemos esperar que la Tierra se caliente. Si el desequilibrio es negativo, saldrá más energía de la que se recibe y la Tierra se enfriará. El desequilibrio energético de la Tierra es la medida más crucial del estado del clima de la Tierra y define las expectativas para el cambio climático futuro. El presupuesto de energía de la Tierra se explica en este capítulo y el hecho de que la Tierra retiene más de la radiación electromagnética que le incide desde el Sol que la que irradia al espacio. La constante solar y los aspectos de la radiación electromagnética solar y el espectro electromagnético se discuten e ilustran. Se hace una distinción entre tiempo y clima. Se completan los cálculos de la temperatura de la Tierra con y sin atmósfera. Las leyes de radiación de la Tierra están definidas. Se ilustra la radiación espectral saliente en la parte superior de la atmósfera de la Tierra y la absorción a frecuencias específicas por los gases de efecto invernadero.

Palabras claves Organización Meteorológica Mundial • Energía • Resplandor •Irradiancia • Aislamiento • Fotones • Electromagnéticos • Espectro • Kelvin •Calor • Constante solar • Planck • Viena • Nimbus 7 • Stefan-Boltzmann • TOA •Manchas solares • UV • IR • Cuerpo negro • Manchas solares Cosas que Debe Saber La siguiente es una lista de cosas que debe saber de este capítulo. Se pretende, como lo es en cada capítulo, servir como guía para los puntos de énfasis que el alumno debe tener en cuenta al leer el capítulo. Antes de terminar con este y todos los capítulos, las "Cosas que debe saber" deben entenderse y utilizarse para fines de revisión. La lista puede no incluir todos los términos y conceptos requeridos por el instructor para este tema.

G.T. Farmer and J. Cook, Climate Change Science: A Modern Synthesis: Volume 1 - The Physical Climate, DOI 10.1007/978-94-007-57578_4, © Springer Science+Business Media Dordrecht 2013

4 Presupuesto de Energía de la Tierra Cosas que debe saber La diferencia entre Tiempo y Clima TOA Fotones Radiación Electromagnética IR 7,000 Angstroms Cuerpo negro 6,000 Kelvin −19°C Insolación Luz visible Ciclos de manchas solares Ley Stefan-Boltzmann La ley del cuadrado inverso 93 Millón de millas Indicadores de calentamiento global

WMO ERM 6,000 Kelvin UV Espectro Electromagnético Energía térmica Velocidad de la luz Irradiancia 10−12 Metros Constante solar GSFC Ley de desplazamiento de Viena ERBS 1,368 W/m2 Nimbus 7 Ley de Planck

4.1 Introducción La ciencia del cambio climático es compleja e involucra muchas disciplinas. Uno necesita ser un experto en todos ellos, pero necesita al menos un conocimiento introductorio y una apreciación de todos ellos. Una visión general de la ciencia del cambio climático incluye cada uno de los siguientes: • Física de la atmósfera; • Química de la atmósfera; • Duración de los eventos climáticos; • La diferencia entre tiempo y clima; • Calentamiento de la atmósfera inferior (troposfera) y enfriamiento de la atmósfera superior (estratosfera); • Calentamiento del océano mundial; • Calentamiento de la tierra; • Derretimiento de hielo marino, permafrost y glaciares; • Concentraciones crecientes de gases de efecto invernadero en la atmósfera; • Los océanos se vuelven más ácidos (acidificación); • Interrupción de los patrones de tiempo de la Tierra; • Animales y plantas que migran a latitudes y altitudes más altas; • Aumento del nivel del mar; • Disminución de los suministros de agua para millones dependiendo del agua dulce de los glaciares; • Invasión de agua de mar en suministros de agua dulce a lo largo de las zonas costeras del mundo; • Mayores tasas de evaporación en tierra y mar; • Mayores tasas de extinción de especies;

4.3 Energía Solar y Calorífica

• Interrupción de los patrones naturales de las estaciones de cultivo agrícola; • Interrupción de la polinización de las plantas; • Mayor propagación de enfermedades tropicales y subtropicales; • Noches que se calientan más rápido que los días; • Aumento de la humedad; • La primavera llega antes y el otoño después; • Sensibilidad climática. Todos estos temas y más se abordan en las siguientes secciones y capítulos de este texto.

4.2 Tiempo y Clima ¡Todos saben que el clima siempre está cambiando! ¿Pero es? ¿O el tiempo siempre está cambiando? El clima en el sur de Florida puede describirse como tropical y ha sido tropical en el sur de Florida durante cientos, si no miles de años. ¿Cómo ha sido el tiempo en el sur de Florida durante los últimos 100 años? Uno puede generalizar y decir que los veranos suelen ser algo más cálidos que los inviernos, pero la temperatura se mantiene prácticamente igual durante todo el año. De vez en cuando hay un huracán para alterar el tiempo, pero no hay efectos climáticos duraderos por los huracanes. Ciertamente hay mucha destrucción, pero el clima pronto vuelve a la normalidad. Entonces, tal vez el clima no siempre está cambiando; Tal vez el tiempo que cambia todo el tiempo. El tiempo y el clima son ciertamente dos cosas diferentes. Según la Organización Meteorológica Mundial (OMM), el tiempo en un área se ha definido como el clima durante un largo período de tiempo, por lo general considerado como mínimo 30 años. El tiempo es lo que sucede hoy, mañana o predicho para la próxima semana o 10 días. El tiempo se ha definido como el estado de la atmósfera en un momento dado. El tiempo no es el clima y es necesario hacer esa distinción antes de considerar las tendencias del cambio climático. No podemos hablar en términos de tiempo global, pero podemos hablar en términos de clima global. Y el clima global se está volviendo más cálido en la mayor parte del mundo.

4.3 Energía Solar y Calorífica El calor es energía y la mayoría de la energía de la Tierra proviene del Sol. Parte de la energía solar se refleja directamente de regreso al espacio por la parte superior de la atmósfera de la Tierra (TOA), por nubes, por partículas sólidas en la atmósfera de la Tierra (aerosoles), por glaciares, por océanos y por la Tierra sólida misma. La energía solar sale del Sol como radiación electromagnética (EMR), viaja a través del espacio e incide sobre la Tierra.

4 Presupuesto de Energía de la Tierra EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

Longitud de onda (metros) Radio 103

Microonda

Infrarojo

10–2

10–5

108

1012

Visible

10–6

Ultravioleta 10–8

Rayo-X 10–10

Rayo Gamma 10–12

Frecuencia (Hz) 104

Fig.4.1 El espectro electromagnético (De uploads/2009/05/electromagnetic_spectrum.jpg)

1015

1016

1018

1020

http://www.scienceprog.com/wp-content/

EMR es una forma de energía emitida y absorbida por partículas cargadas, que exhibe un comportamiento ondulatorio a medida que viaja a través del espacio. El espectro electromagnético consiste en longitudes de onda de luz que varían desde longitudes de onda largas (baja energía) a longitudes de onda muy cortas (alta energía). La longitud de una ola se mide de cresta a cresta o de valle a canal (Fig. 4.1). La luz es un tipo de radiación y se comporta como ondas de luz y como partículas de luz (fotones). La luz visible es parte de la radiación que proviene del Sol, las bombillas, los incendios y otras formas de iluminación. El tamaño de las ondas de luz visible varía de 0.4 a 0.7 mm (4,000–7,000Å), mientras que un átomo tiene un tamaño de unos pocos angstroms. El espectro electromagnético y las diferentes longitudes de onda se muestran en la figura 4.1. Las ondas electromagnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas eléctricamente. Estas ondas también se llaman "radiación electromagnética" porque irradian de partículas cargadas eléctricamente. Viajan a través del espacio vacío, así como a través del aire y otras sustancias. La radiación electromagnética, además de actuar como ondas, también actúa como una corriente o paquete de partículas (fotones) que no tienen masa. Los fotones con la energía más alta corresponden a las longitudes de onda más cortas. La radiación electromagnética viaja a la velocidad de la luz, que se considera una constante universal y es del orden de 3 × 108 m /s o 300,000,000 m/s. La luz produce calor, como se puede dar fe de quién ha tocado alguna vez una bombilla incandescente después de haber emitido luz durante un período de tiempo prolongado. Las fuentes de luz más comunes son térmicas (calor); Un cuerpo a una temperatura dada emite un espectro característico de lo que en física se denomina radiación de cuerpo negro. Los ejemplos incluyen la luz solar (la radiación emitida por el Sol a alrededor de 6,000K). Alrededor del 40% de la luz solar es visible y es la principal fuente de calor de la Tierra.

4.4 Leyes de Radiación de la Tierra

Otras fuentes de calor provienen del interior de la Tierra y de las bombillas incandescentes y partículas sólidas brillantes en llamas. Un cuerpo negro es un objeto que absorbe toda la radiación incidente que lo golpea. A su vez, irradia calor dependiendo de la temperatura del objeto. El pico del espectro del cuerpo negro está en el infrarrojo para objetos relativamente fríos como los seres humanos. A medida que aumenta la temperatura, el pico cambia a longitudes de onda más cortas, produciendo primero un resplandor rojo, luego uno blanco, y finalmente un color azul a medida que el pico se mueve fuera de la parte visible del espectro hacia el ultravioleta. Estos colores se pueden ver cuando el metal se calienta a "rojo vivo" o "blanco caliente". La emisión térmica azul no se ve a menudo. Con el tiempo, la cantidad de radiación solar entrante (onda corta o ultravioleta) absorbida por la Tierra y la atmósfera se equilibra con la Tierra y la atmósfera liberando la misma cantidad de radiación de onda larga saliente (energía térmica o radiación infrarroja). Aproximadamente la mitad de la radiación solar entrante es absorbida por la superficie de la Tierra. Esta energía se transfiere a la atmósfera calentando el aire en contacto con la superficie, por evaporación y transpiración, y por radiación de onda larga absorbida por las nubes y los gases de efecto invernadero. Parte de esta energía de onda larga escapa al espacio. Los gases de efecto invernadero en la atmósfera irradian energía de onda larga de regreso a la Tierra y también al espacio. Ciertos gases en la atmósfera atrapan la radiación de onda larga y la vuelven a irradiar a la superficie de la Tierra. Esta reradiación de energía térmica es lo que permite que la temperatura cercana a la superficie de la Tierra sea aproximadamente 30 ° C más cálida de lo que sería sin los gases de efecto invernadero y estos gases han permitido que la vida en la Tierra se desarrolle con el tiempo y prospere. La Tierra sería un lugar muy incómodo a una temperatura global promedio de −15 a −19 °C.

4.4 Leyes de Radiación de la Tierra La gran mayoría de la energía que impulsa los sistemas terrestres es la radiación solar. La energía del Sol impulsa casi todos los ciclos físicos, químicos y biológicos conocidos en la superficie de la Tierra. Debajo de la superficie, la energía derivada del interior de la Tierra impulsa volcanes, fumarolas y géiseres, y conduce placas y hace que los continentes se desvíen, pero la mayor parte de la energía y sus resultados en y cerca de la superficie de la Tierra se irradian desde el Sol. Las propiedades promedio de la radiación electromagnética del Sol que interactúa con la materia se dan en un conjunto simple de reglas llamadas leyes de radiación. Estas leyes se aplican cuando el cuerpo radiante se denomina radiador de cuerpo negro (Fig. 4.4). Para determinar los efectos de la radiación solar en la Tierra, primero es necesario determinar la cantidad de radiación solar que llega a la atmósfera y la superficie de la Tierra. Hay tres términos que a menudo usan los científicos de la atmósfera y el cambio climático cuando se trata de la radiación solar que impacta la Tierra, de la siguiente manera: • Irradiancia – La cantidad de energía electromagnética incidente en una superficie por unidad de tiempo por unidad de área. En el pasado, esta cantidad a menudo se denominaba "flujo". Al medir la irradiancia solar (vía satélite), los científicos miden la cantidad de energía electromagnética incidente en una superficie perpendicular a la radiación entrante en la parte superior de la atmósfera de la Tierra, no la salida en la

4 Presupuesto de Energía de la Tierra

superficie solar. La irradiancia solar total (TSI) es la cantidad de energía solar radiactiva incidente en la atmósfera superior de la Tierra. • Constante Solar – La constante solar es la cantidad de energía recibida en la parte superior de la atmósfera de la Tierra en una superficie orientada perpendicular a los rayos del Sol (a la distancia media de la Tierra al Sol). La constante solar generalmente aceptada de 1,368 W / m2 es un promedio anual medido por satélite. • Insolación –En general, la radiación solar recibida en la superficie de la Tierra (In_Sol_Ación; de la radiación solar incidente). La velocidad a la que la radiación solar directa incide sobre la superficie horizontal de una unidad en cualquier punto de la superficie terrestre o por encima de ella.

El principal problema para determinar la temperatura de la superficie de la Tierra con cálculos hechos para la parte superior de la atmósfera (TOA) es que hasta el 70% de la radiación entrante puede ser bloqueada por gases en la atmósfera y por nubes. Los científicos generalmente estiman la cantidad de energía que realmente llega a la superficie y esta estimación se conecta a los modelos climáticos. También se debe suponer que la superficie que recibe la radiación es perpendicular a la radiación entrante. Este es un problema debido a la rotación de la Tierra, su inclinación axial (oblicuidad), la latitud y orientación de la superficie en relación con la radiación solar y la estación del año. Todos estos factores cambian el ángulo de la superficie que recibe la radiación, lo que cambia la intensidad de la energía recibida. Asumir que la emisión de radiación del Sol es constante también es un problema porque este valor fluctúa con los ciclos de actividad solar. El Sol recientemente (a partir de junio de 2012) salió de un largo período descrito como un mínimo solar que es un período de actividad solar reducida. Los satélites de la NASA han medido la radiación entrante desde 1978 y han registrado cambios en la irradiación solar (Fig. 4.2). Se puede acceder a estos datos en Internet desde el Goddard Space Flight Center (GSFC): http: // www.nasa.gov/centers/goddard/home/index.html. La energía del Sol llega a la Tierra como ondas electromagnéticas, o como un espectro electromagnético. Las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz y consisten en todo el rango de frecuencias y longitudes de onda a las cuales las ondas electromagnéticas pueden viajar desde el más pequeño (un átomo único) al más grande (infinito teórico). La energía emitida por el Sol es energía electromagnética. La cantidad de energía se puede expresar mediante las unidades de la Ley de Planck. La Ley de Planck describe la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro a temperatura absoluta T y escrita de la siguiente manera:

Eλ = a / [λ 5 {e ( b / λ T ) - 1}]

(4.1)

Donde Eλ = la cantidad de energía (Wm2 mm−1) emitida a la longitud de onda λ (mm) por un cuerpo a temperatura T (en unidades Kelvin) con a y b como constantes. La longitud de onda emitida por un objeto depende de la temperatura del objeto. Esta longitud de onda se puede calcular de acuerdo con la Ley de Viena cuando se conoce la temperatura del objeto. Esto también se conoce como la Ley de desplazamiento de Viena. La distribución de la longitud de onda de la radiación térmica de un cuerpo negro a cualquier temperatura tiene esencialmente la misma forma que la distribución a cualquier otra temperatura,

4.4 Leyes de Radiación de la Tierra

Ciclo 24 Predicción del número de manchas solares (enero de 2012)

Fig. 4.2 El ciclo de manchas solares de 1995 a 2020. La curva irregular traza los recuentos reales de manchas solares. Las curvas suaves se ajustan a los datos y las predicciones de una actividad futura de un pronosticador (Crédito: David Hathaway, NASA / MSFC; Fromhttp: //science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2009/01apr_ deepsolarminimum /; Dominio publico)

excepto que cada longitud de onda se desplaza en el gráfico. Esta es la razón por la que se llama la Ley de Desplazamiento de Viena. Al diferenciar la ecuación. 4.1 (Ley de Planck), es posible determinar la longitud de onda de la máxima emisión de radiación del Sol utilizando la Ley de Viena: λ máximo = 2897 / T λ maximum = la longitud de onda máxima de energía en micrómetros T = Temperatura del objeto que irradia energía. 2897 = Constante de la ley de desplazamiento de Viena Usando la Ley de Wien, la longitud de onda máxima de la radiación emitida por un objeto es inversamente proporcional a la temperatura de ese objeto. La salida de radiación de un objeto se puede calcular utilizando la Ley Stefan-Boltzmann cuando se conoce la temperatura. La Ley Stefan-Boltzmann establece que la energía total radiada por unidad de superficie de un cuerpo negro por unidad de tiempo es directamente proporcional a la cuarta potencia de la temperatura termodinámica T del cuerpo negro (también llamada temperatura absoluta). La Ley StefanBoltzmann está escrita de la siguiente manera: E = l𝜎T 4

4 Presupuesto de EnergĂa de la Tierra

E = Irradiancia superficial del objeto l = Emisividad del objeto. đ?&#x153;&#x17D;= Constante de Stefan-Boltzmann (5.67 Ă&#x2014; 10â&#x2C6;&#x2019;8 W/m2K4) T = Temperatura del objeto La ley del cuadrado inverso se usa para calcular la disminuciĂłn de la intensidad de la radiaciĂłn debido a un aumento en la distancia desde la fuente de radiaciĂłn. La Ley del cuadrado inverso se escribe de la siguiente manera: I = E (4 đ??&#x2026; x R 2 )/ (4 đ??&#x2026; x r2 ) I = Irradiancia en la superficie de la esfera exterior. E = IrradiaciĂłn en la superficie del objeto (el Sol) 4 đ??&#x2026; x R2 = Ă rea de superficie del objeto 4 đ??&#x2026; x r2 = Ă rea de superficie de la esfera exterior. Para poder calcular la constante solar se utiliza la siguiente ecuaciĂłn: So = E (Sol) x (R (Sol ) / r)2 So = Constante Solar E = Irradiancia superficial del sol R = 6.96 Ă&#x2014; 105 km = Radio del sol r = 1.5 Ă&#x2014; 108 km = Sol promedio - Distancia a la tierra La radiaciĂłn solar que llega a la superficie de la Tierra se puede encontrar con la siguiente ecuaciĂłn: I = S cos Z I = InsolaciĂłn S ~ 1,000 W/m2 (dĂa claro insolaciĂłn solar en una superficie perpendicular a la radiaciĂłn solar entrante. Esto varĂa mucho debido a las variables atmosfĂŠricas). Z = Ă ngulo Zenith (el ĂĄngulo Zenith es el ĂĄngulo desde el punto directamente sobre la cabeza hasta la posiciĂłn del Sol en el cielo. El ĂĄngulo depende de la latitud, el ĂĄngulo de declinaciĂłn solar y la hora del dĂa). Z = cos -1 (sin â&#x2C6;&#x2026; sin đ?&#x153;š + cos â&#x2C6;&#x2026; cos đ?&#x153;š cos H) â&#x2C6;&#x2026;= Latitud H = Ă ngulo de la hora = 15Â° Ă&#x2014; (Tiempo â&#x20AC;&#x201C; 12) (Ă ngulo de radiaciĂłn debido a la hora del dĂa. El tiempo se da en tiempo solar como la hora del dĂa desde la medianoche) đ?&#x153;š = Ă ngulo de declinaciĂłn solar Se pueden encontrar declinaciones solares para cada hemisferio en los sitios web de la NASA, como los siguientes para el hemisferio norte: http://edmall.gsfc.nasa.gov/ inv99Project.Site/Pages/science-briefs/ed-stickler/edirradiance. html

4.4 Leyes de RadiaciĂłn de la Tierra

AdemĂĄs de hacer cĂĄlculos para la irradiaciĂłn solar basados en conceptos fĂsicos, el pĂşblico puede acceder y analizar los datos de irradiaciĂłn solar que se recopilan mediante satĂŠlites en Ăłrbita y piranĂłmetros terrestres (un piranĂłmetro es un instrumento para medir la radiaciĂłn solar). Los datos de irradiancia satelital estĂĄn disponibles desde 1978 hasta el presente en Internet. Los siguientes satĂŠlites de la NASA han recopilado los datos de irradiancia: â&#x20AC;˘ Nimbus 7 (Presupuesto de radiaciĂłn de la Tierra) 1978â&#x20AC;&#x201C;1993; â&#x20AC;˘ MisiĂłn MĂĄxima Solar: Monitor de IrradiaciĂłn del RadiĂłmetro de Cavidad Activa I (ACRIM I) 1980â&#x20AC;&#x201C;1989; â&#x20AC;˘ Mediciones del monitor solar del satĂŠlite de presupuesto de radiaciĂłn terrestre (ERBS) 1984â&#x20AC;&#x201C;1996; â&#x20AC;˘ Mediciones ACRIM II del satĂŠlite de investigaciĂłn de la atmĂłsfera superior (UARS) 1991â&#x20AC;&#x201C;1997 Los datos y mĂĄs informaciĂłn relacionada con estos satĂŠlites y otros estĂĄn disponibles al pĂşblico a travĂŠs del Centro de Archivo de Datos del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA: http://daac.gsfc.nasa.gov/. Los datos y mĂĄs informaciĂłn relacionada con estos satĂŠlites y otros estĂĄn disponibles al pĂşblico a travĂŠs del Centro de Archivo de Datos del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA: http://daac.gsfc.nasa.gov/. Paso 1 - Suponga que la Tierra no tiene atmĂłsfera. Calcule la temperatura media global de la superficie.

Para calcular la temperatura superficial promedio de la Tierra, puede usar la Ley Stefan-Boltzmann para un cuerpo negro. E=đ?&#x153;&#x17D;T4 donde la constante Stefan-Boltzman, đ?&#x153;&#x17D; = 5.67 *10-8 Watts m2 K *

En esta ecuaciĂłn, E es la tasa de irradiancia solar incidente, que se puede considerar que es de aproximadamente 1,368 W por metro cuadrado (como un promedio medido por satĂŠlites).

4 Presupuesto de Energía de la Tierra

Resolviendo para la temperatura:

1/ 4

æEö

=ç

T=ç

ö1/ 4

1,360Watts m

ès ø

° ÷ = 254.5 K = -19 C

ç 5.67 *10 Watts ÷ K è ø m * Paso 2: a continuación, agregue la atmósfera. Vuelva a calcular la temperatura media global de la superficie. Para este cálculo, la atmósfera puede considerarse como una capa delgada con una absorción de 0.1 para la radiación solar y 0.8 para la radiación infrarroja. Sea x igual a la irradiancia de la superficie de la tierra yy la irradiancia (tanto hacia arriba como hacia abajo) de la atmósfera. E es la irradiancia que ingresa al sistema tierra-atmósfera desde el espacio promediado sobre el globo (E = 342 W/m2) (constant solar =1,368/4=342 W/m2). En la superficie de la Tierra, un balance de radiación requiere que: -8

Atmósfera

Superficie

Hacer un balance de radiación para la superficie y la atmósfera, por ejemplo, la energía en la superficie es igual a la energía que sale de la superficie y la energía a la atmósfera es igual a la energía que sale de la atmósfera le da las siguientes ecuaciones, respectivamente: 0.9E + y = x E + x = 0.9E + 2 y + 0.2x Resolver estas ecuaciones simultáneamente revela que x = 377 W/m2 y; y = 163 W/m2. Nuevamente, al usar la Ley Stefen-Boltzman, ahora puede calcular la temperatura de la superficie de la tierra.

1/ 4 æEö

T=ç

èsø

1/ 4

æxö

ç ÷ èsø

æ ç

=ç

ç 5.67 è

ö1/ 4

163 Watts *10-8

÷ = 286 K = 13 °C

Watts ÷ m *K ø 2

4.5 Desequilibrio Energético de la Tierra

You can see thetemperatura average surface temperature of the earth Se puede verthat quewith con an unaatmosphere, atmósfera, la promedio de la superficie de is actually 13°C. Taking it one additional step, you can calculate the in la tierra es en realidad de 13 °C. Dando un paso adicional, puede calcular increase el aumento absorptivity that would be needed to increase the global average surface temperade la capacidad de absorción que se necesitaría para aumentar la temperatura media ture byde1°C. Using theen equations above,las you can see that the increase only global la superficie 1 °C. Usando ecuaciones anteriores, puedewould ver que el need to be about 0.02. aumento solo necesitaría ser de aproximadamente 0.02. No matter how you decide to describe it, through hands on experiments and No importaorcómo decida través change de experimentos prácticos measurements, through the describirlo, calculations, aclimate is happening and the yglobal mediciones, o mediante los cálculos, el cambio climático está ocurriendo climate is very sensitive to change. The sooner we all accept it, the sooner yweelcan clima muy sensible al cambio. Cuantoand antes start global workinges together to both reduce our emissions adaptlotoaceptemos, the changes that arepodremos already happening. antes comenzar a trabajar juntos para reducir nuestras emisiones The problem above adapted Wallace and Hobbs, 1977 as it was y adaptarnos a presented los cambios queis ya estánfrom ocurriendo. stated by Scott McNally, in Scientific American, Februaryde16, 2012 (used with El problema presentado anteriormente está adaptado Wallace y Hobbs, permission).

1977, como lo afirmó Scott McNally, en Scientiﬁc American, 16 de febrero de 2012 (usado con permiso).

4.5 Desequilibrio Energético de la Tierra Si la Tierra emitiera la misma cantidad de energía que estaba recibiendo, estaría en equilibrio o equilibrio energético. Pero hay más energía entrando al sistema de la Tierra que la que sale, por lo que el sistema lo compensa calentando. Tiene que calentarse debido al desequilibrio energético. Antes de la Revolución Industrial, la concentración atmosférica de dióxido de carbono había sido estable durante cientos de años y la temperatura de la Tierra había tenido fluctuaciones normales debido al equilibrio de la energía recibida con la energía emitida por la Tierra. El Sol es en última instancia responsable de prácticamente toda la energía que llega a la superficie de la Tierra. La luz solar directa, medida por satélite, en la parte superior de la atmósfera proporciona 1.368 W / m2; sin embargo, gran parte de la luz solar se refleja desde la parte superior de la atmósfera, de modo que la luz que se absorbe en cualquier ubicación típica es un promedio anual de ~ 342 W /m2. Si este fuera el calor total recibido en la superficie, entonces, descuidando los cambios en el albedo (reflectividad de la Tierra), se esperaría que la superficie de la Tierra tuviera una temperatura promedio de -19 ° C. En cambio, la atmósfera de la Tierra recicla el calor proveniente de la superficie y entrega 324 W /m2 adicionales, lo que resulta en una temperatura promedio de la superficie de aproximadamente más 15 ° C. Este es el efecto invernadero que mantiene la superficie de la Tierra habitable para los organismos vivos. La energía solar total está determinada por la temperatura de la superficie visible del Sol, o fotosfera, que es de aproximadamente 6,000 ° K (Kelvin). Al igual que el Sol, la Tierra emite una cantidad de energía determinada por la temperatura de la atmósfera inferior de la Tierra, la troposfera, que es de aproximadamente 255°K (o aproximadamente -18 °C). Pero esto a su vez está determinado por la necesidad de la Tierra de equilibrar la energía solar entrante que absorbe, emitiendo una cantidad igual de energía de vuelta al espacio, para mantenerse en equilibrio. La troposfera no solo se irradia hacia el espacio, sino que también se irradia hacia abajo a la superficie, y esa "retro-radiación" de la atmósfera se suma a la fracción de energía solar que penetra en la superficie, para calentar la superficie a aproximadamente 288 ° K ( o aproximadamente + 15 ° C). La figura a continuación muestra cómo se logra el equilibrio energético de la Tierra para

4 Presupuesto de Energía de la Tierra

Radiación solar reflejada 107 Wm-2 Reflejado por nubes, gases atmosféricos y aerosoles

Radiación solar entrante 342 Wm-2

Emitido por la atmósfera Emitido por las nubes Absorbido por la atmósfera

Radiación de onda larga saliente 235 Wm-2 Ventana atmosférica Gases invernadero

Calor latente Reflejado por la superficie

Absorbido por la superficie

Radiación hacia atrás Térmicas Evapotranspiración

Radiación superficial Absorbido por la superficie

Fig. 4.3 Estimación del balance energético promedio anual y global de la Tierra (del IPCC AR4 2007)

un metro cuadrado típico en la parte superior de la atmósfera (TOA) y cómo depende de la constante solar de aproximadamente 1,368 W / m2 dividido por 4 (porque la sección transversal de la Tierra que absorbe la energía solar es 1/4 de su área de superficie emisora) así como el albedo de la atmósfera terrestre, que es la fracción de energía solar reflejada por una combinación de la tierra, el hielo y especialmente las nubes que componen el sistema de la atmósfera terrestre. (1,368 W / m2 dividido por 4 es igual a 342 W / m2). La radiación solar entrante es de 342 W / m2 en la parte superior de la atmósfera (TOA) y si la Tierra estuviera en equilibrio energético, también sería saliente 342 W / m2. La mayoría de la radiación solar entrante es radiación ultravioleta de onda corta. La radiación saliente es radiación infrarroja de onda larga. En la Fig. 4.3 anterior, 324 W/m2 son reflejados de regreso a la Tierra por gases de efecto invernadero y absorbidos por la superficie de la Tierra y 235 W / m 2 son emitidos nuevamente al espacio exterior (Fig. 4.3). Aunque la Tierra y el Sol se comportan aproximadamente como cuerpos negros, este no es el caso de los gases que forman la atmósfera de la Tierra. Ciertos gases atmosféricos absorben la radiación en algunas longitudes de onda, pero permiten que pase la radiación en otras longitudes de onda. Los cuerpos negros son objetos que absorben toda la radiación electromagnética que incide sobre ellos e irradian cantidades dependiendo de su temperatura. La absorción de energía por un gas particular ocurre cuando la frecuencia de la radiación electromagnética es similar a la frecuencia de vibración molecular del gas en cuestión. La atmósfera es principalmente transparente en la parte visible del espectro, pero se produce una absorción significativa de radiación ultravioleta (radiación solar de onda corta entrante) por ozono y absorción de radiación infrarroja (radiación terrestre saliente de onda larga) por vapor de agua, dióxido de carbono y otros gases traza. La absorción de la radiación infrarroja terrestre es particularmente importante para el presupuesto energético de la atmósfera de la Tierra. Tal absorción por los gases traza se calienta

4.5 Desequilibrio Energético de la Tierra

la atmósfera, estimulándola para que emita más radiación de onda larga. Algo de esto se libera al espacio, mientras que el resto se vuelve a irradiar a la Tierra. El efecto neto de esto es que la Tierra almacena más energía cerca de su superficie de lo que lo haría si no hubiera atmósfera, en consecuencia, la temperatura es más alta en aproximadamente 33 K (+ 15 °C). Este proceso se conoce popularmente como el efecto invernadero como se definió anteriormente en este texto. El vidrio en un invernadero es transparente a la radiación solar, pero opaco a la radiación infrarroja terrestre. El vidrio actúa como algunos de los gases atmosféricos y absorbe la energía saliente. Gran parte de esta energía se vuelve a emitir nuevamente al invernadero, lo que hace que la temperatura interior aumente. En realidad, un invernadero es más cálido que su entorno, principalmente por el refugio que ofrece y no por consideraciones radiactivas. Sin embargo, el término se ha quedado en gran parte como resultado de los informes de los medios y la analogía es útil. En consecuencia, los gases en la atmósfera que absorben la radiación infrarroja saliente se conocen como gases de efecto invernadero e incluyen dióxido de carbono, vapor de agua, óxido nitroso, metano y ozono. Todos los gases de efecto invernadero tienen moléculas cuya frecuencia vibratoria se encuentra en la parte infrarroja del espectro. A pesar de la considerable absorción de estos gases de efecto invernadero, existe una ventana atmosférica a través de la cual puede pasar la radiación infrarroja terrestre. Esto ocurre a aproximadamente 8–13 mm, y su cierre gradual es uno de los efectos de las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero. A medida que esta ventana se cierre, la temperatura de la Tierra aumentará aún más rápidamente de lo que está aumentando en la actualidad. La energía que llega a la parte superior de la atmósfera inicia una cascada de energía que implica numerosas transformaciones de energía. Al ingresar a la atmósfera, parte de la radiación de onda corta solar es absorbida por los gases de la atmósfera (p. Ej., Dióxido de carbono, vapor de agua), parte se dispersa, parte es absorbida por la superficie de la Tierra y parte se refleja directamente en el espacio por cualquiera de las nubes o la superficie misma. La cantidad de radiación de onda corta reflejada depende de un factor conocido como el albedo (o reflectividad). El albedo varía según la superficie. El hielo y ciertas nubes tienen un albedo alto (0.6, o 60% a 0.9, o 90%) mientras que los océanos generalmente tienen un albedo bajo (0.1, o 10%). Para toda la Tierra, esto promedia aproximadamente 0,30, lo que significa que se refleja el 30% de la radiación solar entrante. De la radiación terrestre de onda larga reemitida desde la superficie de la Tierra, la mayoría es reabsorbida por los gases de efecto invernadero y solo un pequeño escape directamente a través de la ventana atmosférica. La radiación de onda larga reemitida por la atmósfera (gases de efecto invernadero, nubes) se devuelve a la superficie de la Tierra o se libera al espacio. El resultado neto de este efecto invernadero es aumentar la cantidad de energía almacenada cerca de la superficie de la Tierra, con el consiguiente aumento de la temperatura. También hay flujos de calor adicionales asociados con la evaporación y la espiración que equilibran los flujos de energía dentro y fuera de todas las partes del sistema Tierra-atmósfera. Un cuerpo negro es un objeto que absorbe toda la radiación que cae sobre él y no refleja ninguno, pero emitirá radiación a medida que se calienta. A medida que el cuerpo negro se calienta, emitirá radiación de acuerdo con la Ley de Plank. Toda la radiación emitida por un cuerpo negro se debe a su temperatura; cuanto mayor sea la temperatura, más radiación se emitirá.

4 Presupuesto de Energía de la Tierra

Emisión de cuerpo negro

Flujo

Flujo espectral en la parte superior de la atmósfera

Número de onda

Fig. 4.4 Radiancia espectral saliente en la parte superior de la atmósfera de la Tierra que muestra la absorción a frecuencias específicas y el principal absorbedor. A modo de comparación, la curva roja muestra el flujo de un "cuerpo negro" clásico a 294 ° K (»31 °C» 69.5 °F) (NASA / GISS, dominio público)

La figura anterior (Fig. 4.4) muestra dos curvas, una de un cuerpo negro clásico y la otra mirando hacia la atmósfera desde el espacio exterior. La curva roja es la radiación de un cuerpo negro a Ts = 294 K. La curva negra es el flujo espectral en la parte superior de la atmósfera. La gran reducción en el flujo está en las longitudes de onda absorbidas por el dióxido de carbono (CO2). La radiación solar se emite de manera uniforme en todas las direcciones. Después de viajar 93 millones de millas, solo una pequeña fracción de la energía emitida por el Sol hacia la Tierra es interceptada por la Tierra. Por lo tanto, el flujo de energía que llega a la parte superior de la atmósfera de la Tierra es mucho más pequeño que el que sale del Sol. Las últimas mediciones satelitales indican un valor de 1,368 W / m2 para la energía recibida en la parte superior de la atmósfera en una superficie perpendicular al haz solar. Esto se conoce como la constante solar, que es un nombre inapropiado ya que la "constante solar" varía con la cantidad de energía producida por el Sol y esto varía con el tiempo. Se ha encontrado que varía en un ciclo de manchas solares de 11 años, pero esto también es variable.

Lecturas Adicionales Archer, D. (2005). Fate of fossil fuel CO2 in geologic time. Journal of Geophysical Research, 110, C09S05. doi:10.1029/2004JC002625. Beerling, D. (2009). Methane and the CH4-related greenhouse effect over the past 400 million years. American Journal of Science, 309, 97–113.

Additional Readings

Beltrami, H. (2002). Continental heat gain in the global climate system. Geophysical Research Letters, 29, 1167. doi:10.1029/2001GL014310. Hansen, J., Rossow, W., & Fung, I. (Eds.). (1993): Long-term monitoring of global climate forcings and feedbacks (NASA Conf. Publ. 3234). New York: Goddard Institute for Space Studies. Hansen, J., et al. (2011). Earth’s energy imbalance and implications. Atmospheric Chemistry and Physics, 11, 13421–13449. doi:10.5194/acp-11-13421-2011. Hansen, J., et al. (2012). Perceptions of climate change: The new climate dice [WWW document], URL http://www.columbia.edu/~jeh1/mailings/2012/20120105_PerceptionsAndDice.pdf Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). (2007). In: S. Solomon, D. Qin, M. Manning,

Z. Chen, M. Marquis, K. B. Averyt, M. Tignor, & H. L. Miller (Eds.), Climate change 2007: The physical science basis. New York: Cambridge University Press, 996 pp. Mishchenko, M. I., et al. (2007). Accurate monitoring of terrestrial aerosols and total solar irradiance: Introducing the Glory mission. Bulletin of the American Meteorological Society, 88, 677– 691. doi:10.1175/BAMS-88-5-677.

Capítulo 5

Tendencias del Cambio Climático

Resumen El calentamiento global comenzó cuando los humanos comenzaron a alterar la química de la atmósfera por las prácticas agrícolas hace unos 10.000 años y fue exacerbada por el comienzo de la Revolución Industrial debido al aumento de la quema de carbón como una fuente barata de energía. Como resultado de estos factores, y la producción en masa del motor de combustión interna, los gases de efecto invernadero se han acumulado en la atmósfera durante los últimos 10,000 años. Hay ciertas tendencias observables que están y han tenido lugar, especialmente durante la segunda mitad del siglo XX y hasta el siglo XXI. Entre estos se encuentran el aumento de las temperaturas sobre la tierra y el mar, el retroceso de los glaciares y el aumento del nivel del mar. Otras tendencias del cambio climático se enumeran y se analizan en mayor detalle en este capítulo. Las diferentes escalas de temperatura utilizadas en la ciencia del clima son Celsius, Fahrenheit y Kelvin. Se explican las características de los gráficos de temperatura y se dan ejemplos. Se describe e ilustra una estación meteorológica típica. Se discuten las fuentes de datos de temperatura, así como los posibles problemas con los datos. El estudio BEST, sus razones y sus resultados se explican al igual que los clatratos de metano y las perturbaciones y atribuciones del cambio climático. Palabras Claves •Celsius • El Niño • Centigrado •Piranómetro • GISS • ENSO • BEST •NCDC • Cambio climático • Tendencias • Kelvin • Fahrenheit • Cero Absoluto • UAH •RSS • Extinciones • Calentamiento Troposférico • Enfriamiento Estratosférico • Perturbations •NOAA •Rocketsondes • Hielo Ártico • Proxies • Calenytamiento Ártico • SSTs •Permafrost •Estación meteorológica •Metano • Clatratos • Radiosondas • Atribuciones •Forzamientos • Feedbacks • Temperatura

G.T. Farmer and J. Cook, Climate Change Science: A Modern Synthesis: Volume 1 - The Physical Climate, DOI 10.1007/978-94-007-57578_5, © Springer Science+Business Media Dordrecht 2013

Tendencias del Cambio Climático

Cosas que Debe Saber La siguiente es una lista de cosas que debe saber de este capítulo. Se pretende, como lo es en cada capítulo, servir como guía para los puntos de énfasis que el alumno debe tener en cuenta al leer el capítulo. Antes de terminar con este y todos los capítulos, las "Cosas que Debe Saber" deben entenderse y utilizarse para fines de revisión. La lista puede no incluir todos los términos y conceptos requeridos por el instructor para este tema. Cosas que Debe Saber Tendencias del Cambio Climático Atribución Forzamientos El Niño Retroalimentaciones Hielo Ártico Cero Absoluto Temperaturas de la Superficie del Mar Radiosondas Clatratos de Metano Estación Meteorológica Terrestre Proxy

Escalas de Temperatura BEST Calentamiento Troposférico NCDC Kelvin Perturbaciones Climáticas Enfriamiento Estratosférico NOAA Extinciones de Animales y Plantas RSS Permafrost Piranómetro

5.1 Tendencias del Cambio Climático ¿Cómo sabemos que el clima está cambiando y que la Tierra se está calentando? La lista de razones dada a continuación muestra algunas de las razones principales que conocemos, pero hay otras que se discutirán más adelante en este texto. Los indicadores más obvios de que la Tierra se está calentando son los siguientes: 1. Aumento de la humedad en la atmósfera; 2. Aumento de la evaporación del océano y el agua dulce y la humedad de los suelos; 3. Frecuencia e intensidad crecientes de tormentas y patrones meteorológicos inusuales; 4. Fusión de glaciares; 5. Derretir el permafrost y liberar metano a la atmósfera; 6. Disminución de la capa de nieve en invierno; 7. La temperatura aumenta sobre tierra y mar; 8. Aumentos de temperatura en pozos de sondeo; 9. Incremento en el contenido de calor del océano; 10. Aumento de la temperatura del aire en la atmósfera inferior (troposfera); 11. Temperatura creciente de la corteza superior de la Tierra sólida; 12. Enfriamiento de la estratosfera; 13. Plantas y animales que se desplazan a latitudes y altitudes más altas; 14. Aumento del nivel del mar; 15. Las capas de hielo, los glaciares y el hielo marino se derriten;

5.2 Aumento de las Temperaturas

16. 17. 18. 19. 20.

La primavera llega más temprano y el otoño más tarde en el año; Acidificación del océano; las aguas oceánicas se están volviendo más ácidas; Las noches se calientan más rápidamente que los días; Brotes de plagas a principios de cada año; Aumento de la extinción de especies animales y vegetales.

5.2 Aumento de las Temperaturas ¿Están aumentando las temperaturas en toda la Tierra? Y si es así, ¿cómo lo sabemos? ¿Qué tan rápido suben las temperaturas, si suben, y por qué? Los registros de temperatura nos dicen que algunos lugares en la Tierra se están calentando mientras que otros se están enfriando, dependiendo de la estación del año y los factores locales. Pero, ¿cómo sabemos que la Tierra en su conjunto se está calentando, enfriando o permaneciendo igual? ¿Cómo llegamos a una temperatura promedio global para la Tierra? Si pudiéramos calcular una temperatura global anual durante una serie de años, podríamos ver si la Tierra se calienta, se enfría o permanece igual durante un cierto período de tiempo, y esto ha sido realizado por científicos del Instituto Goddard de Estudios Espaciales de la NASA (GISS) así como por otros.

Para obtener la temperatura promedio anual de la Tierra, parece que todo lo que los científicos tendrían que hacer es agregar todas las lecturas de temperatura de la Tierra y dividirlas por el número de lecturas. Ese procedimiento daría un número a los científicos, pero no sería un número exacto o significativo. Algunas de las razones por las que ese número no sería exacto son las siguientes:  La mayoría de las lecturas serían del hemisferio norte porque la mayor parte de la tierra y las personas con termómetros están en el hemisferio norte, por lo que el promedio no sería un promedio mundial;  Algunas de las lecturas serían de diferentes estaciones del año y una temporada puede estar representada por más lecturas que otra temporada;  Algunas de las lecturas serían de la noche, otras del día y podría haber más de una que la otra;  Algunas lecturas serían de antiguas estaciones meteorológicas ubicadas cerca de respiraderos o rodeadas de asfalto o edificios de la ciudad (el efecto de isla de calor) y esto aumentaría la temperatura promedio;  Las lecturas de temperatura de una estación pueden estar reportando más lecturas de temperatura que otras estaciones.

Afortunadamente, un método para calcular la temperatura promedio global de la Tierra fue ideado por científicos del Instituto Goddard de Estudios Espaciales (GISS) de la NASA en la década de 1970 que se describirá más adelante en este texto después de que primero veamos diferentes formas de medir la temperatura; y las diferentes escalas de temperatura que se utilizan internacionalmente para registrar y referirse a temperaturas. Un artículo reciente (2011) publicado en Environmental Research Letters extrajo la señal de calentamiento global causada por el hombre a partir de los datos de temperatura de la superficie global y temperatura de la atmósfera inferior (troposfera). Para lograr esto,

100

Tendencias del Cambio Climático

los autores filtraron los efectos de la actividad solar, la Oscilación del Sur de El Niño (ENSO) y la actividad volcánica a partir de los datos. El resultado de este estudio confirmó la tendencia al calentamiento presentada por los trabajadores anteriores.

5.2.1 Escalas de Temperatura Para poder medir e informar las lecturas de temperatura de manera significativa, se han diseñado escalas de temperatura universal. Las escalas más utilizadas son Fahrenheit (°F) y Celsius (°C), pero hay otras escalas de temperatura que se utilizan para diferentes propósitos. La escala Kelvin (K) también se usa en ciencias del clima, pero Celsius (lo mismo que Centígrado) se usa con mayor frecuencia como se puede ver en la mayoría de los gráficos presentes en este texto. Las siguientes ilustraciones (Fig. 5.1 y Tabla 5.1) comparan las tres escalas de temperatura más utilizadas en la ciencia del cambio climático. Algunas temperaturas de referencia en las tres escalas de temperatura más utilizadas se muestran a continuación en la figura 5.1. Las siguientes ecuaciones permiten la conversión entre las escalas de temperatura Celsius y Fahrenheit: Temperatura Celsius (Tc ) = 0.55 (Tf - 32) Temperatura Fahrenheit (Tf ) = 1.8Tc + 32 Un programa de conversión de grados Celsius a Fahrenheit y viceversa se puede encontrar en el siguiente sitio web: http://www.wbuf.noaa.gov/tempfc.htm. Al ingresar la temperatura en grados Celsius o Fahrenheit, la temperatura equivalente en la otra escala se muestra automáticamente. La escala Kelvin no tiene grados, sino que simplemente se divide en unidades Kelvin (1 unidad K equivale a 1 grado Celsius o Centígrado). El punto más bajo en la escala Kelvin es el cero absoluto, el punto en el que la materia se vuelve estacionaria (las partículas subatómicas se congelan). El cero absoluto Kelvin es equivalente a −273°C. Por lo tanto, 0°C es 273 K. Cada grado en la escala Celsius es +273 K. Por lo tanto, 10°C es 283 K. La escala Kelvin se indica sin grados y se informa con solo un número. No hay números negativos en la escala Kelvin y nada se ha reducido en temperatura a cero K.

5.2.2 Temperaturas Mostradas por los Gráficos Las temperaturas que se muestran al representar las temperaturas globales anuales contra el tiempo se muestran en la figura Fig. 1.1 en la Introducción. De esta manera, es posible mostrar las tendencias de temperatura a través del tiempo y determinar visualmente que la Tierra se está calentando, enfriando o permaneciendo igual.

5.2 Aumento de las Temperaturas

101 Fahrenheit

Punto de ebullición del agua

Punto de congelación del agua

Cero Absoluto

Celsius

Kelvin

212°F

100°C

373K

32°F

0°C

273K

–460°F

–273°C

Fig. 5.1 Escalas de temperatura Celsius, Fahrenheit y Kelvin. La escala Celsius también se llama escala de temperatura centígrada, y es la escala basada en 0 para el punto de congelación del agua y 100 para el punto de ebullición del agua. Inventado en 1742 por el astrónomo sueco Anders Celsius, a veces se le llama escala centígrada debido al intervalo de 100 grados entre los puntos definidos. La siguiente fórmula se puede usar para convertir una temperatura de su representación en la escala Fahrenheit (F) al valor Celsius (C): C = 5/9 (F - 32). La escala Celsius se usa en general donde se aceptan unidades métricas, y se usa en el trabajo científico en todas partes (Redibujada del sitio web cfbt-us.com con permiso de Ed Hartin)

Tabla 5.1 Escalas de uso común cuando se habla de temperatura, Fahrenheit, Kelvin y Celsius Escalas de temperatura de uso común Temperatura Símbolo Punto de ebullición del agua Punto de fusión del hielo Cero absoluto

Kelvin K 373.15 273.15 0.

Grado Celsius °C 100 0 −273.15

Grado Fahrenheit °F 212 32 −459.67

Las temperaturas en los gráficos que se muestran en este texto se dan en grados Celsius (°C) a menos que se indique lo contrario. También se dan como anomalías de temperatura que son temperaturas en comparación con una temperatura global promedio durante un intervalo de tiempo establecido (como el promedio global de las temperaturas durante el período 1951-1980 en la figura 1.1). Al usar este método para referirse a la temperatura, se puede ver fácilmente que la temperatura de la Tierra se está calentando, enfriando o permaneciendo igual durante una unidad de tiempo dada. Veamos qué se puede deducir de la figura 1.1. Hay dos ejes en el gráfico: el eje x a lo largo de la parte inferior que da el número de años desde 1880 hasta 2000 y más allá. El eje vertical o y se indica como la anomalía de temperatura y se da en °C. La posición 0o en el eje y representa la temperatura promedio del período

102

Tendencias del Cambio Climático

Fig. 5.2 Las estaciones meteorológicas (puntos rojos) están dispersas de manera desigual en todo el mundo. Son especialmente escasos en África y en los océanos. Antes de que los científicos pudieran confiar en los registros de temperatura global, debían demostrar que las observaciones ampliamente espaciadas capturaban con precisión las tendencias de temperatura global (mapa de la NASA de Robert Simmon, basado en datos del Centro Nacional de Datos Climáticos, Dominio Público)

1951-1980, como se indica en el título, y todas las temperaturas en el gráfico se trazan con referencia al punto 0o, ya sea positivo (arriba) o negativo (abajo) 0o. Hay una serie de cuadrados negros a lo largo del eje x conectados por una delgada línea negra e identificados en el gráfico como la media anual. Hay una línea roja que biseca la línea negra identificada como la media de 5 años y, como se esperaba, las dos líneas son más o menos paralelas. Como se puede ver en el gráfico (Fig. 1.1), hubo un ligero enfriamiento que comenzó alrededor de 1880 hasta 1890, luego un ligero calentamiento seguido de un enfriamiento hasta alrededor de 1910, luego un calentamiento gradual y bastante consistente hasta aproximadamente 1940, luego un ligero enfriamiento durante la década de 1970, y luego un calentamiento casi constante hasta la actualidad (más allá de 2000; el último número en el eje x). Los cuadrados negros en la Fig. 1.1 son medias anuales y la línea roja es una media continua de 5 años. Tenga en cuenta las barras verticales verdes que representan la incertidumbre; su longitud indica el grado de incertidumbre. Las barras verdes se acortan a medida que la gráfica de temperatura se acerca al presente reflejando una mayor confianza en las mediciones de temperatura a medida que mejora la instrumentación y el control de calidad. El método para calcular una temperatura promedio global se diseñó originalmente con el entendimiento de que la muestra de lecturas de temperatura estaba muy sesgada hacia el hemisferio norte. Las estimaciones absolutas de la temperatura media global de la superficie son difíciles de compilar por varias razones. Algunas regiones tienen pocas estaciones de medición de temperatura, como el desierto del Sahara y la Antártida, y la interpolación debe hacerse en regiones grandes y con escasez de datos. La distribución de las estaciones meteorológicas sobre la superficie de la Tierra está representada por la ilustración de arriba (Fig. 5.2). Al declarar las temperaturas como anomalías y como un índice de temperatura, se evita la confusión con los datos de temperatura sin procesar. Los escépticos no están de acuerdo con el método de la metodología de temperatura promedio.

5.2

Aumento de las Temperaturas

103

relativeto1979to1990

Anomalía global (°C) con a 1990 respecto a 1979Globalanomaly(°C)

Estratósfera Inferior 2

MSU 4

UKMO 4

SSU15X

–2

Agung

El Chichon

Pinatubo

1980 Año

1990

–4 1960

1970

2000

Fig. 5.3 Tendencia de temperatura de la troposfera inferior y la estratosfera inferior de la unidad de sondeo de microondas (MSU) 1979-2010 (°C / década) y 12 meses consecutivos de series de tiempo de temperatura global media con respecto a 1979-1998 (de Wikipedia, Giorgiogp2, licencia de documentación libre de GNU)

A menudo, el desacuerdo se debe a la simple negación de la tendencia al calentamiento que es evidente en las parcelas del registro de temperatura. A veces también se debe a la falta de comprensión de cómo se utilizan los datos para obtener una temperatura promedio anual.

5.2.3 Aumento de la Temperatura de la Tierra y el Mar Las temperaturas de la tierra se derivan principalmente de las estaciones meteorológicas ubicadas en todo el mundo en tierra. Las áreas con las mayores poblaciones tienen la mayor cantidad de estaciones meteorológicas y como la mayoría de las áreas terrestres y poblacionales del mundo se encuentran en el hemisferio norte, la mayoría de las estaciones meteorológicas también se encuentran en el hemisferio norte. Los registros muestran que tanto la tierra como el mar se están calentando.

5.2.4 Calentamiento Troposférico y Enfriamiento Estratosférico Las temperaturas troposféricas y estratosféricas son fundamentales para el problema del calentamiento de los invernaderos porque los Modelos de Circulación General (GCM) predicen que los cambios de temperatura con mayores concentraciones de gases de efecto invernadero tendrán un perfil característico en estas capas, con un calentamiento en el medio y bajo tropoesfera y enfriamiento en gran parte de la estratosfera. Las temperaturas estratosféricas más frías serían una consecuencia esperada del aumento de la captura de radiación terrestre en la troposfera.

La ilustración de arriba (Fig. 5.3) muestra el enfriamiento de la estratosfera inferior durante la última parte del siglo XX, medido directamente por satélites y globos meteorológicos.

104

5 Tendencias del Cambio Climático

Si la estratosfera se está enfriando, el Sol no podría estar causando el calentamiento global de la Tierra. Si fuera el Sol, la atmósfera se estaría calentando y la estratosfera también se estaría calentando. Es más difícil medir la temperatura en la estratosfera que en la troposfera, donde en esta última hay una red de estaciones de medición. Existen mediciones de temperatura estratosférica. Se han fabricado con globos meteorológicos, sondas de radio, unidades de sondeo de microondas (MSU), sondas de cohetes (un instrumento llevado por un cohete), LIDAR (detección y alcance de luz) y satélites (Fig. 5.3).

5.3 Fuentes de Incertidumbre con los Datos de Temperatura A pesar de todos los intentos de formalizar, convertir, asimilar, analizar y reducir los datos de temperatura, los problemas siempre se mantendrán, y es importante tenerlos en cuenta como se analiza en las siguientes secciones. La incertidumbre es parte de la ciencia y un buen científico siempre se muestra escéptico hasta que se verifiquen los experimentos y las pruebas; y este es ciertamente el caso con los datos de temperatura. Sin embargo, existen problemas inherentes a la recopilación de datos de sistemas naturales para cualquier propósito. Estos problemas pueden deberse a uno o todos los siguientes factores para cualquier conjunto de datos naturales:  Componentes faltantes o errores en los datos;  "Ruido" en los datos asociados con observaciones sesgadas o incompletas;  Error de muestreo aleatorio y sesgos (no representatividad) en una muestra. Existen métodos estadísticos y de otro tipo para tratar la mayor parte de la incertidumbre. La clave para entender el cambio climático global es entender primero qué El clima es y cómo funciona. Es un sistema complejo que involucra muchas variables en el tiempo (temporal) y el espacio (espacial) y existen fuentes adicionales de incertidumbre de la siguiente manera:

   

Conceptos y terminología definidos de manera ambigua; Unidades espaciales o temporales inapropiadas; Inapropiación o falta de confianza en los supuestos subyacentes; Incertidumbre debido a las proyecciones del comportamiento humano (p. Ej., Patrones de consumo futuros o cambio tecnológico), que es distinto de la incertidumbre debida a fuentes "naturales" (p. Ej., Sensibilidad climática, caos).

El sistema climático global es el resultado de vínculos e interacciones entre la atmósfera, los océanos, los glaciares, los organismos vivos, la historia de la Tierra y la Tierra sólida. Solo considerando el sistema climático en estas relaciones es posible comprender los ciclos de energía en la atmósfera, una comprensión que se requiere para investigar las causas (y los efectos) del cambio climático. Debido a la convergencia de elementos individuales que componen el sistema climático, es apropiado dividir un tratamiento del sistema en secciones separadas; cada sección trata con un componente diferente. Esto comenzará con la atmósfera y su presupuesto de energía o ciclo energético, cuyo equilibrio finalmente controla el clima global. Después de esto, los otros componentes del sistema climático

5.5 Medida de laTemperatura

105

(se introducirán los océanos e hidrosfera, criosfera, biosfera y geosfera), mostrando cómo cada uno influye en el presupuesto energético de la Tierra y el clima global.

5.4 Construcción Climática a Partir de Datos Instrumentales Para comprender el clima y obtener una idea de cómo está cambiando y qué puede estar causando los cambios, es necesario recopilar los datos más precisos disponibles. Las siguientes secciones tratarán los métodos y analizarán la precisión y los problemas con estos datos. Los elementos básicos del clima son la temperatura, la lluvia, la humedad y el viento durante décadas, siglos, miles y millones de años. Existen instrumentos para medir estos elementos climáticos en la actualidad. El termómetro se usa hoy para medir la temperatura y se desarrolló en el siglo XVII. Sin embargo, para medir el clima en el pasado antes de que se elaboraran los instrumentos, deben usarse proxies (sustitutos). Los poderes son formas indirectas o sustitutos utilizados para medir elementos climáticos antes del desarrollo de la instrumentación.

5.5 Medida de Temperatura La temperatura global se determina mediante la reducción de datos después de que se hayan reunido millones de puntos de datos de temperatura. Esta es una tarea monumental que solo es posible debido al aumento de la capacidad informática y la dedicación de miles de personas en todo el mundo. Para los registros de temperatura antes del advenimiento del termómetro en el siglo XVII, los datos de temperatura deben adquirirse utilizando proxies. Algunos de los proxys utilizados para la temperatura en el pasado distante son geoquímicos, como las proporciones de oxígeno y carbono que se analizarán más adelante en el texto. Otros proxies se derivan de elementos como anillos de árboles, estalactitas y otros depósitos de cuevas, núcleos de hielo, núcleos de sedimentos de lagos y océanos, conchas de criaturas marinas y perforaciones en la tierra sólida. Las temperaturas árticas en la década de 1990 alcanzaron su nivel más cálido de cualquier década en al menos 2.000 años, indica una investigación publicada el 4 de septiembre de 2009 en Science. El estudio, que incorpora registros geológicos y simulaciones por computadora, proporciona nueva evidencia de que el Ártico se estaría enfriando si no fuera por las emisiones de gases de efecto invernadero que están dominando los patrones climáticos naturales. La similitud de características entre las diferentes reconstrucciones paleoclimáticas (proxy) proporciona confianza en las siguientes conclusiones importantes:  El dramático calentamiento global ha ocurrido desde el siglo XIX.  El registro reciente de temperaturas cálidas en los últimos 15 años es el más cálido en la Tierra en al menos los últimos 1,000 años, y posiblemente en los últimos 2,000 años o más atrás en la historia de la Tierra.  Los indicadores de temperatura (sustitutos) son quizás la mejor evidencia para reconstruir la historia pasada del clima del planeta.

Los proxies climáticos se discuten más a fondo en el capítulo sobre paleoclimates.

106

Tendencias del Cambio Climático

5.5.1 Temperatura Global de Estaciones Meteorológicas El gráfico de temperatura que figura en la figura 1.1 es un gráfico de lecturas tomadas de estaciones meteorológicas de todo el mundo desde 1880 hasta 2010. Estas son de estaciones ubicadas en tierra y mar e indican el calentamiento de la atmósfera justo por encima de la superficie de la Tierra. Una estación meteorológica terrestre típica consta de lo siguiente:       

Un medidor de viento o veleta; Una grabadora Sunshine; Un piranómetro (un instrumento para medir la insolación); Un medidor de nieve; Un pluviómetro Un anemómetro (un instrumento que mide la velocidad del viento); Un registrador de temperatura protegido por una cubierta o refugio.

Las temperaturas globales de la tierra son reportadas por una variedad de agencias. Aquellos en los Estados Unidos, y utilizados en todo el mundo, son reportados por el Centro Nacional de Datos Climáticos (NCDC) de EE. UU., Una parte de la Administración Nacional Oceanográfica y Atmosférica (NOAA) y el Instituto Goddard de Estudios Espaciales (GISS) de la NASA. Estos informes se basan en la Red Global del Clima Histórico (datos de GHCN versión 3). La Red Global de Climatología Histórica (GHCN) es una base de datos ampliamente utilizada por los científicos del clima para registros de temperatura, precipitación y presión administrados por el NCDC, la Universidad Estatal de Arizona y el Centro de Análisis de Información sobre el Dióxido de Carbono. Otros centros de informes son el Centro Hadley del Reino Unido y la Unidad de Investigación del Clima de la Universidad de East Anglia. La mayoría de los registros de tierras utilizados para calcular los promedios globales provienen de estaciones meteorológicas, pero algunos provienen de perforaciones perforadas en la Tierra. Estos últimos solo tienen una resolución de siglo, en el mejor de los casos. La temperatura de la superficie terrestre global fue la más alta registrada en marzo de 2011, 3.3 ° F por encima de la media del siglo XX de 40.8 ° F, para una temperatura promedio global de 44.1 °F en marzo de 2011. Las temperaturas superiores a 8 °F por encima del promedio cubrieron mucho del continente asiático. Dos meses después de la mayor extensión de la capa de nieve de enero registrada en el continente euroasiático, las temperaturas inusualmente cálidas condujeron a un rápido deshielo, y la extensión de la capa de nieve de marzo de 2011 en el continente euroasiático fue la más baja registrada.

5.6 Estudio de la Temperatura de la Superficie de la Tierra de Berkeley (BEST) El estudio Berkeley Earth Surface Temperature (BEST) se propuso desarrollar un nuevo método para obtener una temperatura promedio de la superficie terrestre y compararlo con los estudios existentes realizados por agencias gubernamentales de EE. UU. Y el Reino Unido. El estudio fue dirigido por un físico de la Universidad de California (Berkeley) que fue descrito como un escéptico sobre el cambio climático / calentamiento global antes del estudio. El estudio BEST utilizó más de 39,000 estaciones únicas que son más de cinco veces las 7.280 estaciones encontradas en el conjunto de datos mensuales de la Red Global de Climatología Histórica (GHCN-M). Algunos de los resultados finales del estudio se muestran en la figura 5.4.

5.7 Temperaturas de la Tierra desde los Pozos

107

Temperatura media de la superficie terrestre por década

0.5

Anomalía de Tempera (°C) tura

Anomalía de temperatura (°C)

–0.5 NOAA CRUTEM Berkeley

–1

–1.5 1800

1850

1900

1950

2000

Fig. 5.4 Resultados del mejor estudio. Los registros de temperatura construidos por NASA / GISS, NOAA, HadCRU y UC Berkeley, este último realizado por un equipo de investigadores de la Universidad de California en Berkeley, ha investigado 1.600 millones de registros meteorológicos. Los datos provienen de 5 veces más estaciones que en los estudios anteriores. Los investigadores encuentran exactamente los mismos resultados cuantitativos para el aumento de la temperatura global. El gráfico anterior muestra la temperatura promedio de la superficie terrestre de la década usando un promedio móvil de 10 años de las temperaturas de la superficie sobre la tierra. Las anomalías son relativas a la media de enero de 1950 a diciembre de 1979. La banda gris indica un intervalo de incertidumbre estadística y espacial del 95% (Basado en datos de http://www.berkeleyearth.org/analysis)

El Estudio de la Temperatura de la Superficie de la Tierra de Berkeley ha creado un conjunto preliminar de datos combinados al combinar 1,6 mil millones de informes de temperatura de 15 archivos de datos preexistentes.

El estudio BEST abordó las preocupaciones científicas planteadas por los escépticos y los negadores, incluido el efecto de isla de calor urbana, la mala calidad de la estación y el riesgo de sesgo de selección de datos. El grupo BEST concluyó que la tendencia al calentamiento es real, que en los últimos 50 años la superficie terrestre se ha calentado 0,911 °C, y sus resultados reflejan los obtenidos de estudios anteriores realizados por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) de EE. UU. El Centro Hadley del Reino Unido, el Análisis de Temperatura de Superficie GISS de la NASA y la Unidad de Investigación Climática (CRU) de la Universidad de East Anglia en el Reino Unido. El estudio BEST también encontró que el efecto de isla de calor urbano y la mala calidad de la estación no influyeron en los resultados obtenidos de estos estudios anteriores.

5.7 Temperaturas de la Tierra desde los Pozos A global temperature reconstruction using temperatures measured from boreholes was begun and has been maintained by the Geothermal Laboratory at the University of Michigan (also maintained at the NCDC). In the UM study, underground temperature measurements were examined from a database of over 350 boreholes in eastern North America, Central Europe, Southern Africa and Australia (There are 116 sites in eastern North America, 98 in central Europe, 86 in southern Africa, and 58 in Australia).

Tendencias del Cambio Climático

∆T (°C) Relativa al día presente

108

Año Fig. 5.5 La temperatura de la superficie compuesta cambió en los últimos cinco siglos, en relación con el presente, según lo determinado por los datos geotérmicos. Las áreas sombreadas representan ±1 error estándar sobre la historia media. Se superpone un registro instrumental SAT saturado (promedio de 5 años) (10) que representa un compuesto de las mismas regiones que los datos geotérmicos. Debido a que la serie SAT se refiere a la anomalía media durante el intervalo de 1961 a 1990 y debido a que el resultado geotérmico se refiere al presente, hemos desplazado la serie SAT hacia abajo en 0.2 °C para permitir una comparación visual de las tendencias por una superposición directa (Modificado de Pollard 2005; http: //www.ncdc.noaa. gov / paleo / paleo.html, Public Domain)

Usando este enfoque, los científicos descubrieron que el siglo XX fue el más cálido de los últimos cinco siglos, confirmando así los resultados de los estudios de temperatura superficial. Los métodos geofísicos utilizados para generar reconstrucciones de la temperatura del pozo no permiten una resolución anual o decenal, sino solo la tendencia de las temperaturas a escala de un siglo en los últimos siglos. Sin embargo, este registro, totalmente independiente de los datos y métodos utilizados en otros estudios, muestra que la Tierra se ha estado calentando dramáticamente por algún tiempo. Una historia de temperatura compuesta para 358 sitios de perforación obtenida por científicos de la Universidad de Michigan de todo el mundo indica que la temperatura media actual de estos sitios es aproximadamente 1.0 ° C más cálida, en promedio, que hace cinco siglos. El cambio de temperatura solo en el siglo XX ha sido de aproximadamente 0.5° e iguala el cambio acumulativo que se infiere en los cuatro siglos anteriores. La temperatura del siglo XX parece ser más cálida que la temperatura media de cualquiera de los cuatro siglos anteriores. El registro meteorológico compuesto de los sitios, donde esté disponible, muestra tendencias similares en el intervalo de tiempo de superposición (Fig. 5.5). Puede encontrar más información sobre las temperaturas de la tierra de los pozos en el siguiente sitio web: http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/paleo.html.

5.8 Aumento de la Temperatura del Mar El agua de mar responde más lentamente a los cambios de temperatura que el aire o la tierra, y el Océano Mundial es el mayor reservorio de calor del planeta. El calentamiento global causado por las actividades humanas que emiten dióxido de carbono que atrapa el calor ha elevado la temperatura promedio del aire en aproximadamente 1 ° F durante el siglo pasado.

5.8 Aumento de la Temperatura del Mar

109

°C

–2Temperatura de la superficie del mar45

Fig. 5.6 Distribución de la temperatura de la superficie del mar en todo el mundo (de http: // earthobservatory. Nasa.gov/GlobalMaps/view.php?d1=MYD28M, Public Domain)

En los océanos, este cambio solo ha sido de aproximadamente 0.18°F. Este calentamiento se ha producido desde la superficie hasta una profundidad de unos 2.300 pies (700 m), donde existe la mayor parte de la vida marina. The ocean has an important role in climate variability and change. The oceanÕs heat capacity is about 1,000 times larger than that of the atmosphere, and the oceans net heat uptake since 1960 is around 20 times greater than that of the atmosphere. This large amount of heat, which has been mainly stored in the upper layers of the ocean, plays a crucial role in climate change, in particular variations on seasonal to decadal time scales. As the ocean warms it also causes sea level to rise due to thermal expansion and if ocean waters continue to warm there are severe consequences for the worldÕs food chain.

5.8.1 Distribución Relativa de las Temperaturas de la Superficie del Mar (SSTs) La distribución relativa actual de las temperaturas de la superficie del mar se muestra en la figura 5.6. Las temperaturas de la superficie del mar en todo el mundo tienen una gran influencia en el clima y los patrones climáticos. Por ejemplo, cada 3-7 años, una amplia franja del Océano Pacífico a lo largo del ecuador se calienta en 2-3 °C. Este calentamiento es un sello distintivo del patrón climático de El Niño, que cambia los patrones de lluvia en todo el mundo, provocando fuertes lluvias en el sureste de los Estados Unidos y severas sequías en Australia, Indonesia y el sur de Asia. En menor escala, las temperaturas oceánicas influyen en el desarrollo de ciclones tropicales (huracanes y tifones), que extraen energía de las cálidas aguas del océano para formar e intensificar. Existe una relación directa entre la fuerza de El Niño y el número de tormentas e intensidades de tormenta. El mapa de temperatura de la superficie del mar que se muestra en la Fig. 5.6 se basa en observaciones realizadas por el espectroradiómetro de imágenes de resolución moderada (MODIS) en el satélite Aqua de la NASA. El satélite mide la temperatura del milímetro superior de la superficie del océano. En este mapa, las aguas más frías aparecen en azul (aproximadamente −2 ° C o

110

Tendencias del Cambio Climático

28.4 °F), y las temperaturas más cálidas aparecen en rosa-amarillo (45 °C o 113 °F). Las masas de tierra y la gran área de hielo marino alrededor de la Antártida aparecen en tonos de gris, lo que indica que no se recopilaron datos. El patrón más obvio que se muestra en una serie temporal (que se puede descargar del sitio web de la NASA para obtener información del Observatorio de la Tierra en http: // earthobservatory. Nasa.gov/GlobalMaps/view.php?d1=MYD 28M), es el año- Diferencia redonda en las temperaturas de la superficie del mar entre las regiones ecuatoriales y los polos. Varias corrientes cálidas y frías se destacan incluso en promedios mensuales de temperatura de la superficie del mar. Una banda de aguas cálidas fluye por la costa este de los Estados Unidos y luego cruza el Atlántico Norte, la conocida Corriente del Golfo. Aunque los eventos climáticos de corta duración que influyen en la temperatura del océano a menudo se ocultan en promedios mensuales, algunos eventos aparecen. Por ejemplo, en diciembre de 2003, fuertes vientos soplaron hacia el sudoeste desde el Golfo de México sobre América Central hacia el Océano Pacífico, alejando las cálidas aguas superficiales de la costa y permitiendo que el agua fría de las profundidades del océano subiera a la superficie. Estos vientos son un fenómeno recurrente en el área en invierno; son conocidos como vientos de Tehuano.

5.8.2 Contenido de Calor del Océano Aproximadamente el 93.4% de la acumulación de calor de la Tierra se ha destinado al Océano Mundial. ¿Cómo gana calor el océano? A los científicos climáticos y oceanógrafos les gusta pensar que el océano tiene una "piel" que está entre los primeros milímetros y unos pocos metros del océano. La "piel" se calienta con la luz solar y el calor comienza a descender hacia aguas más profundas del océano. Por lo tanto, como lo establece la Segunda Ley de la Termodinámica, a medida que la luz solar continúa calentando la superficie del océano, el calor se mueve hacia la atmósfera si esta última está más fría, hacia el agua más profunda del océano, que también está más fría, y el océano la dispersa en todas las direcciones de corrientes. Se ha documentado que las aguas más cálidas en el Océano Austral (alrededor de la Antártida) están derritiendo el hielo glacial de la costa oeste de la Antártida. Las cálidas aguas del Océano Austral están derritiendo el hielo de las plataformas de hielo antárticas occidentales. A medida que estas plataformas de hielo se derriten, el hielo adicional se mueve desde el continente para reemplazarlas como plataformas de hielo y esto conduce a un aumento adicional del nivel del mar. La siguiente ilustración (Fig. 5.7) muestra el aumento del contenido de calor en los primeros 700 m de aguas oceánicas desde la década de 1950 hasta 2009. Es en los primeros 700 m del Océano Mundial donde existe la mayor parte de la vida oceánica. Hay pocas dudas de dónde está ocurriendo la mayor parte de la acumulación de calor de la Tierra; Está ocurriendo en el Océano Mundial.

5.9 Hielo Derretido La mayoría del hielo se encuentra en la naturaleza como glaciares, capas de hielo, hielo marino, permafrost y en el fondo del océano en clatratos de metano. También se encuentra en lagos y arroyos durante las partes más frías del año en latitudes medias y elevaciones más altas,

5.9

111

Contenido global de calor oceánico (0 a 700 metros) 10

Promedio de 3 meses

Promedio anual 5

de calor (1022Joules) del contenido Anomalía julios) He Content Anomaly (1 22

–5

–10 1960

1970

1980

1990

2000

2010

Fig. 5.7 Contenido global de calor oceánico (de http://www.nodc.noaa.gov/OC5/3M_HEAT_ CONTENT /; actualizado de Levitus et al. 2009, Public Domain)

como icebergs en el océano, y como plataformas de hielo y casquetes polares. La mayor parte de este hielo se está derritiendo, algunos más rápidamente que otros. El hielo puede incluso expandirse debido a las condiciones locales en algunos lugares y en diferentes épocas del año, pero la tendencia decreciente del hielo en la Tierra es evidente. Se ha debatido sobre los glaciares en las montañas del Himalaya desde que se descubrió un error en las miles de páginas del informe AR4 del IPCC de 2007. El informe indicó que los glaciares del Himalaya estaban desapareciendo a un ritmo más rápido de lo que realmente estaba sucediendo. Este error fue corregido por el IPCC, pero algunos críticos no han renunciado a sus ataques al informe de 2007. Los glaciares del Himalaya están retrocediendo en sus alcances más bajos, pero algunos pueden estar ganando hielo en las elevaciones más altas. Aquellos en las elevaciones más altas tomarán mucho más calor para retroceder ya que las temperaturas en las elevaciones más altas son más bajas y la mayoría de las precipitaciones caen en forma de nieve. El informe IPC AR4 2007 constaba de cuatro secciones principales con numerosos informes complementarios. Estas secciones son las siguientes:  Contribución del Grupo de trabajo I (WGI): Cambio climático 2007: La base de la ciencia física.  Contribución del Grupo de trabajo II (GTII): Cambio climático 2007: Impactos, adaptación y vulnerabilidad.  Contribución del Grupo de trabajo III (WGIII): Cambio climático 2007: Mitigación del cambio climático.  Contribución de los Grupos de Trabajo I, II y III: El Informe de Síntesis (SYR).

El informe IPCC AR4 2007, Cambio climático 2007: La base de la ciencia física, evaluó el conocimiento científico actual de “los impulsores naturales y humanos del cambio climático”

112

Tendencias del Cambio Climático

Anomalía del volumen de hielo en relación con 1979-2011 [1 000 km3]

Anomalía y tendencia del volumen del hielo marino ártico de PIOMAS

Tendencia de anomalía: -3.0 ±1.0 [1000km3/Decada] Último día: 2012-05-30 Versión: IC-SST 2.0

Fig. 5.8 Anomalía del volumen de hielo marino del Ártico del Sistema de Modelación y Asimilación del Océano Hielo Panártico (PIOMAS) actualizado una vez al mes. Las anomalías diarias del volumen del hielo marino para cada día se calculan en relación con el promedio de 1979-2010 para ese día del año. La tendencia para el período 1979-presente se muestra en azul. Las áreas sombreadas muestran una y dos desviaciones estándar de la tendencia. Las barras de error indican la incertidumbre de la anomalía mensual trazada una vez al año (del Polar Science Center, http://psc.apl.washington.edu/wordpress/, consultado el 28/12/2011; trabajo respaldado por fondos públicos de EE. UU., Dominio público)

así como los cambios observados en el clima. Analizó la capacidad de la ciencia para atribuir cambios a diferentes causas e hizo proyecciones del cambio climático futuro.

La base de Ciencias Físicas fue producida por 676 autores (152 autores principales, 26 editores de revisión y 498 autores contribuyentes) de 40 países, y luego revisados por más de 625 revisores expertos. Se citaron más de 6,000 publicaciones revisadas por pares. Es sorprendente que solo se hayan encontrado dos errores. Antes de ser aprobado, el resumen fue revisado línea por línea por representantes de 113 gobiernos durante la décima sesión de WGI, en enero a febrero de 2007. Se puede encontrar más discusión sobre los informes a lo largo de este texto. La ilustración de arriba (Fig. 5.8) muestra la disminución en el volumen de hielo marino del Ártico desde 1979 hasta el 30-11-2011. El hielo ártico ha experimentado una disminución constante en extensión, mientras que el hielo marino antártico aparentemente ha aumentado. ¿Significa esto que la Antártida se está enfriando formando así hielo marino nuevo? No necesariamente, porque el hielo marino es agua congelada y su extensión puede ser engañosa. Es posible tener calentamiento global y hielo marino en expansión si el volumen

5.9 Hielo derretido

113

de hielo en todo el mundo está disminuyendo. La extensión no está necesariamente relacionada con el volumen. Es posible que se esté formando hielo nuevo en la superficie del océano mientras que el hielo viejo se está reduciendo en volumen, como está sucediendo tanto en el Ártico como en la Antártida. Las comparaciones del espesor del hielo marino ártico con el tiempo se dan en un estudio bastante reciente. Este estudio examinó los registros de espesor de hielo marino de los submarinos y las observaciones de ICESat (satélite de hielo, nubes y elevación de la NASA) desde 1958 hasta 2008 (altímetro láser ICESat). Examinando 42 años de registros submarinos (1958-2000) y 5 años de registros ICESat (2003-2008), los científicos determinaron que el espesor medio del hielo marino del Ártico disminuyó de 3.64 m en 1980 a 1.89 m en 2008, una disminución de 1.75 m. Otro estudio reciente (febrero de 2012) muestra que el hielo marino más antiguo y grueso del Ártico está desapareciendo a un ritmo más rápido que el hielo más joven y delgado en los bordes de la capa de hielo. La rápida desaparición del hielo más viejo hace que la capa de hielo marino del Océano Ártico sea más vulnerable a un mayor declive. El hielo más grueso de "varios años" sobrevive durante dos o más veranos, mientras que el hielo joven y estacional se forma durante el invierno y generalmente se derrite tan rápido como se formó. Los científicos también describen una tercera categoría; El hielo "perenne" es toda la capa de hielo que ha sobrevivido al menos un verano. Todo el hielo multianual es hielo perenne, pero no todo el hielo perenne es hielo multianual.

5.9.1 Permafrost, Metano y Clatratos Grandes áreas de latitudes más altas y altitudes altas han congelado permanentemente el suelo o el permafrost. En tales áreas, las pocas pulgadas superiores de permafrost se derriten durante las estaciones más cálidas del año y la capa resultante se denomina zona activa. La zona activa causa problemas con los edificios, carreteras y otras estructuras hechas por el hombre en regiones de permafrost. El permafrost atrapa una gran cantidad de metano (CH 4) en los suelos congelados. El metano se forma como producto de la actividad bacteriana y se libera al descongelarse. Recientemente se han producido liberaciones de metano y hay informes de testigos oculares de áreas de heladas permanentes del mundo, especialmente en la vertiente norte de Alaska y en la costa de Siberia, de metano que burbujea a través del agua de mar y lagos. El Océano Ártico está respaldado por grandes depósitos de metano en forma de clatratos de metona (Fig. 5.9). Como el Ártico se está calentando más rápido que el resto del mundo, es solo cuestión de tiempo antes de que este metano se libere a la atmósfera. La mayoría del metano se acumuló en lo que ahora es agua oceánica poco profunda durante el último máximo glacial (LGM) hace unos 18,000 años durante la baja altura del nivel del mar. A medida que estas capas masivas de hielo retrocedieron, el nivel del mar subió y estas áreas se han convertido en los mares poco profundos del mundo que bordean los continentes hoy (ver Fig. 5.9). Antes de que las zonas costeras del mundo se ahogaran completamente por el aumento del nivel del mar durante el derretimiento de la última glaciación continental, eran marismas salinas o de marea en las que las bacterias anaerobias (libres de oxígeno) descomponían los hidrocarburos complejos en metano. En condiciones secas hay mucho oxígeno atmosférico, por lo que se prefieren las bacterias aeróbicas que producen dióxido de carbono (CO2).

114

Tendencias del Cambio Climático

Cantidad similar de metano generado aquí como del resto del océano mundial

Plataforma ártica de Siberia oriental (2 millones de kilómetros cuadrados)

Metano estallando en la atmósfera Agua (-0.5°C a -1.8°C) Permafrost (-0.5°C a 17°C) (perforado debido a las temperaturas cálidas en ambos lados) Tiendas de metano Litosfera con manto caliente

Fig. 5.9 Clatratos de metano en el océano ártico poco profundo (National Science Foundation, Public Domain, de (http://www.theresilientearth.com/?q=content/arctic-armageddon-or-methane-madness)

Pero en áreas húmedas como pantanos, humedales y en partes del océano, no hay suficiente oxígeno, por lo que las bacterias anaerobias descomponen los hidrocarburos complejos en metano. Parte de este metano queda atrapado y parte llega a la atmósfera, donde se descompone gradualmente en vapor de CO2 y agua (H2O) en una serie de reacciones químicas.

5.9.2 Clatratos de Metano Los clatratos son un tipo de estructura compuesta que consiste en una jaula de moléculas que pueden atrapar gases, como el metano, en forma sólida (Fig. 5.10). Para el metano, la jaula más importante es aquella que está hecha de moléculas de agua, por lo que a veces se la describe erróneamente como un hidrato. Algunos datos clave sobre los clatratos los hacen particularmente interesantes para los climatólogos y los científicos del cambio climático. Primero, pueden constituir una porción significativa de las reservas totales de carbono fósil. Las mejores estimaciones actuales sugieren que quizás 500-2,000 gigatoneladas (1 gigatonne = 1 billón de toneladas) de carbono pueden almacenarse como clatratos de metano (5-20% de las reservas totales estimadas). Algunas estimaciones son tan altas como 10,000 gigatoneladas. Ocurren principalmente en la plataforma continental donde el agua es relativamente fría; Hay suficiente presión y suficiente material orgánico para mantener activas las bacterias productoras de metano. Lo que es más importante, los clatratos pueden ser explosivamente inestables si la temperatura aumenta o la presión disminuye, lo que puede suceder en función del cambio climático (calentamiento),

5.10 Aumento del Nivel del Mar

115

Fig. 5.10 Un modelo de un clatrato de metano que muestra la jaula de moléculas de H2O que atrapan una molécula de metano (De http: //peggy.unimki. Gwdg.de/docs/kuhs/ clathrate_hydrates.html; No se proporcionó información de origen en el sitio web. Permiso otorgado por el Dr. Werner Kuhs del cual se toma la figura)

levantamiento tectónico o deslizamientos de tierra submarinos. La liberación de metano de los clatratos ya ha comenzado en aguas poco profundas del Ártico, donde se ha visto que el metano emite burbujas de lagos y áreas de la plataforma continental poco profundas y cerca de áreas perturbadas del Golfo de México, como en el caso de la explosión del pozo petrolero BP en 2010. Existe un peligro inminente de que se libere metano adicional de las aguas poco profundas del Ártico en el futuro cercano, ya que las plataformas de perforación de petróleo y gas natural están en progreso hacia el Ártico, ya que esto se está escribiendo en junio de 2012. Hay predicciones de nuevas reservas significativas. cantidad que se encuentra en las costas del norte de Alaska, Canadá y Siberia y la posibilidad real de desastres ambientales a medida que se abren nuevos campos en esta área prístina y frágil alrededor del Polo Norte.

5.10 Aumento del Nivel del Mar El nivel del mar ha aumentado en la mayor parte del mundo desde al menos 1870. Sin embargo, este aumento en el nivel del mar no se debe a los mismos factores en todos los lugares. En algunas áreas, la tierra se está hundiendo, lo que parece acentuar el aumento del nivel del mar. En otras áreas, la tierra está aumentando, lo que parece disminuir el aumento del nivel del mar. La siguiente ilustración (Fig. 5.11) muestra el aumento medio global del nivel del mar tanto en los mareógrafos como en las mediciones de altímetro satelital. El nivel global del mar en realidad se redujo durante 2011 debido a un fenómeno inusualmente fuerte de El Niño que aumentó la precipitación sobre la tierra y provocó grandes inundaciones en varias partes del mundo (especialmente en Australia y Pakistán). Se eliminó tanta agua del océano mundial debido al fuerte fenómeno de El Niño que se redujo el nivel del mar en todo el mundo. Sin embargo, como se puede ver en la figura 5.11, el nivel del mar ha comenzado a subir nuevamente.

116

5 Tendencias del Cambio Climático 60 50 40

TOPEX Jason–1

Jason–2 60–día de alisado

MSL (mm)

Barómetro inverso aplicado, GIA corregido

30 20 10 0

Velocidad = 3.2  0.4 mm/año Señales estacionales eliminadas

–10 Universidad de Colorado 2011_rel4

–20 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012

Fig. 5.11 Nivel medio del mar global (GMSL) desde 1992 hasta 2011 (De http: //sealevel.colorado. Edu /; Este trabajo fue financiado por la NASA bajo una investigación científica OSTM / Jason. Dominio público)

5.11 Migración de Plantas y Animales Las plantas y los animales están migrando a latitudes y altitudes más altas. Un estudio reciente (2011) reportado en la revista Science, que examinó aproximadamente 2,000 especies, encontró que las plantas y los animales se están moviendo 15 pies por día o aproximadamente una milla por año lejos del ecuador a un ritmo mucho más rápido que en décadas anteriores. Las especies migraron más rápidamente de las zonas más afectadas por el cambio climático. Las distribuciones de especies se han desplazado recientemente a elevaciones más altas a una tasa media de 11.0 m por década, y a latitudes más altas a una tasa media de 16.9 km por década. A medida que la Tierra continúa calentándose, los animales y las plantas continúan migrando. A los biólogos les preocupa que algunas especies no puedan migrar lo suficientemente rápido y, por supuesto, algunas no pueden migrar físicamente, y especies enteras eventualmente se extinguirán a medida que el aumento de las temperaturas exceda sus límites de tolerancia.

5.12 Extinciones de Especies Los seres humanos actualmente están causando la mayor extinción masiva de especies desde la extinción de los dinosaurios hace 65 millones de años. Si las tendencias actuales continúan, se ha estimado que hasta la mitad de todas las especies que viven actualmente en la Tierra se extinguirán en menos de 100 años como resultado de la destrucción del hábitat, la contaminación, las especies invasoras y

5.13 Efectos en la Salud Humana del Aumento de las Temperaturas

117

cambio climático. Las extinciones ya han comenzado. Las especies de vertebrados disminuyeron en casi un tercio entre 1970 y 2006, los hábitats naturales están en declive, la diversidad genética de los cultivos está disminuyendo y 60 razas de ganado se han extinguido desde 2000. En 2010, las Naciones Unidas informaron que la biodiversidad en la Tierra estaba en problemas; esa especie se estaba extinguiendo a un ritmo nunca antes visto en la historia humana. Muchas de estas extinciones, incluidas las plantas y los animales, se producen en el Océano Mundial, incluidos muchos organismos que son partes integrales de la cadena alimentaria.

5.13 Efectos en la Salud Humana del Aumento de las Temperaturas El calentamiento global ya está teniendo efectos nocivos en la salud humana. El cambio climático plantea una grave amenaza para la salud humana. La Organización Mundial de la Salud (OMS) estima que desde 2000 un millón de personas han sido asesinadas directa o indirectamente debido al calentamiento de nuestro planeta. Esto no incluye la muerte por contaminación del aire, que mata a 800,000 personas cada año y se espera que empeore con el calentamiento global. A medida que aumenta la temperatura de la Tierra, las estaciones cambian, especialmente en las latitudes medias; La primavera llega más temprano y el otoño más tarde casi todos los años. Esto aumenta la temporada de crecimiento de las plantas aumentando el recuento de polen en la atmósfera y causando más reacciones alérgicas en los humanos. Las reacciones alérgicas a menudo pueden provocar infecciones respiratorias y la muerte, especialmente en los muy jóvenes y muy viejos. A medida que el clima continúa calentándose, las enfermedades transmitidas por el agua y los alimentos son un problema creciente para la salud humana y el pronóstico no es bueno para cada uno de los siguientes:  Según el Centro para el Control de Enfermedades (CDC) de EE. UU., Las enfermedades transmitidas por alimentos son responsables de aproximadamente 76 millones de casos de enfermedades, con 325,000 hospitalizaciones y 5,000 muertes en los EE. UU. Cada año. Las enfermedades transmitidas por el agua son responsables de aproximadamente nueve millones de casos de enfermedad cada año en los EE. UU.  Las siguientes enfermedades pueden transmitirse por la contaminación del agua y los alimentos: E. coli, tifoidea, hepatitis A, disentería, criptosporidiosis, poliomielitis, giardia, cólera y botulismo.  Las instalaciones de tratamiento de agua tienen dificultades para eliminar muchas enfermedades transmitidas por el agua del agua potable, incluidas la criptosporidiosis y la giardia. El agua potable contaminada causó un brote de criptosporidiosis donde 403,000 personas se enfermaron en Madison, Wisconsin en 1993. Un informe de los CDC estimó que el brote costó $ 96.2 millones: $ 31.7 millones en costos médicos y $ 64.6 millones en pérdidas de productividad.  La diarrea, causada principalmente por enfermedades transmitidas por alimentos y agua, es la segunda causa principal de muerte en niños pequeños. Según los CDC, cada año se estima que cuatro mil millones de casos de diarrea causan dos millones de muertes. Cómo el cambio climático puede aumentar las enfermedades transmitidas por el agua y los alimentos:  El aumento de la temperatura provoca una mayor aparición / supervivencia de bacterias, algas tóxicas y otra contaminación en los alimentos y el agua. Además, según el IPCC, el cambio climático ya está reduciendo la cantidad de agua dulce de alta calidad y esta situación

118



Tendencias del Cambio Climático

es esperado que empeore. Las personas se verán obligadas a utilizar fuentes de agua de peor calidad, lo que aumentará la enfermedad. Los principales patógenos que causan gastroenteritis aguda se multiplican más rápido en condiciones más cálidas. Según un estudio sobre los impactos del cambio climático en los EE. UU., Se prevé que esto impactará en los lagos y aumentará la cantidad de brotes de enfermedades recreativas transmitidas por el agua. Se pronostica que el cambio climático causará tormentas e inundaciones más extremas, que se sabe que conducen a suministros de agua contaminados. Las fuertes lluvias pueden hacer que los sistemas de alcantarillado / aguas pluviales se sobrecarguen, liberando alcantarillado sin tratar (sin tratamiento) en las fuentes de agua locales. La OMS informó que en 2000 el cambio climático fue responsable de aproximadamente el 2.4% de la diarrea mundial. En 2030, las temperaturas más cálidas y las lluvias e inundaciones más severas causarán hasta un 10% más de riesgo de diarrea en algunas áreas. Según el IPCC, la distribución y actividad de moscas, cucarachas y roedores podría cambiar en respuesta a los cambios climáticos. Estas especies son portadoras de patógenos transmitidos por los alimentos y se consideran plagas higiénicas importantes en el entorno doméstico.

5.14 Atribución La atribución es asignar una causa a un resultado y en la ciencia del clima, así como en otras ciencias, esto puede ser difícil de hacer. Sin embargo, en algunos casos, como el calentamiento global, a veces es posible eliminar las causas naturales y quedar solo con causas humanas (antropogénicas) para explicar el resultado. En el pasado reciente, las variaciones en la producción de energía del Sol han regulado la temperatura de la Tierra en gran medida. Los científicos saben que el Sol de hoy es más cálido que el Sol de miles de millones de años atrás. Entonces, ¿se puede atribuir el reciente calentamiento de la Tierra al Sol? Según algunos negadores y escépticos, la respuesta es sí. Sin embargo, los hechos científicos nos dicen exactamente lo contrario: ¡no! De hecho, desde la década de 1970 hasta 2011 y hasta 2012, el Sol ha estado en una etapa profunda de su fase solar mínima. En otras palabras, el Sol ha estado produciendo menos energía mientras que la Tierra se ha estado calentando (Fig. 5.12). Como se puede ver en la figura 5.12, hubo una correlación bastante buena entre la actividad solar y la temperatura de la Tierra hasta alrededor de 1980, luego los dos comenzaron a divergir, y han estado divergiendo hasta hace relativamente poco. Si el Sol no está causando que la Tierra se caliente, ¿qué está causando el calentamiento global? ¿Qué otras cosas podrían hacer que la Tierra se caliente? Veamos algunas otras posibilidades:    

La Tierra puede estar acercándose al Sol en su órbita; El Sol puede estar acercándose a la Tierra; La Tierra puede estar calentándose desde adentro; Otra estrella, como el Sol, puede estar acercándose a la Tierra;

5.15 Gases de Invernadero

119

1367

Temperatura versus actividad solar 1366.5

0.5

Temperatura global (promedio de 11 años) Actividad solar (promedio de 11 años)

1366

1365.5

1365 1880

–0.5 1900

1920

1940

1960

1980

2000

Fig. 5.12 Temperatura global (línea oscura, NASA GISS) e irradiancia solar total (línea más clara, 1880-1978 de Solanki); 1979-2009 del Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos (PMOD). (De SkepticalScience.com, rediseñado por John Cook)

 El registro de temperatura puede no ser confiable;  Algo en la atmósfera puede estar reteniendo más calor cerca de la Tierra en lugar de dejar que escape al espacio. Los astrónomos nos dicen que las órbitas de la Tierra y los otros planetas del Sistema Solar tienen órbitas muy estables y predecibles y que no se han desviado sustancialmente en la historia registrada. Entonces la Tierra no se está acercando al Sol y el Sol no se está acercando a la Tierra. Los geólogos y geofísicos nos dicen que aunque la Tierra tiene una gran cantidad de calor interno, este calor no se está expandiendo hacia afuera. Por lo tanto, la superficie de la Tierra y la atmósfera inferior no se calientan desde el interior. Ninguna estrella se está acercando a la Tierra y, de ser así, estaría tan lejos en la actualidad que no tendría ningún efecto sobre la temperatura de la Tierra. ¿Hay algo en la atmósfera que pueda contener el calor y posiblemente irradiar nuevamente el calor a la superficie de la Tierra? Recuerde el efecto invernadero del cap. 2? Ahora es el momento de un poco de química, ya que son los químicos los que causan el efecto invernadero.

5.15 Gases de Invernadero Hay sustancias químicas en la atmósfera de la Tierra que son gases de efecto invernadero (GEI) que atrapan el calor y permiten que la Tierra sostenga la vida. Los principales GEI son vapor de agua (H2O), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y óxido nitroso (N2O). Otros gases de efecto invernadero menores son los clorofluorocarbonos (CFC) y algunos otros. Sus concentraciones crecientes en la atmósfera se muestran en la figura 5.13.

120

Tendencias del Cambio Climático

Fig. 5.13 Los gases de efecto invernadero aumentan en la atmósfera desde 1978 (de NOAA http: // www. Esrl.noaa.gov/gmd/aggi/, Public Domain)

El dióxido de carbono, el óxido nitroso y el metano parecen haber aumentado constantemente mientras que los CFC parecen estabilizarse o disminuir ligeramente en la atmósfera de la Tierra (Fig. 5.13). Los gases de efecto invernadero parecen ser buenos candidatos para causar el calentamiento global y se tratarán por separado en un capítulo posterior (cap. 9). Los patrones de calentamiento observados, que incluyen un mayor calentamiento sobre la tierra que sobre el océano, y sus cambios a lo largo del tiempo, son simulados solo por modelos que incluyen el forzamiento antropogénico. Ningún modelo climático global acoplado que haya utilizado el forzamiento natural solo ha reproducido las tendencias del calentamiento medio continental en continentes individuales (excepto la Antártida) durante la segunda mitad del siglo XX. La siguiente ilustración (Fig. 5.14) muestra series temporales de anomalías medias globales de la temperatura del aire cerca de la superficie en observaciones y simulaciones mediante el uso de un modelo informático canadiense (CanESM2). En la figura 5.14a, todas las observaciones y simulaciones se grafican entre 1850 y 2011. En la ilustración, las líneas negras muestran la temperatura media anual global observada de HadCRUT3, y las líneas de colores finos muestran la temperatura media global de los conjuntos de cinco miembros de CanESM2 forzados con (a) forzamientos antropogénicos y naturales (ALL), (b) forzamientos naturales solamente (NAT), (c) solo gases de efecto invernadero (GEI), y (d) solo aerosoles (AER). Todas las anomalías se calculan en relación con el período 1851-1900, y las medias de conjunto se muestran mediante líneas gruesas de color en la figura.

5.16 Huellas Digitales Humanas Sobre el Calentamiento Global

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Fig. 5.14 Series temporales de anomalías medias globales de la temperatura del aire cerca de la superficie en observaciones y simulaciones de CanESM2. Las líneas negras muestran la temperatura media anual global observada de HadCRUT3, y las líneas finas de color muestran la temperatura media global de conjuntos de cinco miembros de CanESM2 forzados con (a) forzamientos antropogénicos y naturales (ALL), (b) forzamientos naturales solamente (NAT), (c) solo gases de efecto invernadero (GEI), y (d) solo aerosoles (AER). Todas las anomalías se calculan en relación con el período 1851-1900, y las medias de conjunto se muestran mediante líneas gruesas de colores (de SkepticalScience.com, consultado el 14/1/2012; datos de Gillett et al. 2012)

5.16 Huellas Digitales Humanas Sobre el Calentamiento Global Hay huellas humanas específicas en el calentamiento actual del planeta. Las huellas dactilares humanas apuntan directamente a la humanidad como la fuente de la gran mayoría del calentamiento global que ha ocurrido durante la segunda mitad del siglo XX y en el vigésimo primero.

5.16.1 Enfriamiento de la Tierra Atmósfera Superior A medida que se agrega más calor a la atmósfera inferior (la troposfera), se escapa menos calor para calentar la atmósfera superior (la estratosfera) y la atmósfera superior se enfría. Esto ha sido medido por satélites y globos meteorológicos (radiosondas). Si el Sol fuera la causa del calentamiento global, la atmósfera superior también se estaría calentando.

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Tendencias del Cambio Climático

5.16.2 Tropopausa Creciente A medida que la troposfera se calienta, el aire se expande y la parte superior de la troposfera (la tropopausa) se eleva. Los científicos han descubierto que la tropopausa de 1979 a 1999 aumentó unos 200 m. La creciente tropopausa es causada por el aumento del calor de la troposfera.

5.16.3 Menos Calor Escapando al Espacio Los satélites miden menos calor que se escapa al espacio en las longitudes de onda particulares en las que el CO2 absorbe el calor, lo que genera "evidencia experimental directa de un aumento significativo en el efecto invernadero de la Tierra". Los escépticos y los negadores del calentamiento global dicen que no hay evidencia de que el CO2 esté causando el calentamiento global. Este hecho empírico demuestra que el CO2 está causando el calentamiento global.

5.16.4 Noches que se Calientan más Rápido que Días Si un aumento del efecto invernadero está causando el calentamiento global, deberíamos ver ciertos patrones en el calentamiento. Por ejemplo, el planeta debería calentarse más rápido por la noche que durante el día. Esto de hecho se está observando.

5.16.5 Calentamiento de Invierno más Rápido que Verano Las temperaturas de los hemisferios norte y sur muestran que los inviernos se calientan más rápido que el verano según los registros terrestres y marítimos y los registros satelitales.

5.16.6 Más Combustible Fósil de Carbono en Coral El isótopo de carbono más común es el carbono-12 (12C) que se encuentra en aproximadamente el 99% del dióxido de carbono en la atmósfera. El carbono-13 ligeramente más pesado (13C) constituye la mayor parte del resto. Las plantas prefieren el carbono-12 sobre el carbono-13. Esto significa que la proporción de carbono-13 a carbono-12 es menor en las plantas que en la atmósfera. Como los combustibles fósiles provienen originalmente de las plantas, significa que cuando quemamos combustibles fósiles, estamos liberando más 12C a la atmósfera. Si la quema de combustibles fósiles es responsable del aumento de los niveles de CO 2 atmosférico, deberíamos ver una disminución de la proporción de 13C a 12C. Esta disminución en la relación es exactamente lo que se está registrando.

5.16 Huellas Digitales Humanas sobre el Calentamiento Global

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5.16.7 Encogimiento de la Atmósfera Superior La termosfera y la ionosfera se están reduciendo según lo medido por los satélites. Se espera que la ionosfera se enfríe y se contraiga en respuesta al calentamiento del invernadero. Esto ha sido observado por los satélites.

5.16.8 Menos Oxígeno en la Atmósfera Los niveles de oxígeno están disminuyendo en línea con la cantidad de dióxido de carbono en aumento, tal como cabría esperar de la quema de combustibles fósiles que elimina el oxígeno del aire para crear dióxido de carbono.

5.16.9 Más combustible fósil de carbono en Coral Ver "Más combustible fósil de carbono en Coral" arriba.

5.16.10 Más Calor Regresando a la Tierra Se escapa menos calor al espacio; entonces, ¿a dónde va? Se está volviendo a enviar a la superficie de la Tierra. Las mediciones de superficie confirman esto, observando más radiación infrarroja descendente. Una mirada más cercana a la radiación descendente "encuentra más calor retornando a las longitudes de onda de CO 2", lo que lleva a la conclusión de que "estos datos experimentales deberían terminar efectivamente el argumento de los escépticos de que no existe evidencia experimental de la conexión entre los aumentos de gases de efecto invernadero en la atmósfera y el calentamiento global"

5.16.11 Patrón de Calentamiento del Océano El contenido de calor del océano ha aumentado significativamente en los últimos 40 años. De hecho, aproximadamente el 93% del calentamiento total del sistema de la Tierra durante ese período se ha destinado al calentamiento de los océanos. Barnett y col. (2005) investigaron la causa de esta señal de calentamiento y concluyeron lo siguiente: “[El aumento en el contenido de calor del océano] no puede explicarse por la variabilidad climática interna natural o el forzamiento solar y volcánico, pero está bien simulado por dos modelos climáticos forzados antropogénicamente. Concluimos que es de origen humano, una conclusión sólida para el muestreo observacional y las diferencias de modelo. Los cambios en la advección se combinan con el forzamiento de la superficie para dar el patrón de calentamiento general. Las implicaciones de este estudio sugieren que la sociedad debe considerar seriamente las predicciones modelo del cambio climático futuro.”

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Tendencias del Cambio Climático

Actualmente, los humanos emiten varios miles de millones de toneladas (1 billón de toneladas es una giga tonelada, una tonelada es igual a una tonelada métrica que es una unidad de peso igual a 1,000 kg, o 2,204.6 lb) de CO 2 a la atmósfera cada año. Por supuesto, podría ser una coincidencia que los niveles de CO 2 estén aumentando tan bruscamente al mismo tiempo que la temperatura de la Tierra está aumentando, así que veamos más evidencia de que los humanos son responsables del aumento de los niveles de CO2 y el calentamiento global. La correlación no significa causa y efecto, pero en la ciencia, cuando varias líneas de evidencia independientes apuntan a la misma conclusión, los científicos pueden sacar conclusiones con mucha certeza. Al medir el tipo de carbono que se acumula en la atmósfera, vemos más del tipo de carbono que proviene de los combustibles fósiles. El carbono de los combustibles fósiles no tiene carbono-14, carbono radioactivo ni radiocarbono. El radiocarbono tiene una vida media de 5.700 años y queda muy poco, si es que queda alguno, en los combustibles fósiles porque la mayoría de los combustibles fósiles tienen millones de años. Los científicos saben cuánto carbono-14 hay en la atmósfera en relación con el carbono no radioactivo. A medida que disminuye la proporción de carbono-14 a carbono no radiactivo, la indicación es que se está liberando carbono no radiactivo. La principal fuente de este lanzamiento es la quema de combustibles fósiles. Las huellas dactilares humanas se indican mediante mediciones de oxígeno en la atmósfera. Los niveles de oxígeno están disminuyendo en línea con la cantidad de dióxido de carbono en aumento, tal como cabría esperar de la quema de combustibles fósiles que elimina el oxígeno de la atmósfera para crear dióxido de carbono. Por cada átomo de carbono en la molécula de dióxido de carbono, hay dos átomos de oxígeno. Otra evidencia independiente de que los humanos están elevando los niveles de CO 2 proviene de las mediciones de carbono encontradas en los registros de coral que datan de varios siglos. Estos esqueletos de coral muestran un fuerte aumento reciente en el tipo de carbono que proviene de los combustibles fósiles. Sabemos que los humanos están elevando los niveles de CO 2 debido al tipo de carbono que se libera y porque podemos medirlo directamente. Además, los satélites miden menos calor que se escapa al espacio en las longitudes de onda particulares en las que el CO2 absorbe el calor, lo que arroja "evidencia experimental directa de un aumento significativo en el efecto invernadero de la Tierra". Si se escapa menos calor al espacio, ¿a dónde va? Se está volviendo a enviar a la superficie de la Tierra. Las mediciones de superficie confirman esto, observando más radiación infrarroja descendente. Una mirada más cercana a la radiación descendente encuentra más retorno de calor en las longitudes de onda de CO2, lo que lleva a la conclusión de que “estos datos experimentales deberían terminar eficazmente el argumento de los escépticos de que no existe evidencia experimental de la conexión entre los aumentos de gases de efecto invernadero en la atmósfera y el calentamiento gobal.”

Si un aumento del efecto invernadero está causando el calentamiento global, deberíamos ver ciertos patrones en el calentamiento. Por ejemplo, el planeta debería calentarse más rápido por la noche que durante el día. Esto de hecho se está observando. Otro patrón distintivo del calentamiento del invernadero es el enfriamiento en la atmósfera superior, también conocida como estratosfera. Esto es exactamente lo que está sucediendo Con el calentamiento de la atmósfera inferior (la troposfera) y el enfriamiento de la atmósfera superior (la estratosfera), otra consecuencia es que el límite entre la troposfera y la estratosfera, también conocida como tropopausa, debería aumentar como consecuencia del calentamiento del invernadero. Esto ha sido observado. Se espera que una capa aún más alta de la atmósfera, la ionosfera, se enfríe y se contraiga en respuesta al calentamiento del invernadero. Esto ha sido observado por los satélites.

5.17 Componentes del Proceso de Cambio Climático

125

Componentes del Proceso de Cambio Climático

Influencias naturales (ej. Procesos solares, Órbita terestre, volcanes)

Cambios Directos e Indirectos en los Impulsores del Cambio Climático (ej., gases invernadero, aerosoles, microfísica en la nube y radiación solar)

Efectos

Actividades humanas (ej, quema de combustibles fósiles, procesos industriales, usos del suelo)

Forzamientos Radiativo

Radiativos No Iniciales

Perturbación y Respuesta Climática Proceso de Mitigación

(ej., precipitación y temperature global y regional, vegetación, eventos atmosféricos extremos)

Procesos de Retroalimentación

Bioquímica

Fig. 5.15 Componentes del proceso de cambio climático (Redibujado del IPCC, AR4, 2007 por John Cook)

La ciencia procede reuniendo evidencia. No es un castillo de naipes, listo para derrumbarse si elimina una línea de evidencia. En cambio, es como un rompecabezas complejo. A medida que se acumula el cuerpo de evidencia, obtenemos una imagen más clara de lo que está impulsando nuestro clima. Ahora tenemos muchas líneas de evidencia que apuntan a una respuesta única y consistente.

La principal causa del calentamiento global es el aumento de los niveles de dióxido de carbono por la quema de combustibles fósiles. Nada más tiene sentido ni todos los hechos; y esta conclusión está respaldada por numerosas líneas de evidencia. El clima de la Tierra está cambiando. Parte de este cambio es gradual y no puede detectarse en el día a día, como el aumento global de la temperatura o el derretimiento gradual del hielo glacial y el aumento del nivel del mar. Otros cambios climáticos son más obvios, como cambios en los patrones meteorológicos, tormentas más severas y más frecuentes, o períodos más largos de calor o períodos fríos. Y el cambio climático será aún más obvio en el futuro a medida que los patrones meteorológicos continúen cambiando.

5.17 Componentes del Proceso de Cambio Climático Los componentes del proceso de cambio climático se muestran en la ilustración anterior (Fig. 5.15). Cuando los impulsores del clima son forzados en una dirección, el clima cambia en esa dirección.

126

Tendencias del Cambio Climático

Por ejemplo, cuando los volcanes hacen erupción violentamente, emiten enormes cantidades de partículas sólidas a la atmósfera y estas partículas bloquean algunos de los rayos del Sol, lo que hace que la Tierra se enfríe. Se dice que el enfriamiento es una perturbación, que es una respuesta a un forzamiento y es el resultado del forzamiento natural del clima en la dirección del enfriamiento global. El mayor impulsor o fuerza del clima de la Tierra ha sido la cantidad de luz solar recibida por la Tierra. Hay un efecto directo sobre el clima si cae menos luz solar sobre la Tierra; la Tierra se enfría. Si una mayor cantidad de luz solar impacta la Tierra, la Tierra se calienta. Entonces, hay un efecto directo sobre el clima por la cantidad total de luz solar recibida por la Tierra. Esto se llama un forzamiento radiativo debido al hecho de que la energía que causa el cambio climático cambia desde el sol. Un ejemplo de forzamiento no radiativo es el enfriamiento causado por violentas erupciones volcánicas o el calentamiento por cambios en el uso del suelo. Los forzamientos hacen que el clima cambie y un cambio climático puede iniciar una retroalimentación que hace que el forzamiento aumente o disminuya y posiblemente revierta un forzamiento. Estos se denominan retroalimentaciones positivas y negativas, respectivamente.

5.18 Otros Efectos del Calentamiento Global El calentamiento global, el cambio climático más obvio que está ocurriendo ahora, está causando una mayor evaporación del océano y los suelos. Esta evaporación aumenta el contenido de humedad de la atmósfera de la Tierra y seca la tierra y la vegetación. Esta humedad debe caer a la Tierra en algún lugar y se está midiendo al aumentar la lluvia (y la nevada) en algunas áreas. Este aumento de la precipitación conduce a inundaciones en algunas áreas terrestres, la ruptura de presas y diques, y más desastres naturales que antes del calentamiento. La desecación de la tierra y la vegetación da como resultado más incendios forestales, especialmente en áreas que han experimentado largos períodos de sequía. Algunas áreas que tenían precipitaciones normales ahora están experimentando menos precipitaciones. Caen más precipitaciones en algunas áreas y menos en otras. El suroeste de los EE. UU. Está experimentando un doble impacto por el cambio climático, ya que se está volviendo más seco debido a la pérdida de humedad del suelo y más caliente debido al clima más cálido. El cambio climático y el calentamiento global están causando una mayor evaporación en los océanos y eso da como resultado una mayor formación de nubes. Hay más energía térmica en la atmósfera disponible para los sistemas de tormentas y esta energía adicional hace que las tormentas se vuelvan más frecuentes y más intensas. Es bastante seguro que el huracán Katrina que azotó la costa del Golfo de los Estados Unidos en 2005 fue tan fuerte como lo fue debido al aumento de la temperatura de las aguas en el Golfo de México. En algunas áreas hay más nevadas en elevaciones y latitudes más altas y más lluvia en elevaciones y latitudes más bajas. Estas son tendencias generales y hay excepciones locales y regionales, pero las tendencias generales son las que más interesan a los científicos del cambio climático.

El gas de efecto invernadero más abundante y efectivo es el vapor de agua, pero no permanece en la atmósfera durante largos períodos de tiempo. Se expulsa de la atmósfera y cae a la Tierra como precipitación. Algunos de los otros gases, como el dióxido de carbono, permanecen en la atmósfera durante períodos de tiempo mucho más largos, posiblemente miles de años.

5.19 Forzamientos y Retroalimentaciones en el Sistema Climático

127

El más importante de los gases de efecto invernadero para atrapar el calor en la atmósfera durante largos períodos de tiempo y calentar la Tierra es el dióxido de carbono, como veremos en un capítulo posterior. El dióxido de carbono está bien mezclado en la atmósfera y su estructura molecular es tal que absorbe y re-irradia calor que atrapa la energía infrarroja emitida por la Tierra. Las moléculas de dióxido de carbono en la atmósfera irradian esta energía térmica en todas las direcciones, algunas hacia el espacio exterior, algunas hacia moléculas adyacentes y otras hacia la superficie de la Tierra. La física de esta re-radiación se conoce desde el siglo XIX.

5.19 Forzamientos y Retroalimentaciones en el Sistema Climático Hay factores que causan el cambio del sistema climático de la Tierra, como hemos visto. Estos factores se llaman forzamientos porque fuerzan un cambio en el clima de la Tierra. Otros factores mejoran o retrasan los forzamientos; estas son retroalimenciones. Tanto los forzamientos como las retroalimentaciones se analizan a continuación.

5.19.1 Forzamientos Cuando algo obliga al clima de la Tierra a cambiar de dirección, como el calentamiento o el enfriamiento, se denomina forzamiento. Los forzamientos que afectan directamente el clima, es decir, lo empujan en cierta dirección, son:  Cambios en la cantidad de energía irradiada por el sol. Si el Sol produce menos energía, obliga a la Tierra a enfriarse; Si produce más energía, obliga a la Tierra a calentarse. El Sol ha estado en un estado mínimo durante las últimas décadas hasta hace poco (octubre de 2011). Durante el Máximo solar, se producen diariamente grandes manchas solares e intensas erupciones solares. Las auroras aparecen en Florida. Las tormentas de radiación destruyen los satélites. Los apagones de radio frustran a los operadores de radioaficionados. El último episodio de este tipo tuvo lugar en los años 2000-2001. Durante el mínimo solar, ocurre lo contrario. Las erupciones solares son casi inexistentes mientras pasan semanas enteras sin una sola mancha solar pequeña para romper la monotonía del sol en blanco. Esto es lo que estamos experimentando ahora. Si los parámetros orbitales de la Tierra cambian, el clima se ve obligado a cambiar. Por ejemplo, si la Tierra se acerca al Sol en su órbita, la Tierra se calienta; si su órbita se aleja más del Sol, la Tierra se enfría;  Si las montañas se elevan y las placas de la Tierra se mueven, los patrones de circulación atmosférica y oceánica de la Tierra cambian y el cliate cambia. Esto cambia el ritmo de la meteorización (la descomposición de las rocas) que también aumenta a medida que las montañas se elevan y se exponen más rocas. La meteorización elimina el dióxido de carbono de la atmósfera a medida que las rocas se descomponen y la Tierra se enfría. Hay más dióxido de carbono almacenado en las rocas de la corteza terrestre que en cualquier otro lugar;  El aumento de los gases de efecto invernadero (GEI) en la atmósfera atrapa el calor para calentar la Tierra. Si estos gases aumentan su concentración en la atmósfera, la Tierra se calienta. Si disminuyen en concentración, la Tierra se enfría.

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Tendencias del Cambio Climático

5.19.2 Forzamiento Positivo y Negativo y sus Efectos Todo lo que causa un cambio climático se llama forzar. Uno puede pensar que es algo que está obligando al cambio climático. Hay agentes forzantes (como un aumento o disminución de la luz solar que golpea la Tierra) y efectos forzantes (como un calentamiento o enfriamiento de la Tierra). Los forzamientos pueden ser positivos o negativos (Fig. 5.16). La figura 5.16a muestra los agentes de forzamiento acumulativos de gases de efecto invernadero positivos desde 1950 hasta 2004. La figura 5.16b muestra los agentes de forzamiento negativos acumulados durante el mismo período de tiempo. Los forzamientos pueden ocurrir repentinamente o en algunos cientos o cientos de miles de años. Una colisión cercana con otro planeta en el desarrollo temprano de la Tierra puede haber obligado a la Tierra a obtener una inclinación axial. Esto habría sucedido repentinamente y el resultado de la inclinación axial son los cambios estacionales que ocurren en latitudes medias cada año (verano, invierno, otoño y primavera). La figura 5.17 es una representación esquemática del sistema climático de la Tierra desde el polo (en el lado izquierdo) hasta el ecuador (en el lado derecho) que muestra las interacciones entre la energía del Sol, la atmósfera, los océanos, la capa de hielo, la vegetación, la radiación trasera, la meteorización, el invernadero gases, volcanes, viento, precipitación, escorrentía de ríos, etc.

5.19.3 Retroalimentaciones Los forzamientos provocan cambios en el sistema climático y las retroalimentaciones mejoran un forzamiento (retroalimentación positiva) o amortiguan o invierten un forzamiento (retroalimentación negativa). Las retroalimentaciones también pueden ser forzadas. Por ejemplo, un gas de efecto invernadero puede ser una fuerza cuando aumenta en la atmósfera en la medida en que obliga al cambio climático. El dióxido de carbono se ha acumulado en la atmósfera desde la Revolución Industrial, la producción en masa del motor de combustión interna y debido a otras actividades humanas. A medida que aumentaba esta concentración, obligaba al clima de la Tierra a comenzar a calentarse después de que la temperatura de la Tierra había sido relativamente estable durante miles de años. Después del calentamiento forzado inicial, el dióxido de carbono continúa acumulándose en la atmósfera y se ha convertido en una retroalimentación positiva, así como en un forzamiento positivo. Un forzamiento positivo se define como uno que causa calentamiento. Un forzamiento negativo se define como uno que causa enfriamiento. Los océanos cubren aproximadamente el 71% de la superficie de la Tierra y son una parte importante del sistema climático. El agua de mar absorbe energía tanto del Sol como del interior de la Tierra. El agua de mar más fría absorbe CO2 de la atmósfera y el agua de mar tibia lo libera a la atmósfera (una fuente de carbono). A medida que las aguas del océano se calientan, cambiarán de un sumidero de dióxido de carbono para convertirse en una fuente y liberar CO2 a la atmósfera en mayores cantidades de las que el mundo haya conocido. Las retroalimentaciones son efectos secundarios en el sistema climático (ver Fig. 5.18). Por ejemplo, si hay más derretimiento de los glaciares y el hielo marino, hay más tierra y un océano más oscuro para absorber la energía del Sol, menos luz solar es reenviada al espacio por el hielo y la Tierra se calienta.

a 1500

estrat, + trop, O3 N2O

1000 CH4

nto

acumulado Forzamiento Forzamie forcing (10 (1021 J) J)

halocarbonos

500

CO 2

solar

0 1950

1960

1970

1980 Año

1990

2000

forzamiento negativo

Total del panel izquierdo

v e n e g a t i v e

1500

estrat, aerosol

forzamiento negativo residual

1000

aerosol direct + indirect + otros forzamientos

500

radiación saliente Radiación saliente

C u m u l a ti

21 budget (1021 acumulativo tierra o forzamiento negativoforcing de laor de calor Presupuesto (10J) J) rth heat

Calentamiento oceánico

almacén de energía

0 suelo + atmósfera

1950

1960

1970

1980 Año

1990

2000

Fig. 5.16 (a) Presupuesto energético acumulativo para la Tierra desde 1950, que muestra agentes forzantes en su mayoría positivos y de larga vida desde 1950 hasta 2004 (de Murphy et al. 2009). (b) Forzamientos negativos acumulativos tales como aerosoles estratosféricos, forzamiento de aerosoles directos e indirectos, aumento de la radiación saliente de un calentamiento de la Tierra y la cantidad restante para calentar la Tierra (De Murphy et al. 2009)

130

5 Tendencias del Cambio Climático

POLOS

TRÓPICOS

Radiación solar Gases invernadero

Retorno de radiación CO2 Calor Hielo marino

SO4

Precipitación Evaporación

Viento

Producción de carbono

Meteorización Escorrentía fluvial

CO2

Movimiento de la placa

Aguas profundas

Afloramiento

Nivel

del mar

Entierro de carbono Edificación

Extensión

Fig. 5.17 Los principales componentes del sistema climático. H2Ov es vapor de agua (Fuente: John Cook Redrawn de Ruddiman 2001)

Las retroalimentaciones son positivas o negativas. Una retroalimentación positiva continúa una dirección forzada. Si el clima se está calentando y una parte del sistema climático causa un calentamiento adicional, la respuesta es positiva como en el caso del hielo derretido. Si el clima se calienta y una parte del sistema climático desacelera, detiene o invierte el calentamiento, la retroalimentación es negativa. Si los glaciares comienzan a crecer nuevamente y el hielo marino se expande y más luz solar se reenvía al espacio y la Tierra se enfría, la retroalimentación es negativa.

La energía del interior de la Tierra (ya sea generada por la desintegración radiactiva o el calor remanente del estado fundido temprano de la Tierra) llega a la superficie por la actividad volcánica en el fondo del mar y en tierra. Esta es la energía que hace que se formen volcanes e impulsa las placas de la corteza terrestre y es esta energía la que hace que las placas se muevan y los continentes se desplacen. La energía del Sol retenida por la atmósfera terrestre se distribuye por todo el sistema terrestre; se ha descrito como una "cascada" de energía en todo el sistema. Esta energía produce plantas que producen oxígeno, azúcares, agua y más material vegetal mediante la fotosíntesis a medida que las plantas crecen.

5.20 Sensibilidad Climática La sensibilidad climática generalmente se expresa como la temperatura de la Tierra que se esperaría como resultado de una duplicación de CO 2, pero sabemos que el clima es sensible a más cosas que solo CO2, como todos los forzamientos. El IPCC AR4 2007 define

5.20 Sensibilidad Climática

131

Diferencia de la reflectividad promedio (porcentaje)

Fig. 5.18 La diferencia entre las cantidades de luz solar que Groenlandia refleja en el verano de 2011 versus el porcentaje promedio que reflejó entre 2000 y 2006. Prácticamente toda la capa de hielo muestra algún cambio, con algunas áreas que reflejan cerca de un 20% menos de luz que hace una década. El mapa se basa en observaciones de los instrumentos del Espectrorradiómetro de Imágenes de Resolución Moderada (MODIS) en los satélites Terra y Aqua de la NASA (NASA, Public Domain)

la sensibilidad climática de equilibrio es una medida de la respuesta del sistema climático al forzamiento radiativo sostenido. Se define como el calentamiento global promedio de la superficie en equilibrio luego de duplicar la concentración de CO2. El progreso dado que el TAR permite una evaluación de que la sensibilidad climática probablemente esté en el rango de 2-4.5°C con una mejor estimación de aproximadamente 3°C, y es muy poco probable que sea inferior a 1.5 °C (Fig. 5.19) No se pueden excluir valores sustancialmente superiores a 4.5°C, pero la concordancia de los modelos con las observaciones no es tan buena para esos valores. Aunque sabemos que el clima de la Tierra es sensible a los forzamientos, la definición de sensibilidad climática del IPCC es aceptada por la mayoría de los científicos del clima.

Tendencias del Cambio 5 Climático

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Varias Estimaciones de la Sensibilidad Climática Más probable Periodo Instrumental

Probable

Muy probable

Erupciones volcánicas

Último Máximo Glacial

Estado actual del clima medio

Modelos Climáticos Último milenio

Sensibilidad Climática (°C)

Millones de años atrás

Combinando diferentes líneas de evidencia

Sensibilidad Climática (°C)

Fig. 5.19 Distribuciones y rangos de sensibilidad climática a partir de diferentes líneas de evidencia. El círculo indica el valor más probable. Las barras delgadas de color indican un valor muy probable (más del 90% de probabilidad). Las barras de color más gruesas indican valores probables (más del 66% de probabilidad). Las líneas discontinuas indican que no hay una restricción robusta en un límite superior. El rango probable del IPCC (2-4.5°C) y el valor más probable (3°C) se indican mediante la barra gris vertical y la línea negra, respectivamente (Adaptado de Knutti y Hegerl 2008) (de SkepticalScience.com))

Lecturas Adicionales Ammann, C., et al. (2007). Solar influence on climate during the past millennium: Results from transient simulations with the NCAR Climate Simulation Model (PDF). Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 104(10), 3713Ð3718. IPCC AR4 SYR. (2007). Core Writing Team, Pachauri, R. K. & Reisinger, A. (Eds.), Climate change 2007: Synthesis report, Contribution of working groups I, II and III to the fourth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Geneva: IPCC. ISBN 92-9169-122-4 IPCC AR4 WG1. (2007). Solomon, S., Qin, D., Manning, M., Chen, Z., Marquis, M., Averyt, K. B., Tignor, M., & Miller, H. L. (Eds.), Climate change 2007: The physical science basis, Contribution of working group I to the fourth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-88009-1 (pb:

978-0-521-70596-7) Keppler, F., et al. (2006, January 18). Global warming – The blame is not with the plants. Max Planck Society, Max Planck Institute for Nuclear Physics, Saupfercheckweg 1, 69117 Heidelberg, Germany. McKibben, B. (2011). The global warming reader. New York: OR Books. ISBN 978-1-935928-36-2.

Lecturas Adicionales

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Pollack, H. (2009). A world without ice. New York: Avery, A Member of Penguin Books, Ltd. ISBN 978-1-58333-357-0. Revkin, A. C. (2005, November 5). Rise in gases unmatched by a history in ancient ice. The New York Times. Ruddiman, W. F. (2005, August 1). Plows, plagues, and petroleum: How humans took control of climate. Princeton: Princeton University Press. ISBN 0-691-12164-8. Ruddiman, W. F. (2008). Earthâ&#x20AC;&#x2122;s climate: Past and future (2nd ed.). New York: W. H. Freeman and Company. Walter, K. M., et al. (2006). Methane bubbling from Siberian thaw lakes as a positive feedback to climate warming. Nature, 443(7107), 71-75. Bibcode 2006Natur.443Ă&#x2030;71W. PMID 16957728. doi:10.1038/nature05040.

Capítulo 6

Temperatura de la Superficie de la Tierra

Resumen La Tierra se está calentando y la temperatura de la superficie refleja la tendencia al calentamiento. Varios organismos gubernamentales de todo el mundo mantienen y analizan los registros de temperatura, entre ellos el Instituto Goddard de Estudios Espaciales en los EE. UU., La Unidad de Investigación del Clima en los EE.UU., La Asociación Meteorológica de Japón y otros. Se discuten los puntos de inflexión más allá de los cuales no se puede hacer nada para revertirlos. El trabajo de la Oficina Meteorológica del Reino Unido y la Unidad de Investigación del Clima de la Universidad de East Anglia fue uno de los primeros en informar sobre el calentamiento global. James Hansen de GISS informó sobre sus estudios y compareció ante un comité del congreso de los EE. UU. Abogando por que se tomen medidas para frenar o detener el calentamiento que se estaba produciendo debido a los gases de efecto invernadero. Los escenarios A, B y C fueron descritos por Hansen. El documento de Hansen y Lebedeff que define un método para determinar una temperatura promedio global se describe como el método actual de determinación.

Palabras Claves Phil Jones • James Hansen • A1F1 • Temperaturas • Tierra • IPCC • CRU • El Niño-La Niña • NCDC •TAR • GHGs • GISTEMP • CDAT • Dominio público • Garantía • Calidad • Muller • Anomalías • SSTs • Willett • Anomalías • KÖppen • Callendar • Budyko

G.T. Farmer and J. Cook, Climate Change Science: A Modern Synthesis: Volume 1 - The Physical Climate, DOI 10.1007/978-94-007-57578_6, © Springer Science+Business Media Dordrecht 2013

135

136

Temperatura de la superficie

terrestre

deben entenderse y utilizarse para fines de revisión. La lista puede no incluir todos los términos y conceptos requeridos por el instructor para este tema. Cosas que Deben Saber SSTs Richard Muller Anomalías de Temperatura Ciclo de ElNiño-La Niña ICOADS ERSST IS92a NOAA/NCDC IPCC Estudio BEST Índice de temperatura Periodo base Control de calidad 1,200 km SRES MOHC A1T GFDL Escenario A1 Escenario A2 Escenario B2

Temperatura del suelo IMO A1F1 0.8°C AOGCMs Temperatura media global del aire superficial NASA/GISS 1951-1980 Efecto isla urbana TAR Hansen y Lebedeff Centro de Hadley Aumento del nivel del mar 0.4°C Índice de temperatura Seguro de calidad Punto de inflexión, nivel de inflexión, punto sin retorno Boyas CRU Escenario B1

6.1 Introducción Este capítulo trata de la temperatura de la superficie de la Tierra. La temperatura de la superficie se introdujo en un capítulo anterior (Capítulo 4), pero en este capítulo consideraremos cómo se mantienen, reducen, analizan los registros de temperatura y cómo se puede determinar una temperatura promedio anual. La metodología inicial para obtener una temperatura global promedio fue producida en la década de 1970 por James Hansen y sus colegas de la NASA / GISS y formalizada en un artículo de 1981 por Hansen y Lebedeff. Esta es la misma metodología que se usa hoy en día, con actualizaciones, para llegar a una temperatura promedio global. La determinación de la temperatura de la superficie promedio de la Tierra no fue realizada por científicos estadounidenses, británicos, rusos y japoneses que trabajan de forma independiente. En 1982, Phil Jones y sus colegas de la Unidad de Investigación del Clima (CRU) del Reino Unido de la Universidad de East Anglia emitieron la siguiente declaración: "Hemos producido, utilizando técnicas objetivas, una serie a largo plazo de temperaturas promedio del hemisferio norte". Esta declaración de Jones y sus colegas comenzó lo que hoy es la metodología de CRU para producir la temperatura global anual promedio de la Tierra, pero está sesgada hacia el hemisferio norte no ártico.

6.1 Introducción

137

El equipo de la CRU unió fuerzas con los científicos del Centro de la Oficina Meteorológica de Reino Unido de Hadley (MOHC), quienes estaban calculando estimaciones de los cambios observados en la temperatura de la superficie del mar (TSM). Esta asociación condujo al desarrollo del registro de observación del Centro Hadley / CRU de cambios combinados en SST y temperatura de la superficie terrestre (HadCRUT) y formó la base para una temperatura promedio global. Grupos del Instituto de Estudios Espaciales Goddard / NASA en Nueva York (GISS) y del Centro Nacional de Datos Climáticos (NCDC) de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) en Carolina del Norte intentaron reproducir de forma independiente los resultados de HadCRUT. Aunque los tres equipos utilizaron mediciones de temperatura sin procesar de conjuntos similares (pero no idénticos) de estaciones de observación, tomaron diferentes decisiones en el tratamiento de estas mediciones sin procesar y el cálculo de los promedios de área. A pesar de estas diferencias, los análisis de GISS y NCDC confirmaron los resultados de la "Tierra cálida" de los científicos de CRU y MOHC; que durante la segunda mitad del siglo XX, la temperatura de la Tierra había aumentado considerablemente. Si se puede decir que un solo evento puso el cambio climático en el radar político mundial, fue el testimonio del científico de la NASA James Hansen ante el comité del senador Tim Wirth en el Congreso el 23 de junio de 1988. Este evento fue ampliamente informado por la prensa y el Dr. Hansen se convirtió en la "cara" del calentamiento global y el objeto de desprecio por el cambio climático y los escépticos y negadores del calentamiento global que fueron apoyados principalmente por el segmento de petróleo y gas de la sociedad. Los capítulos posteriores de este texto presentarán a los negadores y escépticos y sus razones. En el testimonio de Hansen, utilizó tres escenarios diferentes; A, B y C. Consistieron en concentraciones hipotéticas futuras de los principales gases de efecto invernadero CO2, CH4, CFC, etc., junto con algunas erupciones volcánicas dispersas. Los detalles variaron para cada escenario, pero el efecto neto de todos los cambios fue que el Escenario A supuso un crecimiento exponencial en los forzamientos de gases de efecto invernadero, el Escenario B fue aproximadamente un aumento lineal en los forzamientos, y el Escenario C fue similar a B, pero fue casi constante forzamientos desde 2000 en adelante. Los escenarios B y C tuvieron una gran erupción volcánica en 1995. Esencialmente, se eligió una estimación alta, media y baja para agrupar el conjunto de posibilidades. Hansen declaró específicamente que pensaba que el escenario intermedio (B) era el "más plausible". Estos experimentos se iniciaron a partir de una ejecución de control del modelo GISS con condiciones de 1959 y utilizaron forzamientos de gases de efecto invernadero observados hasta 1984, y proyecciones posteriores. Los resultados se muestran en la siguiente ilustración (Fig. 6.1). El escenario de Hansen más cercano a las observaciones desde 1984 es claramente el Escenario B. Recientemente (2011) un grupo de científicos (Berkeley Earth Surface Temperature o BEST studio) dirigido por un conocido escéptico del clima y profesor de física en la Universidad de California, Berkeley, Dr. Richard Muller, realizó una revisión exhaustiva de la metodología utilizada para determinar la temperatura global promedio anual de la Tierra y descubrió, después de desarrollar su propia metodología, que sus resultados coincidían con los métodos anteriores utilizados por otros y que la temperatura global anual de la tierra era en aumento, especialmente durante la segunda mitad del siglo XX y

138

Temperatura de la Superficie Terrestre

Escenarios de Hansen et al 1988 1.4

Forzam. Efectivo (W/m2)

1.2 1.0

Escenario A Escenario B Escenario C Forzamiento actual (no volc) " " (no volc/solar) " " (GHGs solo)

.8 .6 .4 .2 0.

1984 punto cero

–.2 1980

1985

1990

1995

2000

2005

2010

2015

2020

Año Fig. 6.1 Escenarios presentados al Congreso de los Estados Unidos en 1998 por James Hansen de NASA / GISS (de RealClimate.com, consultado el 1/20/2012. Escenarios de Hansen et al. 1988)

en el siglo veintiuno. El calentamiento global es real, como lo han estado diciendo los científicos del clima al mundo desde al menos los años setenta.

6.2 Puntos de Inflexión Se ha considerado que un punto de inflexión significa que se ha alcanzado un punto más allá del cual no se puede hacer nada para detenerlo. Hansen, de la NASA / GISS, habla sobre niveles de inflexión y puntos de no retorno en lugar de puntos de inflexión. El nivel de inclinación es el nivel de gases de efecto invernadero que conducirá a efectos grandes, indeseables e incluso desastrosos. La Tierra ha alcanzado el nivel de inclinación por varios efectos importantes. Es por eso que, según Hansen, debemos volver a las cantidades de CO2 al menos a 350 ppm y posiblemente más bajas (en junio de 2012 el nivel de CO2 era de 396 y 400 ppm en el Ártico). El punto de no retorno es cuando la dinámica del proceso se hace cargo y el proceso, como la desaparición del hielo, está fuera de control y no se puede hacer nada para detenerlo; Un ejemplo es una capa de hielo o un glaciar que se está desintegrando debido a la retroalimentación positiva y el calentamiento que ya está en la tubería. Desafortunadamente, el hielo marino del verano ártico ha llegado al punto en que desaparecerá en las próximas décadas.

6.3 Registros de Temperatura

139

El hielo marino del Ártico ha alcanzado su punto de inflexión y desaparecerá sin importar lo que hagan los humanos para tratar de salvarlo. El hielo marino del Ártico se encuentra en el punto de no retorno y, sin duda, tendrá graves efectos en los patrones de tiempo mundiales, especialmente en el hemisferio norte, cuando todo desaparezca.

6.3 Registros de Temperatura La idoneidad y fiabilidad de los datos de temperatura y el método de cálculo de la temperatura media anual de la Tierra se han cuestionado desde que se calculó la primera temperatura media anual. El cálculo de una temperatura media anual debe realizarse de acuerdo con normas muy estrictas acordadas por grupos internacionales de científicos del clima y publicadas en la literatura revisada por pares para que otros puedan replicarlas y justificarlas. Esto fue hecho inicialmente por Hansen y sus compañeros de trabajo en NASA/GISS. Su metodología ha sido reivindicada por el profesor Muller y su equipo de Berkeley. Hay tres reconstrucciones bien conocidas de la temperatura media mensual de la superficie global a partir de datos instrumentales: el análisis GISTEMP de la NASA, el análisis CRUTEM (de la Unidad de Investigación Climática de la Universidad de East Anglia) y un análisis del Centro Nacional de Datos Climáticos de NOAA (NCDC). Estos tres análisis de datos de temperatura global son casi idénticos. La deficiencia principal está en los datos de CRUTEM que no incluyen datos polares suficientes y, por lo tanto, tiene un sesgo de calentamiento definido. Ahora hay un cuarto, el análisis de BEST equipo. Los cuatro análisis utilizan datos de la Red Global de Climatología Histórica (GHCN, por sus siglas en inglés) y los cuatro brindan una reconstrucción solo en la estación terrestre y, a excepción del estudio BEST, una reconstrucción combinada tierra-océano que incluye mediciones de temperatura de la superficie del mar. El GHCN recopila datos de más de 40,000 estaciones que se distribuyen en todos los continentes y es la mayor colección de datos climatológicos diarios en el mundo. El total de 1.400 millones de valores de datos incluye 250 millones de valores cada uno para temperaturas máximas y mínimas, 500 millones de precipitaciones totales y 200 millones de observaciones cada uno para nevadas y profundidades de nieve. Los registros de las estaciones, algunos de los cuales se remontan al siglo XIX, se actualizan diariamente cuando sea posible y generalmente están disponibles 1-2 días después de la fecha y hora de la observación. Todos los registros están sujetos a intensos controles de calidad y controles de calidad. Todos los datos de temperatura están disponibles al público y muchos científicos han realizado análisis independientes. Sus resultados son idénticos a los de las entidades indicadas anteriormente si se utilizan métodos objetivos de análisis con el QA/QC adecuado para cada paso. Además de las organizaciones de análisis y recopilación de datos anteriores, también existe el Centro Europeo para Pronósticos Meteorológicos de Mediano Alcance (ECMWF) que recopila datos de temperatura y otros datos relacionados con el clima y varias otras organizaciones europeas que recopilan datos de temperatura. La Universidad de Alabama, Huntsville (UAH) y Sistemas de Teledeteción (RSS) realizan análisis de datos satelitales. La Asociación Meteorológica de Japón (JMA) también realiza análisis de datos de temperatura al igual que otras agencias de todo el mundo. Cada agencia informa tendencias similares en la temperatura que nos dicen que la temperatura global del planeta Tierra está aumentando.

140

Temperatura de la Superficie Terrestre

6.4 Reducción de Datos Debido a las enormes cantidades de temperatura y otros datos relacionados con los climas disponibles en todo el mundo, la reducción de datos es necesaria. Sin embargo, la reducción de datos no puede ser aleatoria y debe seguir las pautas acordadas por los organismos internacionales. La reducción de datos se define como la transformación de información digital numérica o alfabética derivada empírica o experimentalmente en una forma corregida, ordenada y simplificada. Cuando la información se deriva de lecturas de instrumentos, puede haber una conversión de forma analógica a digital. Sin embargo, la mayoría de los datos de hoy están en forma digital; ha sido adquirido o convertido, analizado y reportado digitalmente.

La reducción de datos tiene dos significados: (1) Reducción de datos al disminuir la dimensión (estadísticas exploratorias multivariadas), y (2) Reducción de datos por disminución imparcial del tamaño de la muestra (gráficos exploratorios). A veces, trazar un conjunto de datos extremadamente grande puede oscurecer un patrón existente. Cuando uno tiene un archivo de datos muy grande, puede ser útil trazar solo un subconjunto de datos para que el patrón no quede oculto por la cantidad de marcadores de puntos. Estas definiciones de "reducción de datos" son definiciones estadísticas y se pueden encontrar en muchos libros de texto sobre estadísticas básicas o en el siguiente sitio web: http: // www. statsoft.com/textbook/statistics-glossary/d/?butto n=0#DataReduction.

6.5 Análisis de Datos Con cantidades masivas de datos, incluso con reducción de datos, todavía hay cantidades masivas de datos de temperatura para clasificar. Se utilizan técnicas estadísticas básicas para analizar estos datos. Se utilizan máximos y mínimos con medias aritméticas y desviaciones estándar junto con pruebas de significación de los datos. Se realizan pruebas de correlación y calidad de estos datos. El método de análisis documentado por Hansen y Lebedeff en 1981 mostró que la correlación del cambio de temperatura era razonablemente fuerte para estaciones separadas por hasta 1,200 km, especialmente en latitudes medias y altas. Este es el modelo utilizado por GISS para el análisis actual de datos climáticos, con numerosas actualizaciones a medida que avanza el análisis de datos.

6.6 Herramientas de análisis de datos climáticos (CDAT) El Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ha desarrollado un paquete de software que se utiliza específicamente para el análisis de datos climáticos llamado CDAT (Herramientas de análisis de datos climáticos). Este paquete de software es: • Desarrollado en el Programa de Diagnóstico e Intercomparación de Modelos Climáticos (PCMDI); • Diseñado para datos de ciencia climática; • Operaciones de análisis, conversión, configuración secundaria y matriz; • Sistema de visualización (VCS, Xmgrace, VTK);

6.9 Historia del Desarrollo de la Temperatura Media Global

141

• Interfaz gráfica de usuario (VCDAT); • Representación XML (CDML) para conjuntos de datos; • Integrado con otros paquetes (como LAS y OPeNDAP); • De código abierto y gratuito. CDAT es un software de dominio público y está disponible para su descarga en el siguiente sitio web: http://www2-pcmdi.llnl.gov/cdat. Otros paquetes de software para el análisis de datos están disponibles en línea y son de dominio público y pueden descargarse.

6.7 Informes de Datos El informe de datos es esencial para informar a la comunidad científica y al público en general sobre lo que está haciendo el clima de la Tierra; si la Tierra se está calentando o enfriando, dónde es más probable que las tormentas aumenten junto con su intensidad, dónde ocurrirá la desertificación, etc. Estas preguntas a menudo se responden mediante el uso de modelos climáticos (véase el Capítulo 18). Los informes de los resultados del análisis de datos generalmente se publican en las principales revistas científicas revisadas por pares, como Nature, Science, Journal of Climatology, etc., ya sea en línea, en papel o ambos, y se almacenan en los principales sitios de archivo y están disponibles en su propio sitio web.

6.8 Temperaturas Medias de la Tierra En la década de 1970, se hizo evidente que se necesitaba un método para llegar a una temperatura anual promedio para la Tierra a fin de comparar la temperatura promedio anual con las temperaturas promedio de otros años. Solo de esta manera se podría calcular una tendencia o tendencias para determinar si la Tierra se estaba enfriando, calentando o manteniéndose igual año tras año. Hansen y sus colegas en 1981 demostraron que, contrariamente a las impresiones de las latitudes del norte que indicaban un ligero enfriamiento, el enfriamiento global después de 1940 fue pequeño, y en realidad hubo un calentamiento global neto de aproximadamente 0.4 °C entre las décadas de 1880 y 1970. Los métodos utilizados por los científicos de GISS se pueden encontrar y descargar en el siguiente sitio web: http://data.giss.nasa.gov/gistemp/.

6.9 Historia del Desarrollo de la Temperatura Media Global El método de análisis desarrollado por los científicos de GISS obtuvo estimaciones cuantitativas del error en el cambio de temperatura promedio anual y de 5 años mediante el muestreo en ubicaciones de estaciones que permitieron un conjunto de datos relativamente completo que mostró una variabilidad realista del espacio (espacial) y del tiempo (temporal) .

142

Temperatura de la Superficie Terrestre

Derivaron una estimación de error que solo abordaba el error debido a una cobertura espacial incompleta de las mediciones. Como existen otras posibles fuentes de error, como el calentamiento urbano cerca de estaciones meteorológicas, etc., se han utilizado muchos otros métodos para verificar la magnitud aproximada del calentamiento global inferido, el último de los cuales es la metodología muy completa desarrollada por Berkeley Earth. Estudio de temperatura de superficie (BEST) que se discutió en el cap. 4. Estos métodos incluyen la inferencia del cambio de temperatura de la superficie a partir de perfiles de temperatura vertical en el suelo (perforaciones) en muchos sitios en todo el mundo, la tasa de retroceso de los glaciares en muchos lugares y estudios de varios grupos sobre el efecto de las influencias humanas urbanas y locales en el registro de temperatura global. Todos estos arrojan estimaciones consistentes de la magnitud aproximada del calentamiento global, que ahora representa aproximadamente el doble de la magnitud que informó GISS en 1981, o alrededor de 0,8 °C. El estudio BEST concluyó que el calentamiento ha sido del orden de 0,91 °C desde la década de 1950. Otra afirmación de la realidad del calentamiento es su distribución espacial, que tiene los valores más grandes en lugares remotos de cualquier influencia humana local, con un patrón global consistente con el esperado para la respuesta a los forzamientos climáticos globales; más grande en el hemisferio norte que en el hemisferio sur, más grande en latitudes altas que en latitudes bajas, y más grande en tierra que en océano. Se realizaron algunas mejoras en el análisis original, incluido el uso de luces nocturnas observadas por satélite para determinar qué estaciones están ubicadas en áreas urbanas y casi urbanas, ajustándose las tendencias a largo plazo de esas estaciones para que estén de acuerdo con las tendencias a largo plazo de las zonas rurales cercanas estaciones

6.10 Método de Análisis Actual El análisis de temperatura utilizado hoy utiliza luces nocturnas observadas por satélite para identificar estaciones de medición ubicadas en la oscuridad extrema y ajusta las tendencias de temperatura de las estaciones urbanas y cercanas a las urbanas para factores no climáticos, verificando que los efectos urbanos en el cambio global analizado sean pequeños. Se prueban opciones alternativas para los datos oceánicos.

Los científicos de GISS mostraron que la temperatura global es sensible al cambio de temperatura estimado en las regiones polares, donde las observaciones son limitadas. Sugirieron el uso de la temperatura media de funcionamiento de 12 meses (n×12) para eliminar completamente el ciclo anual y mejorar el contenido de información en los gráficos de temperatura. Concluyeron que la temperatura global continuó aumentando rápidamente en la última década, a pesar de las grandes fluctuaciones de año en año asociadas con el ciclo El Niño-La Niña de la temperatura de los océanos tropicales, discutido más adelante en el Capítulo. 13. Registre una temperatura global alta durante el período con datos instrumentales alcanzados en 2010. El análisis actual se basa ahora en los datos ajustados de GHCN v3 para los datos sobre tierra y en el ERSST de NOAA / NCDC para datos sobre los océanos. El análisis de temperatura se limita al período desde 1880 debido a la escasa cobertura espacial de las estaciones y a la disminución de la calidad de los datos antes de ese momento. Los datos de la estación meteorológica proporcionan una indicación útil del cambio de temperatura en los extratrópicos del hemisferio norte durante algunas décadas antes de 1880,

6.10 Método de Análisis Actual

143

y hay un pequeño número de registros de estaciones que se remontan a siglos anteriores. Sin embargo, los científicos de GISS piensan que los análisis de estos años anteriores deben llevarse a cabo estación por estación con el intento de discernir el método y la confiabilidad de las mediciones en cada estación. Los estudios globales de tiempos aún más antiguos dependen de la incorporación de medidas proxy (sustitutivas) del cambio de temperatura. El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC AR4 2007) emitió la siguiente declaración: "Los aumentos globales en la concentración de dióxido de carbono se deben principalmente al uso de combustibles fósiles y al cambio en el uso de la tierra, mientras que los de metano y óxido nitroso se deben principalmente a la agricultura". El informe continúa señalando que estos hallazgos vienen con una "tasa de confianza muy alta de que el efecto neto promedio global de las actividades humanas desde 1750 ha sido uno de calentamiento. El calentamiento del sistema climático es inequívoco, como lo demuestran las observaciones de aumentos en la temperatura media mundial del aire y del océano, el derretimiento generalizado de la nieve y el hielo y el aumento del nivel medio del mar en el mundo. La conclusión del IPCC de que el "calentamiento global es inequívoco" y que existe una tasa muy alta de confianza de que es el resultado de las actividades humanas desde 1750 (o el comienzo de la Revolución Industrial) es difícil. Todos los análisis de temperatura indican que durante las últimas dos décadas (1990-1999 y 2000-2009, a partir de junio de 2012), las temperaturas de la tierra promediadas a nivel mundial han sido más altas que en dos décadas en los últimos 150 años. En los últimos 100 años (desde 1912), se ha observado un aumento de la temperatura global de 0.45 ° C por cada 100 años. Dado que la interpretación del aumento de la temperatura es un tema clave para el calentamiento global, la precisión de los datos debe considerarse cuidadosamente. Varios problemas potenciales pueden haber afectado el registro de temperatura de la tierra, como sigue: • La cobertura espacial de los datos es incompleta (como siempre lo será; es imposible tener una cobertura completa a menos que sea por más de un satélite) y varía considerablemente; • La descomposición de los instrumentos satelitales; Cuando un instrumento satelital se descompone, se envía otro para reemplazarlo y siempre hay una pregunta si los datos nuevos son los mismos que los datos anteriores; existen métodos estadísticos que se utilizan para probar los dos conjuntos de datos; • Se han producido cambios en los horarios y prácticas de observación; • Se han producido cambios en la exposición de los termómetros; • Las estaciones de grabación han cambiado sus ubicaciones; • Se han producido cambios en el entorno, especialmente en la urbanización, alrededor de muchas estaciones de grabación (este es el "efecto isla de calor").

Los posibles problemas con los datos de temperatura proporcionados anteriormente se han explicado en gran medida en los conjuntos de datos utilizados para las cifras anuales, por década y mensuales, como lo demuestran los resultados de BEST. Los océanos comprenden aproximadamente el 71% de la superficie de la Tierra. Obviamente, una compilación de las variaciones de temperatura global debe incluir las temperaturas de la superficie del océano, así como las lecturas de las estaciones terrestres. Los científicos han creado análisis históricos de las temperaturas globales de la superficie del mar (TSM) que se derivan principalmente de las observaciones tomadas por barcos comerciales y la información más reciente de los flotadores Argo.

144

Temperatura de la Superficie Terrestre

6.11 Anomalías de Temperatura Los datos de temperatura se informan como anomalías en comparación con un estándar de cero grados (0o) que es la temperatura promedio durante un rango de años (como se indica en la figura 2.1 como 1951-1980). Las temperaturas se dan como medios aritméticos anuales, ya sea por encima o por debajo del estándar para ese gráfico. En la Fig. 2.1, las medias anuales (promedios) están a lo largo de la línea negra continua con una media continua de 5 años indicada por la línea negra. La anomalía de temperatura se refiere a la desviación del promedio de la temperatura global. El término "anomalía de temperatura" significa una desviación de un valor de referencia o temperatura promedio a largo plazo; La salida de una norma. Una anomalía positiva indica que la temperatura observada fue más cálida que el valor de referencia, mientras que una anomalía negativa indica que la temperatura observada fue más fría que el valor de referencia. El valor de referencia es el promedio o valor de la media aritmética de un período de tiempo dado, como la temperatura media de 1991 a 2000. La temperatura global se calcula utilizando anomalías porque proporcionan una imagen más precisa del cambio de temperatura que las lecturas reales de temperatura bruta. Al calcular una temperatura promedio para una región, factores como la ubicación de la estación o la elevación afectan los datos, pero cuando se observa la diferencia del promedio para esa misma ubicación, esos factores son menos críticos. Por ejemplo, mientras que la temperatura real en la cima de una colina será diferente a la de un valle cercano en un día o mes determinado, las estaciones en ambos lugares mostrarán una tendencia similar en la temperatura cuando calcules el cambio de temperatura en comparación con el promedio de Esa estación. Lo importante es el cambio, no las temperaturas brutas. El uso de anomalías también ayuda a minimizar los problemas cuando se agregan o eliminan estaciones de la red de monitoreo. En las zonas montañosas, la mayoría de las observaciones provienen de los valles habitados, por lo que también se debe considerar el efecto de la elevación sobre la temperatura promedio de una región. Por ejemplo, un mes de verano en un área puede ser más frío que el promedio, tanto en la cima de una montaña como en un valle cercano, pero las temperaturas absolutas serán bastante diferentes en los dos lugares. El uso de anomalías en este caso mostrará que las temperaturas en ambos lugares estaban por debajo del promedio. El uso de valores de referencia calculados en escalas más pequeñas y locales durante el mismo período de tiempo establece una línea de base a partir de la cual se calculan las anomalías. Esto normaliza eficazmente los datos para que puedan compararse y combinarse para representar de forma más precisa los patrones de temperatura con respecto a lo que es normal para diferentes lugares dentro de una región. Por estas razones, los resúmenes de áreas extensas incorporan anomalías, no la temperatura en sí. Las anomalías describen con mayor precisión la variabilidad climática en áreas más grandes que las temperaturas absolutas, y proporcionan un marco de referencia que permite comparaciones más significativas entre ubicaciones y cálculos más precisos de las tendencias de temperatura. La figura 2.1 muestra las temperaturas como anomalías. El índice de temperatura es simplemente el método de establecer las temperaturas como anomalías de temperatura en lugar de temperaturas brutas reales. Las temperaturas combinadas de la tierra y el océano han aumentado de manera bastante diferente en los dos hemisferios.

6.11 Temperature Anomalies

145

Un rápido aumento en la temperatura del hemisferio norte durante las décadas de 1920 y 1930 contrasta con un aumento más gradual en el hemisferio sur. Ambos hemisferios tuvieron temperaturas relativamente estables desde la década de 1940 hasta la de 1970, aunque hay alguna evidencia de enfriamiento en el hemisferio norte durante las décadas de 1960 y 1970. Desde la década de 1960 en el hemisferio sur, pero después de 1975 en el hemisferio norte, las temperaturas han aumentado considerablemente. Si bien los registros promediados a nivel mundial ofrecen un medio para evaluar el cambio climático, es importante reconocer que representan una simplificación excesiva. Existen diferencias regionales y regionales importantes en cuanto a la extensión y el momento del calentamiento. Además, las temperaturas invernales y las mínimas nocturnas pueden haber aumentado más que las temperaturas de verano y las máximas diurnas. Uno de los factores más importantes en la ciencia del cambio climático, por supuesto, es la temperatura global. La temperatura se registra en la mayoría de las partes del mundo por estaciones meteorológicas, boyas, satélites, barcos, globos y cohetes. Los registros de temperatura global se remontan al registro escrito de la humanidad, antes de la invención del termómetro, pero estos registros anteriores son, por supuesto, anecdóticos. La Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio de EE. UU. (NASA) y la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de EE. UU. (NOAA) publicaron sus evaluaciones finales de temperaturas globales en 2011 el 20 de enero de 2012. Proporcionan dos de los más antiguos y confiables evaluaciones anuales del clima, utilizando datos del Instituto Goddard de Estudios Espaciales (GISS) y el Centro Nacional de Datos Climáticos (NCDC). Si bien siempre habrá ligeras diferencias (debido a que utilizan metodologías e instrumentos ligeramente diferentes para recopilar los datos), sus tendencias, así como las de otras bases de datos de temperatura notables, se alinean estrechamente. El gráfico a continuación (Fig. 6.2) es un gráfico construido en 2010 de anomalías de temperatura global a partir de estas bases de datos (así como algunas otras) desde 1890, para dar un ejemplo gráfico de su correlación. Las observaciones instrumentales en los últimos 160 años muestran que las temperaturas en la superficie de la Tierra han aumentado a nivel mundial, con importantes variaciones regionales. Para el promedio global, el calentamiento en el último siglo se produjo en dos fases, desde la década de 1910 hasta la década de 1940 (0.35 °C), y más fuertemente desde la década de 1970 hasta la actualidad (0.55°C), un total de 0.90°C. Se ha producido un aumento de la tasa de calentamiento en los últimos 25 años, y 12 de los 13 años más cálidos registrados han ocurrido en los últimos 13 años (incluido 2010, que está vinculado con 2005 como el año más cálido registrado). Sobre la superficie, las observaciones globales desde finales de la década de 1950 muestran que la tropoesfera (desde la superficie de la Tierra hasta una altitud de aproximadamente 10 km) se ha calentado a un ritmo ligeramente mayor que la superficie, mientras que la estratosfera (desde una altitud de aproximadamente 10-30 km) se ha enfriado notablemente desde 1979. Esto está de acuerdo con las expectativas físicas y la mayoría de los resultados del modelo si el calentamiento es causado por el efecto invernadero. La estratosfera se enfría debido al calor que queda atrapado cerca de la superficie. La confirmación del calentamiento global proviene del calentamiento de la tierra y los océanos, la destrucción de los arrecifes de coral (a menudo denominados blanqueamiento), el aumento del nivel del mar, el derretimiento de los glaciares, la retirada del hielo marino y la desaparición en el Ártico, la disminución de la capa de nieve en el hemisferio norte, el creciente extinción de especies, el derretimiento de per-mafrost y la migración de flora y fauna a áreas que se están calentando; es decir,

146

Temperature Anomaly in Degrees C

Anomalía de temperatura en grados C

0.1 0

Diversas Mediciones de Temperatura Global (133 promedio mensual)

GISS

–0.1

HADCRUT

–0.2

NOAA

–0.3

RSS

–0.4

Temperatura de la Superficie Terrestre

UAH

–0.5 –0.6 –0.7 –0.8 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Año

Fig. 6.2 Anomalías de temperatura en grados Celsius desde 1890 hasta 2010. GISS Goddard Institute of Space Studies, HADCRUT Hadley Center Climate Research Unit Temperature, NOAA National Oceananographic and Atmospheric Administration, RSS Remote Sensing Systems, UAH University of Alabama en Huntsville (de SkepticalScience.com, visto 1/21/2012)

a altitudes más altas y latitudes más altas. El calentamiento global está causando un aumento en la extinción de especies en aquellos organismos que no pueden migrar, migrar lo suficientemente rápido o adaptarse. Existe cierta preocupación de que la Tierra pueda estar experimentando el inicio de la sexta gran extinción masiva que ha sufrido el planeta desde que comenzó la vida. No existe un termómetro único para medir la temperatura global. En cambio, las mediciones individuales se toman varias veces al día en varios miles de estaciones sobre las áreas terrestres del mundo y se combinan con miles de mediciones más de la temperatura de la superficie del mar tomadas de boyas y barcos que se mueven sobre los océanos para producir una estimación de temperatura media global cada mes. Los científicos tienen que trabajar con los datos que adquieren, observan o han recopilado del pasado y analizan la exactitud de esos datos con las mejores herramientas disponibles para ellos; luego tome decisiones sobre si usar esos datos o no, dependiendo de su precisión. Esta es la razón por la cual se dan niveles de incertidumbre en la mayoría de las cifras que representan datos de temperaturas pasadas. Antes del desarrollo de instrumentos para registrar temperaturas, la palabra escrita se usaba para revelar el tiempo y la temperatura. Hacía "inusualmente frío en Londres este invierno" o "inusualmente cálido". Poco después de la invención del termómetro a principios del siglo XVII, comenzaron los esfuerzos para cuantificar y registrar la temperatura. La primera red meteorológica se formó en el norte de Italia en 1653 y se publicaron informes de observaciones de temperatura en las primeras publicaciones científicas. En la última parte del siglo XIX, se realizaban observaciones sistemáticas de la temperatura y el tiempo en casi todas las áreas habitadas del mundo.

6.11 Anomalías de Temperatura

147

La coordinación internacional de observaciones meteorológicas desde barcos comenzó en 1853. La Organización Meteorológica Internacional (OMI) se formó en 1873. Su sucesor, la Organización Meteorológica Mundial (OMM), trabaja para promover, mantener y distribuir observaciones meteorológicas estandarizadas. Incluso hoy, con observaciones uniformes, todavía hay cuatro obstáculos principales para convertir las observaciones instrumentales en series de tiempo globales precisas para la temperatura: 1. 2. 3. 4.

Acceso a los datos en formato utilizable. Gran parte de los datos anteriores no estaban en un formato estándar y tenían que estandarizarse; Control de calidad para eliminar o editar puntos de datos erróneos. Esto se hace para asegurar y aumentar la precisión; Garantía de calidad. Evaluaciones y ajustes de homogeneidad cuando sea necesario para asegurar la Þdelidad de los datos; y Promedio de área en presencia de brechas sustanciales.

Recientemente se ha hecho mucho sobre el efecto de El Niño y La Niña en los modelos climáticos y los cálculos de temperatura global. La siguiente ilustración (Fig. 6.3) correlaciona la temperatura global y el índice El Niño - La Niña. También muestra las tres principales erupciones volcánicas de finales del siglo XX (desde 1960) y su efecto sobre la temperatura global. Las grandes erupciones volcánicas que hacen que las partículas volcánicas permanezcan en la atmósfera tienen un efecto de enfriamiento que puede durar aproximadamente 2 años. Como la mayoría de la tierra en la Tierra se encuentra en el hemisferio norte, los registros de temperatura anteriores son más abundantes y completos de esta parte del globo que del hemisferio sur. Los datos de temperatura más recientes muestran una mayor cobertura global. La siguiente ilustración (Fig. 6.4) muestra el cambio en el forzamiento climático de 1978 a 2008 en el hemisferio norte. Una consecuencia de trabajar solo con el cambio de temperatura es que el análisis no produce estimaciones de temperatura absoluta. Para aquellos que requieren una temperatura media global absoluta, los científicos de la NASA / GISS han estimado la temperatura media global del aire en la superficie de 1951-1980 como 14 °C con incertidumbre varias décimas de grado Celsius. Ese valor se obtuvo mediante el uso de un modelo climático global para llenar todas las temperaturas en puntos de la cuadrícula sin observaciones, pero es consistente con los resultados basados en datos de observación. Se discuten diferentes tipos de modelos climáticos en el capítulo. 18) Los científicos de la NASA / GISS descubrieron que la correlación de los registros de temperatura de las estaciones vecinas no tenía una dependencia significativa en la dirección entre las estaciones. También examinaron la sensibilidad de la temperatura global analizada al límite elegido para el radio de influencia de la estación (1,200 km). La anomalía de la temperatura media global fue insensible a esta elección para el rango de 250 a 2,000 km. El efecto principal es suavizar el mapa de anomalías de temperatura global a medida que aumenta el radio de influencia. Sin embargo, los mapas globales de anomalías de temperatura que utilizan un pequeño radio de influencia son útiles para detectar estaciones con un registro de temperatura que es inconsistente con las estaciones en regiones vecinas. El análisis estándar de GISS interpola entre mediciones de estaciones y extrapola anomalías hasta 1,200 km en regiones sin estaciones de medición como lo describen Hansen y Lebedeff.

Anomalía de Temperatura Global e Indice de Nino (° C)

148 .8

Tierra Global-Océano

.6 .4 .2 .0 –.2 –.4 2 0 –2 1950

Nino 3.4 1960

1970

1980

1990

2000

2010

Fig. 6.3 Curva azul: temperatura global promedio de funcionamiento de 12 meses. Observe la correlación con el índice Niño (rojo = El Niño, azul = La Niña). Los volcanes grandes (verdes) tienen un efecto de enfriamiento durante ~ 2 años (NASA / GISS, Public Domain)

Forzamiento criosférico (W/m2) –40

–30

–20

–10

Cambio en forzamiento (W/m2) 0

–8

–4

Fig. 6.4 El cambio en el clima forzando en el hemisferio norte. La imagen de la izquierda muestra la cantidad de energía que la nieve y el hielo del hemisferio norte reflejaron en promedio entre 1979 y 2008. El azul oscuro indica más energía reflejada, en vatios por metro cuadrado (W m − 2), y por lo tanto más enfriamiento. La capa de hielo de Groenlandia refleja más energía que cualquier otra ubicación en el hemisferio norte. El segundo mayor contribuyente al enfriamiento es la capa de hielo marino sobre el Océano Ártico. La imagen de la derecha muestra cómo la energía reflejada por la criosfera ha cambiado entre 1979 y 2008. Cuando la nieve y el hielo desaparecen, son reemplazados por la tierra o el océano oscuro, que absorben más energía que el hielo. La imagen muestra que el hemisferio norte está absorbiendo más energía, particularmente a lo largo de los bordes exteriores del Océano Ártico, donde el hielo marino ha desaparecido, y en las montañas de Asia Central (NASA, Public Domain)

6.12 Historia de Registros de Temperatura

149

Las regiones resultantes con anomalías de temperatura definidas se utilizan para calcular un historial de anomalías de temperatura para grandes zonas de latitud. Las primeras versiones del método de análisis GISS calcularon la serie temporal de anomalías de temperatura global como el promedio de estas varias zonas de latitud, con cada zona ponderada por el área con anomalía de temperatura definida. Esa definición puede dar como resultado que la anomalía de la temperatura global difiera de la anomalía promedio de los dos hemisferios en varias centésimas de grado durante las primeras décadas (1880-1920) cuando la cobertura espacial era especialmente pobre.

6.12 Historia de Registros de Temperatura Los registros de temperatura tomados en la superficie de la Tierra son críticos para la interpretación del cambio climático. ¿Estos registros indican que la Tierra se está enfriando, calentándose o manteniéndose estable? ¿Más registros de temperatura permiten cálculos más precisos de una temperatura global anual? A continuación se analiza una breve historia de los registros de temperatura que se utilizan para las tendencias de temperatura. Wladimir Köppen, un climatólogo alemán, fue el primer científico (en 1881) en superar muchos de los obstáculos en la recopilación de datos de temperatura en un esfuerzo por estudiar el efecto de los cambios en las manchas solares. Köppen consideró que el examen de la temperatura media anual es una técnica adecuada para el control de calidad de estaciones lejanas. Usando datos de más de 100 estaciones, Köppen promedió las observaciones anuales en varios cinturones de latitud principales y luego promedió el área en una serie temporal de temperaturas casi global. Guy Stewart Callendar (1938), un ingeniero e inventor inglés, produjo la siguiente serie temporal de temperatura global expresamente para investigar la influencia del CO 2 en la temperatura. Callendar examinó unos 200 registros de estaciones. Solo una pequeña porción de ellos se consideró defectuosa. Después de eliminar dos estaciones del Ártico porque no tenía estaciones de compensación de la región antártica, creó un promedio global utilizando datos de 147 estaciones. La mayoría de los datos de Callendar provienen de los Registros Mundiales Meteorológicos (“World Weather Records” o WWR). Iniciado por una resolución en la Conferencia de la OMI de 1923, WWR fue una empresa internacional monumental que producía un volumen mensual de 1.196 páginas de datos de temperatura, precipitación y presión mensuales de cientos de estaciones en todo el mundo, algunas con datos que comenzaron a principios del siglo XIX. A principios de la década de 1960, los científicos tenían estos datos digitalizados en el Centro Nacional de Datos Climáticos (NCDC) de EE.UU. El proyecto WWR continúa hoy bajo los auspicios de la OMM con la publicación digital de actualizaciones de décadas para los registros climáticos de miles de estaciones en todo el mundo. H.C. Willett (1950) también usó WWR como la principal fuente de datos para 129 estaciones que se usaron para crear una serie temporal de temperatura global que se remonta a 1845. Mientras que la resolución que inició WWR exigía la publicación de registros largos y homogéneos, Willett avanzó un paso más al seleccionar cuidadosamente un subconjunto de estaciones con un registro tan continuo y homogéneo como sea posible de la actualización más reciente de WWR, que incluía datos hasta 1940. Para evitar sobrevalorar ciertas áreas como Europa, solo un registro, el "mejor" disponible,

150

Temperatura de la Superficie Terrestre

se incluyó de cada cuadrado de 10° de latitud y longitud. Los datos mensuales de la estación se promediaron en períodos de 5 años y luego se convirtieron en anomalías con respecto al período de 5 años 1935-1939. La anomalía de cada estación recibió el mismo peso para crear la serie de tiempo global. Callendar creó una nueva serie temporal de temperatura casi global en 1961 y citó a Willett como guía para algunas de sus mejoras. Callendar evaluó 600 estaciones con aproximadamente tres cuartos de ellas pasando sus controles de calidad. En un momento desconocido para Callendar, un ex alumno de Willett, Mitchell en 1963 había creado su propia serie actualizada de temperatura global utilizando un poco menos de 200 estaciones y promediando los datos en bandas de latitud. Mientras tanto, la investigación en Rusia avanzaba con un método muy diferente para producir series de tiempo a gran escala. Mikhail Budyko usó mapas suavizados y dibujados a mano de anomalías de temperatura mensuales como punto de partida. Si bien está restringido al análisis del hemisferio norte, este enfoque basado en mapas no solo permitió la inclusión de un número creciente de estaciones a lo largo del tiempo (por ejemplo, 246 en 1881, 753 en 1913, 976 en 1940 y aproximadamente 2,000 en 1960) sino también utilización de datos sobre los océanos. Se ha invertido un gran esfuerzo para aumentar el número de estaciones y digitalizar los datos históricos de las estaciones, así como para abordar el problema continuo de adquirir datos actualizados; puede haber un largo tiempo de retraso entre hacer una observación y la entrada de datos en conjuntos de datos globales. Durante las décadas de 1970 y 1980, varios equipos produjeron series temporales de temperatura global. Los avances especialmente dignos de mención durante este período incluyen la interpolación espacial extendida y la técnica de promediación de estaciones de los científicos de GISS y la minuciosa evaluación de homogeneidad y ajustes de CRU del Centro Hadley para dar cuenta de las discontinuidades en el registro de cada una de las miles de estaciones en un dato global conjunto. Desde entonces, los conjuntos de datos globales y nacionales se han ajustado rigurosamente para la homogeneidad utilizando una variedad de enfoques estadísticos.

6.13 Temperaturas de la Superficie del Mar (SSTs) A medida que se reconocía cada vez más la importancia de los datos oceánicos, se inició un gran esfuerzo para buscar, digitalizar e iniciar el control de calidad de los archivos históricos de datos oceánicos. Desde entonces, este trabajo se ha convertido en el Conjunto Internacional de Datos Integrales de la atmósfera oceánica (ICOADS), que ha coordinado la adquisición, digitalización y síntesis de datos que van desde transmisiones de buques mercantes japoneses hasta los libros de registro de barcos balleneros sudafricanos. La cantidad de temperatura de la superficie del mar (TSM) y los datos relacionados adquiridos continúan aumentando a medida que se agregan más puntos de datos en todo el Océano Mundial. La Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de los Estados Unidos mantiene una página web del Centro Nacional de Boya de Datos (NDBC) (http://www.ndbc.noaa.gov/). Parte de NDBC es la matriz flotante global Argo junto con el sistema de altímetro satelital Jason.

6.13 Temperaturas de la Superficie del Mar (SSTs)

151

Juntos, los conjuntos de datos de Argo y Jason se asimilarán en modelos informáticos desarrollados por el Global Ocean Data Assimilation Experiment (GODAE) que permitirán evaluar la capacidad de los científicos para pronosticar el clima oceánico. ICOADS ofrece datos marinos de superficie que abarcan los últimos tres siglos, y productos resumidos mensuales simples en cuadrícula para cajas de 2° latitud por 2° longitud hasta 1,800 (y 1° por 1° cajas desde 1960); Estos datos y productos se distribuyen en todo el mundo. Como contiene observaciones de muchos sistemas de observación diferentes que abarcan la evolución de la tecnología de medición a lo largo de cientos de años, ICOADS es probablemente la colección más completa y heterogénea de datos marinos de superficie que existe. Tan fundamental como es el trabajo de datos básicos de ICOADS, ha habido otros dos avances importantes en los datos de SST. El primero fue ajustar las primeras observaciones para hacerlas comparables a las observaciones actuales. Antes de 1940, la mayoría de las observaciones de TSM se realizaban desde barcos al transportar un balde en la cubierta llena de agua superficial y colocando un termómetro en ella. Esto ya no se hace, pero los datos más antiguos tuvieron que ser revisados. La mayoría de las observaciones del barco se toman en rutas de envío estrechas, por lo que el segundo avance ha sido aumentar la cobertura global de varias maneras. La mejora directa de la cobertura se ha logrado mediante la colocación coordinada internacionalmente de boyas a la deriva y amarradas. Las boyas comenzaron a ser lo suficientemente numerosas como para hacer contribuciones significativas a los análisis de TSM a mediados de la década de 1980 y posteriormente se han incrementado a más de 1,000 boyas que transmiten datos en cualquier momento. Desde 1982, los datos satelitales, anclados a observaciones in situ, han contribuido a una cobertura casi global en tierra y mar. Además, se han utilizado varios enfoques diferentes para interpolar y combinar observaciones terrestres y oceánicas en las series temporales actuales de temperatura global. Para colocar las observaciones instrumentales actuales en un contexto histórico más largo se requiere el uso de datos proxy (los datos proxy en este caso son datos que se derivan de métodos distintos a los registros directos u observaciones de temperatura tales como anillos de árboles anuales, núcleos de hielo, radiometría y relaciones de isótopos). La NOAA de EE. UU. Mantiene los registros SST; y estos se pueden encontrar en el sitio web de NOAA: http://www.noaa.gov. A pesar del hecho de que muchas observaciones recientes son digitalizadas y automáticas, la gran mayoría de los datos que entran en los cálculos de la temperatura de la superficie global (más de 400 millones de lecturas individuales de termómetros en estaciones terrestres y más de 140 millones de observaciones individuales in situ de TSM) han dependido de la dedicación de decenas de miles de personas durante más de un siglo. La ciencia del clima tiene una gran deuda con el trabajo de estos observadores individuales de estaciones meteorológicas que registran temperaturas, así como con organizaciones internacionales como la OMI, la OMM y el Sistema Mundial de Observación del Clima (SMOC), que fomentan la toma y el intercambio de altas temperaturas meteorológicas de calidad. A menudo se les ignora y no se les da el crédito que tanto se merecen. La siguiente ilustración (Fig. 6.5) muestra las temperaturas medias estimadas de 1850 a 2005 en el gráfico superior y los mapas inferiores muestran la distribución de temperatura en la superficie de la Tierra (izquierda) y en la troposfera (derecha). Las temperaturas de la troposfera se miden por satélite y varían desde la superficie hasta una altitud de un promedio de 10 km.

152

Temperatura de la Superficie Terrestre

Temperatura media global real estimada (° C)

Diferencia (° C) de 1961-1990

Temperatura Media Global

Periodo Velocidad Años

Media Anual

°C por decada

Serie suavizada 5-95% de barras de error decadal

Tropósfera

Superficie

°C por decada Fig. 6.5 (Arriba) Temperaturas medias anuales globales observadas (puntos negros) junto con valores simples de los datos. El eje de la izquierda muestra anomalías en relación con el promedio de 1961-1990 y el eje de la derecha muestra la temperatura real estimada (°C). Se muestran tendencias lineales a los últimos 25 (amarillo), 50 (naranja), 100 (púrpura) y 150 años (rojo), y corresponden a 1981 - 2005, 1956-2005, 1906-2005 y 18562005, respectivamente. Tenga en cuenta que para períodos recientes más cortos, la pendiente es mayor, lo que indica un calentamiento acelerado. La curva azul es una representación suavizada para capturar las variaciones de década. Para tener una idea de si las fluctuaciones son significativas, se dan rangos de error decadal 5-95% (gris claro) alrededor de esa línea (en consecuencia, los valores anuales exceden esos límites). Los resultados de los modelos climáticos impulsados por los forzamientos radiativos estimados para el siglo XX sugieren que hubo pocos cambios antes de aproximadamente 1915, y que una fracción sustancial del cambio de principios del siglo XX fue contribuido por las influencias naturales, incluidos los cambios de radiación solar, el vulcanismo/ y variabilidad natural. Desde aproximadamente 1940 hasta 1970, la creciente industrialización que siguió a la Segunda Guerra Mundial aumentó la contaminación en el hemisferio norte, contribuyendo al enfriamiento, y los aumentos de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero dominan el calentamiento observado después de mediados de la década de 1970. (Abajo) Patrones de tendencias lineales de temperatura global desde 1979 hasta 2005 estimados en la superficie (izquierda), y para la tropoesfera (derecha) desde la superficie hasta aproximadamente 10 km de altitud, a partir de registros satelitales. Las áreas grises indican datos incompletos. Obsérvese el calentamiento espacialmente más uniforme en el registro troposférico satelital, mientras que los cambios en la temperatura de la superficie se relacionan más claramente con la tierra y el océano (IPCC AR4, 2007)

6.14 Proyecciones de Temperaturas Futuras

153

6.14 Temperatures Proyecciones de Temperaturas Futuras Los científicos del cambio climático usan modelos climáticos con diferentes escenarios para tratar de proyectar climas futuros. Los científicos no predicen climas futuros, pero usan datos y modelos históricos para proyectar escenarios climáticos en el futuro. Los datos históricos se utilizan en la coincidencia histórica (o predicción posterior) porque si un modelo se puede usar para hacer coincidir los eventos climáticos del pasado, se puede usar para proyectar eventos en el futuro, como aumentos de temperatura. Las dos ilustraciones siguientes muestran los resultados de modelos del Tercer Informe de Evaluación del IPCC (IPCC AR3 o TAR, 2001) (Fig. 6.6), y los del Cuarto Informe de Evaluación del IPCC (IPCC AR4, 2007) (Fig. 6.7). El IPCC proporciona "proyecciones" de temperatura como parte de sus informes de evaluación. Estas proyecciones se basan en escenarios que utilizan diversas cantidades de CO2 para impulsar los modelos de circulación global (GCM). Estas proyecciones no son predicciones. El IPCC no hace predicciones. Los científicos pueden intentar predecir el tiempo pero no el clima.

Cambio de Temperatura (°C) (°C)

A1Fl A1B A1T A2 B1 B2 IS92e alto IS92a IS92c bajo

Varios modelos todos sobre SRES Conjunto de modelo todo sobre SRES (TAR método)

Las barras muestran la gama en 2100 producida por varios modelos

0 2000

2020

2040 Año

2060

2080

2100

Fig. 6.6 Esta figura muestra la Figura 9.14 del Tercer Informe de Evaluación (TAR) del IPCC. Muestra proyecciones de temperatura hasta 2100: los resultados son relativos a 1990 y se muestran para 1990-200. Cambios futuros para los seis informes especiales ilustrativos sobre escenarios de emisiones (SRES) utilizando un modelo simple de clima ajustado a siete modelos de circulación general del océano atmosférico (AOGCM). También para comparación, siguiendo el mismo método, se muestran los resultados para IS92a (del TAR). El sombreado azul oscuro representa la envoltura del conjunto completo de 35 escenarios SRES utilizando los resultados medios del conjunto de modelos simples. La envoltura azul claro se basa en el Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos (EE. UU.) (GFDL_R15_a) y la configuración de parámetros del PCM DOE. Las barras muestran el rango de resultados de modelos simples en 2100 para las afinaciones del modelo AOGCM (de IPCC AR3, 2001)

154

Temperatura de la Superficie Terrestre

Fig. 6.7 Emisiones globales de GEI (en GtCO2-eq por año) en ausencia de políticas climáticas adicionales: seis escenarios ilustrativos de marcadores SRES (líneas de colores) y el rango del percentil 80 de escenarios recientes publicados desde SRES (post-SRES) (área sombreada en gris). Las líneas discontinuas muestran la gama completa de escenarios posteriores a SRES. Las emisiones incluyen CO2, CH4, N2O y gases F {WGIII 1.3, 3.2, Figura SPM.4}

6.15 Informe Especial del IPCC Sobre Escenarios de Emisiones (SRES), 2007 A continuación se proporcionan descripciones de los escenarios de emisiones del IPCC según lo establecido en su Informe de emisiones (SRES, 2007) A1, A2, B1 y B2. A1. El escenario A1 describe un mundo futuro de crecimiento económico muy rápido, una población global que alcanza su punto máximo a mediados de siglo y declina a partir de entonces, y la rápida introducción de tecnologías nuevas y más eficientes. Los principales temas subyacentes son la convergencia entre regiones, el desarrollo de capacidades y el aumento de las interacciones culturales y sociales, con una reducción sustancial de las diferencias regionales en el ingreso per cápita. El escenario A1 se desarrolla en tres grupos que describen direcciones alternativas de cambio tecnológico en el sistema energético. Los tres grupos A1 se distinguen por su énfasis tecnológico: fósiles intensivos (A1FI), fuentes de energía no fósiles (A1T) o un equilibrio entre todas las fuentes (A1B) (donde balanceado se define como no depender demasiado de un particular fuente de energía, en el supuesto de que se apliquen tasas de mejora similares a todas las tecnologías de suministro de energía y uso final).

A2. El escenario A2 describe un mundo muy heterogéneo. El tema subyacente es la autosuficiencia y la preservación de las identidades locales.

Emisiones de CO2 de combustibles fóslies (Gtc yr–1)

6.15 Informe Especial del IPCC Sobre Escenarios de Emisiones (SRES), 2007

155

A1B A1F1 A2 B1 A1T B2

30 20

10 10 9 0 8

2000

2050 Año

2100

6 1990

2000 Año

2010

Fig. 6.8 Emisiones de CO2 de combustibles fósiles. El gráfico muestra que las estimaciones de las

emisiones anuales industriales de CO2 en gigatoneladas de carbono por año (Gt año −1) para 1990 (2008 (círculos negros) y para 2009 (círculo abierto) caen dentro del rango de escenarios del IPCC (área sombreada en gris) y de seis escenarios de marcadores ilustrativos del IPCC (líneas de colores). El recuadro muestra estos escenarios hasta el año 2100. En la parte superior hay un escenario de uso intensivo de combustibles fósiles (Manning et al., Nature Geoscience 3, 376Ð377 (2010) doi: 10.1038 / ngeo880)

Los patrones de fertilidad en las regiones convergen muy lentamente, lo que resulta en un aumento continuo de la población. El desarrollo económico está principalmente orientado a la región y el crecimiento económico per cápita y el cambio tecnológico son más fragmentados y más lentos que otros escenarios. B1. El escenario B1 describe un mundo convergente con la misma población global que alcanza su punto máximo a mediados de siglo y declina a partir de entonces, como en el escenario A1, pero con un cambio rápido en las estructuras económicas hacia una economía de servicios e información, con reducciones en el material intensidad y la introducción de tecnologías limpias y eficientes en recursos. Se hace hincapié en las soluciones globales para la sostenibilidad económica, social y ambiental, incluida la mejora de la equidad, pero sin iniciativas climáticas adicionales. B2. El escenario B2 describe un mundo en el que se hace hincapié en las soluciones locales para la sostenibilidad económica, social y ambiental. Es un mundo con una población mundial en continuo crecimiento, a una tasa inferior a A2, niveles intermedios de desarrollo económico y un cambio tecnológico menos rápido y más diverso que en los escenarios B1 y A1. Si bien el escenario también está orientado hacia la protección del medio ambiente y la equidad social, se centra en los niveles local y regional. La ilustración de arriba (Fig. 6.6) muestra proyecciones de temperatura a 2100 con los escenarios del Tercer Informe de Evaluación del IPCC.

156

Temperatura de la Superficie Terrestre

Índice de temperatura global medio terrestre-oceánico mensual (° C) Mes Enn Feb Mar Abr May Jun Jul Ags Sep Oct Nov Dic

30 años antes del período base

1925

1930

Ciclo Solar : m Mes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ags Sep Oct Nov Dic

1945 m

1950 M

1960 M E

1965 m ELE

1970

1975

1980 m M LE-EL-LEL-L-LEE

2000 M L-L L

2005

Últimos 29 años y 10 meses

V V

Ciclo Solar: E Nino: –.8

1940 M

Periodo Base

1955 Ciclo Solar: m Nino:LE E L-L Mes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ags Sep Oct Nov Dec

1935 m

–.7

1985 m LE - E L –.5

1990 1995 M m E-E E EL –.3

–.15

–.05

.05

.15

2010 m

E .3

E .5

E .7

.89

Fig. 6.9 Indice mensual promedio de la temperatura de la tierra y el océano (°C); (Panel superior) 30 años antes del Período base. (Panel central) El período base. (Panel inferior) Últimos 30 años (1980-2010) (NASA / GISS, Dominio público)

Lecturas Adicionales

157

La ilustración de arriba (Fig. 6.7) muestra las emisiones globales de gases de efecto invernadero según los escenarios AR4 del IPCC en gigatoneladas de dióxido de carbono equivalente por año (Gt CO 2-eq año−1).

La ilustración de arriba (Fig. 6.8) muestra las emisiones de CO2 de los combustibles fósiles. El gráfico muestra que las estimaciones de las emisiones anuales industriales de CO2 en gigatoneladas de carbono por año (Gt año − 1) para 1990-2008 (círculos negros) y para 2009 (círculo abierto) caen dentro del rango de escenarios del IPCC (área sombreada en gris) y de seis escenarios de marcadores ilustrativos del IPCC (líneas de colores). La ilustración de arriba (Fig. 6.9) muestra los cambios de temperatura graficados mensualmente a partir de 1920 hasta octubre de 2010 y codificados por colores según la escala de temperatura a lo largo de la base de la figura. La temperatura aumenta durante este período de tiempo son sorprendentes.

Lecturas Adicionales Bradley, R. S., et al. (2003). The climate of the last millennium. In K. Alverson, R. S. Bradley, & T. F. Pedersen (Eds.), Paleoclimate, global change and the future (pp. 105Ð141). Berlin: Springer. Hansen, J. (2011). EarthÕs energy imbalance and implications. Atmospheric Chemistry and Physics, 11, 13421Ð13449. doi:10.5194/acp-11-13421-2011. Hansen, J., Rossow, W., & Fung, I. (Eds.). (1993). Long-term monitoring of global climate forcings and feedbacks (NASA conference publication, 3234). New York: Goddard Institute for Space Studies. Hansen, J., et al. (2008). Target atmospheric CO2: Where should humanity aim? Open Atmospheric

Science Journal, 2, 217Ð231. doi:10.2174/1874282300802010217. IPCCTAR WG1 (2001). Houghton, J. T., Ding, Y., Griggs, D. J., Noguer, M., van der Linden, P. J., Dai, X., Maskell, K., Johnson, C. A. (Eds.), Climate change 2001: The scientific basis, contri-bution of working group I to the third assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, ISBN 0-521-80767-0 (pb: 0521-01495-6). Le Treut, H., et al. (2007). Historical overview of climate change. In Climate change 2007: The physical science basis. Contribution of Working Group I to the fourth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge/New York: Cambridge University Press.

Capítulo 7

Ciencia del Cambio Climático Como Ciencia de la Tierra

Resumen La ciencia del cambio climático es parte de la ciencia de la Tierra. Uno no puede estudiar la Tierra y no estudiar el clima; y el clima está cambiando en todo el mundo. El tiempo también está cambiando y el estudio del tiempo también es parte de la ciencia de la Tierra. Se discute la débil paradoja temprana del Sol y se presentan algunas de las primeras evidencias del pasado geológico. Se dan las cuatro premisas de la hipótesis o teoría de Gaia y se exponen razones a favor y en contra de la hipótesis o teoría. El Gran Evento de Oxigenación se presenta con el papel de las cianobacterias en la atmósfera primitiva de la Tierra. Existen diferentes tipos de formas de llevar a cabo el trabajo científico y se analizan. Se dan ejemplos de buena ciencia, mala ciencia y no ciencia. Se discuten diferentes escalas y su importancia. Se introducen los fractales. Keywords Fractales •Cianobacterias •Escala •Ética •Gaia •Tierra •Criptovolcánico •Oxigenación •Bólidos •Cráter de meteorito •Sagan •Cuadrángulo •Lovelock •Lindzen •Parsec •Paradoja •Gigaannum •Uniformitarianismo •ZAMS •Geológico •Tiempo •Termostato •Ética

G.T. Farmer and J. Cook, Climate Change Science: A Modern Synthesis: Volume 1 - The Physical Climate, DOI 10.1007/978-94-007-57578_7, © Springer Science+Business Media Dordrecht 2013

159

7 Ciencia del Cambio Climático Como Ciencia de la Tierra 160 Cosas que Debe Saber Sistemas terrestres El Chichón Meteorología El gran evento de oxigenación O3 H2CO3 Gigaannum Uniformitarismo Buenos ejemplos de ciencia Malos ejemplos de ciencia Año luz N2 78.1% 1:24,000 Richard Muller MWP

Cianobacterias ZAMS 7.5 min cuadrángulos Estructuras criptovolcanicas Meteor Crater, AZ Bólidos James lovelock Richard Lindzen Gigaparsec Carl Sagan LIA El Niño No científico Parsec Hipótesis de Gaia y sus cuatro premisas principales

7.1 Introducción La ciencia de la Tierra incluye todos los sistemas de la Tierra y sus interrelaciones, incluidos el clima y el tiempo. Incluye la atmósfera, los océanos, la tierra, la biota, su historia y cómo han evolucionado con el tiempo a su estado actual. Estos sistemas no son entidades separadas, pero son un sistema que ha evolucionado juntos a lo largo del tiempo, están interrelacionados física y químicamente, y deben considerarse como un solo sistema. Se tratan por separado a medida que avanzamos porque uno piensa en ellos por separado. Por ejemplo, la atmósfera, los océanos, los continentes, la tierra, los suelos, la biota y sus historias se discuten por separado en las secciones siguientes y estas áreas separadas de la ciencia de la Tierra deberían ser familiares para todos. La ciencia del cambio climático es una parte integral de la ciencia de la Tierra, al igual que la climatología y la meteorología (la ciencia del tiempo).

Las secciones posteriores de esta Introducción incluyen el concepto de escala, una introducción al cambio climático y el calentamiento global, la historia de la Tierra y el cambio climático. El efecto de las actividades de la humanidad en el planeta Tierra se ha convertido en un tema de importancia durante las últimas décadas del siglo XX y en el siglo XXI, ya que no hay duda de que las actividades del hombre han tenido y están teniendo un efecto profundo y perjudicial en La salud ambiental del planeta. Este es un tema principal en ambos volúmenes de este texto.

7.2 Ciencia del Clima Como Ciencia de la Tierra El clima es una parte definida de la Tierra y, como tal, debe incluirse en los estudios de ciencias de la Tierra. La ciencia de la Tierra no ha incluido mucha ciencia climática básica en el pasado, pero esperamos enfatizarla más en el futuro a medida que las preocupaciones sobre el clima de la Tierra sean mayores.

7.3 La Débil Paradoja del Joven Sol

161

La ciencia del clima se está volviendo más importante a medida que las temperaturas continúan aumentando y las consecuencias del calentamiento global se hacen más evidentes. La Tierra ya está experimentando cambios importantes en los patrones meteorológicos, un aumento del nivel del mar con profundos efectos costeros y una interrupción del suministro de agua dulce en varias partes del mundo. La ciencia clásica de la Tierra ha enfatizado la Tierra sólida; minerales, rocas, suelos, cuencas oceánicas, el interior de la Tierra, costas y glaciares con una pizca de meteorología y climatología. La ciencia de la tierra del futuro tendrá que abordar el cambio climático con mayor detalle. La ciencia de la tierra del futuro tendrá que abordar el cambio climático con mayor detalle. La ciencia de la Tierra también incluye la historia de la Tierra y el tiempo geológico. El segundo volumen de esta serie de libros de texto enfatiza los aspectos históricos del clima de la Tierra.

7.3 La Débil Paradoja del Joven Sol Los astrónomos han concluido, al estudiar las estrellas en todo el Universo visible, que el Sol ha ganado en su capacidad de emitir energía desde su inicio hasta el presente. Este aumento de energía ha resultado de la capacidad del Sol de fusionar hidrógeno para formar helio, lo que hace que el Sol se expanda y se vuelva más brillante con el tiempo, produciendo así más energía (como calor) con el tiempo desde la formación del Sistema Solar hace 4.500 millones de años hasta presente. Utilizando modelos de la actividad del Sol, los astrónomos han estimado que el Sol era un 25-30% más débil hace 4.500 millones de años de lo que es ahora. Si el Sol era 25-30% más débil de lo que es ahora y lentamente acumuló su fuerza actual, ¿estaba la Tierra completamente congelada durante su historia temprana? Hay algunas pruebas de una "Tierra de bolas de nieve" al principio de su historia, pero también hay evidencia de organismos vivos en aguas marinas poco profundas hace unos 3.500 millones de años. También hay abundante evidencia de agua corriente (no congelada) al principio de su historia y esto ha llevado a los científicos de la Tierra a un misterio llamado la débil paradoja del sol temprano. La débil paradoja del sol temprano es una paradoja porque sabemos que un ligero enfriamiento de la Tierra haría que toda el agua en la Tierra se congele a pesar del calentamiento causado por los gases de efecto invernadero. Si el Sol temprano en la historia de la Tierra fuera solo del 25% al 30% de lo que es hoy, no habría habido agua corriente; sin embargo, tenemos evidencia de agua corriente al principio de la historia de la Tierra y los geólogos nos dicen que la Tierra no estuvo congelada durante los primeros tres mil millones de años más o menos. La respuesta a esta paradoja está contenida en la explicación de que algo mantuvo caliente a la Tierra primitiva a pesar del débil Sol. Pero si ese algo estaba funcionando manteniendo la Tierra caliente mientras la producción del Sol continuaba aumentando, la Tierra en este momento estaría demasiado caliente para mantener la vida. El problema del débil Sol temprano ha existido durante muchos años, y estos son algunos de los hechos e ideas: los astrónomos suponen que el Sol comenzó su vida en la secuencia principal de edad cero (ZAMS) con esencialmente la misma masa que tiene hoy, dado el bajo flujo del viento solar, y suponemos que nuestra comprensión de la física del Sol en esa etapa es razonablemente buena. Los modelos evolutivos del ZAMS Sun luego predicen que tenía aproximadamente el 70% de su luminosidad actual.

162

Ciencia del Cambio Climático Como Ciencia de la Tierra

Esa baja luminosidad es un problema cuando se combina con lo que sabemos sobre la atmósfera primitiva de la Tierra porque si la superficie de la Tierra se cubriera de hielo, entonces el albedo sería lo suficientemente alto como para evitar que el joven planeta se recupere o calentamiento y derretimiento del hielo. Una solución a este problema es proporcionar a la Tierra primitiva una atmósfera reductora que provoque un fuerte efecto invernadero con una alta concentración de CO2, manteniendo la superficie bastante cálida, o al menos no congelada. Sabemos que una fuente de CO2 son los volcanes, aunque hoy es una fuente menor. La actividad volcánica casi seguramente fue más abundante durante el desarrollo temprano de la Tierra. Los geólogos saben que la Tierra primitiva tenía agua líquida en su superficie, y los astrogeólogos saben que el joven Marte también. Por supuesto, ambos planetas pueden haber tenido atmósferas de invernadero, pero quizás nuestra comprensión del Sol ZAMS es incompleta. La débil paradoja del joven sol sigue siendo un problema que los científicos continúan estudiando. La respuesta probablemente radica en que la Tierra tiene una atmósfera de gases de efecto invernadero temprana con una concentración de dióxido de carbono muy superior a la actual.

7.4 La Hipótesis de Gaia La hipótesis (o teoría) de Gaia fue propuesta en la década de 1970 por dos científicos (James Lovelock y Lynn Margulis) que propusieron que el clima de la Tierra estaba controlado por los organismos que formaban parte de él. Según la hipótesis o teoría, los organismos controlan el clima de la Tierra y se benefician de la Tierra por el bien de los organismos. Esta es una visión que contrasta con el concepto de Darwin, y el de la mayoría de los científicos, de que los organismos evolucionan mediante la selección natural. Los fundadores de la hipótesis de Gaia aceptan la selección natural, pero hay diferencias en la forma en que se interpreta. La hipótesis o teoría de Gaia afirma que los organismos vivos y su entorno inorgánico han evolucionado juntos como un único sistema vivo que afecta en gran medida la química y las condiciones de la superficie de la Tierra. Algunos científicos creen que este "sistema de Gaia" autorregula la temperatura global, el contenido atmosférico, la salinidad del océano y otros factores de manera "automática". El sistema de vida de la Tierra parece mantener las condiciones en nuestro planeta justo para que la vida persista. La teoría de Gaia ya ha inspirado ideas y aplicaciones prácticas para sistemas económicos, políticas, investigación científica y otros trabajos valiosos. El futuro tiene más de lo mismo. Según la hipótesis de Gaia, los organismos regulan inconscientemente el clima de la Tierra para su propio beneficio. Esta hipótesis crea la visión de que la evolución ha ocurrido en beneficio de las formas de vida de la Tierra. Hay poca evidencia científica que respalde esta opinión. La hipótesis de Gaia tiene cuatro premisas o proposiciones principales: 1. Toda la vida en la Tierra está basada en el carbono, por lo tanto, la vida regula el ciclo del carbono; 2. Las plantas realizan la fotosíntesis eliminando el dióxido de carbono de la atmósfera y almacenándolo así en el suelo o en los océanos;

7.5 Introducción a las Ciencias de la Vida

163

3. La precipitación da como resultado la formación de ácido carbónico (H 2CO3) que causa un aumento de la intemperie química y el transporte de carbono a los océanos donde los organismos lo utilizan para construir sus partes duras a partir de CaCO 3. 4. Que la Tierra está viva. La teoría de Gaia sostiene que la Tierra es una entidad viviente. Sin embargo, la Tierra no tiene padres, ni ADN, y no puede reproducirse, criterios que la mayoría de los científicos creen que son atributos necesarios para la vida. En la hipótesis de Gaia, la vida evolucionó en la Tierra con el propósito de regular su clima. Hay otros que piensan que la vida en la Tierra no tiene ningún propósito. Puede encontrar información adicional sobre la hipótesis de Gaia (o la teoría de Gaia) en Internet y un motor de búsqueda (por ejemplo, Google) revelará numerosos sitios.

7.5 Introducción a las Ciencias de la Vida Los organismos vivos constituyen la biosfera, que es parte de la Tierra y, por lo tanto, parte de la ciencia de la Tierra. La biosfera depende del clima para su existencia y variedad e interactúa con el clima de la Tierra de varias maneras. Es una parte integral del ciclo del carbono y es un productor de combustibles fósiles, cuya combustión libera gases de efecto invernadero a la atmósfera. La vida en la Tierra ha hecho grandes avances con el tiempo, primero desarrollando la capacidad de replicarse o reproducirse. Esto sucedió relativamente temprano en la historia de la Tierra y hace 3.500 millones de años, la fotosíntesis de las cianobacterias causó que el oxígeno aumentara en la atmósfera. Los organismos similares a los arrecifes de algas aparecieron por primera vez en el registro fósil de esta época. Las cianobacterias también se han llamado algas verdeazuladas, pero las cianobacterias son bacterias y no algas. En 2.400 millones de años (o 2,4 Ga para Gigaannum), había oxígeno libre en la atmósfera que comenzó a aumentar. Esto sucedió gradualmente con el tiempo, pero se conoce como el Gran Evento de Oxigenación (GOE) con una fecha de hace 2.400 millones de años. Ciertamente, hubo bolsas de oxígeno en los océanos primitivos que probablemente precedieron al GOE. Un estudio reciente del MIT (agosto de 2011) cita evidencia de que el oxígeno estaba presente en el océano temprano ya en 2.7 Ga, 300 millones de años antes del GOE, pero tomó tiempo para que se acumulara el oxígeno libre. Un concepto básico para la ciencia del cambio climático es el del tiempo geológico. El tiempo geológico es una forma especial de mirar el tiempo porque se refiere a vastos, largos intervalos de tiempo o hace mucho tiempo en comparación con el tiempo humano. Los humanos piensan en el tiempo en términos de segundos, minutos, horas, una vida, una generación, un milenio, etc. Pero el tiempo geológico es del orden de miles y millones a miles de millones de años y supone un medio de mirar el tiempo y los eventos del pasado de la Tierra en el contexto adecuado. El clima ha existido en la Tierra desde que se formó la atmósfera actual, poco después de que la Tierra se formó y se enfrió desde un estado fundido. Esto fue hace aproximadamente 4,540,000,000 años, como se discutió anteriormente; hace mucho tiempo, de hecho. El tiempo geológico y sus subdivisiones se dan en el Apéndice I. Lectores de este texto.

164

7 Ciencia del Cambio Climático Como Ciencia de la Tierra

deben prestar especial atención a las subdivisiones del tiempo geológico en el Apéndice I, ya que es básico para las discusiones a lo largo del texto. Eventualmente será necesario comprometer la escala de tiempo geológico a la memoria, especialmente al leer la segunda parte de esta serie de libros de texto.

7.6 Introducción a la Atmósfera La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea la Tierra. Se compone de sólidos y líquidos también, pero se compone principalmente de gases. Es un sistema dinámico; La atmósfera es la parte más inestable y que cambia rápidamente del complejo sistema climático. Su composición, que ha cambiado con la evolución de la Tierra, es de importancia central para el problema del calentamiento global. La atmósfera seca de la Tierra está compuesta principalmente de nitrógeno (N 2, 78.1%), oxígeno (O2, 20.9%) y argón (Ar, 0.93%). Estos gases tienen una interacción limitada con la radiación solar entrante y no interactúan con la radiación infrarroja emitida por la Tierra. Sin embargo, hay una serie de gases traza, como el dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O) y ozono (O3), que absorben y emiten radiación infrarroja. Estos son los llamados gases de efecto invernadero, con un volumen total en el aire seco de menos del 0.1%, juegan un papel esencial en el crecimiento energético de la Tierra. Atrapan el calor en la parte inferior de la atmósfera, cerca de la superficie de la Tierra y han sido en gran parte responsables del calentamiento global más reciente de la Tierra. La temperatura del aire cerca de la superficie se ha medido con instrumentos terrestres, marítimos y satelitales con mucha precisión desde la década de 1970 y con bastante precisión desde finales del siglo XIX (curva negra en el gráfico A, Fig. 7.1). Se conocen cuatro influencias principales, y combinarlas proporciona una buena coincidencia con las observaciones (curva naranja en A, Fig. 7.1). Las influencias conocidas son: • Fluctuaciones irregulares de "El Niño" en el afloramiento de aguas profundas y frías en el Océano Pacífico tropical, que enfrían o calientan el aire durante unos años (curva púrpura en B en la Fig. 7.1); • Partículas de sulfato y cenizas emitidas en erupciones volcánicas, como El Chichón en 1982 y Pinatubo en 1991, que producen enfriamiento temporal (curva azul); • Un ciclo casi regular en la actividad del Sol que cambia la radiación recibida en la Tierra (curva verde); y • Cambios humanos ("antropogénicos"), principalmente emisión de dióxido de carbono de combustibles fósiles, pero también otros gases de efecto invernadero y contaminación como el humo, y cambios en el uso de la tierra como la deforestación (curva roja). Los teóricos pueden calcular la influencia real de cada factor, pero solo de manera aproximada. El calentamiento global desde la década de 1970 solo puede explicarse por las emisiones de gases de efecto invernadero de la humanidad. Nótese, por ejemplo, cómo la tendencia de la temperatura en la primera década del siglo XXI fue generalmente plana debido a que un empuje hacia arriba por las fuerzas antropogénicas fue compensado temporalmente por un tirón hacia abajo a medida que la actividad solar disminuía y los océanos absorbían más calor de lo habitual atmósfera (la temperatura del agua del mar, de hecho, continuó aumentando).

7.7 Ciencia de Sistema Abierto 0.8

165

0.6 0.4

Temperatura (ºC) relativa a la media de 1961-1990

0.2 0.0 Temperatura global superficial

Modelo (efectos combinados)

–0.2 1980 0.2

1985

1990

1995

2000

2005

El Niño – Oscilación del Sur

0.1 0.0 –0.1 Aerosoles volcánicos

–0.2 0.2

Efectos antropogénicos

0.1 Radiación solar 0.0 –0.1 –0.2 1980

1985

1990

1995

2000

2005

Año

Fig. 7.1 (a) Temperaturas globales medias mensuales observadas (negro) y un modelo empírico (naranja) que combina cuatro influencias diferentes. (b) Contribuciones individuales de estas influencias, a saber, ENOS (púrpura), aerosoles volcánicos (azul), irradiancia solar (verde) y efectos antropogénicos (rojo). Juntas, las cuatro influencias explican el 76% (r2) de la varianza en las observaciones de temperatura global (Adaptado de Lean y Rind 2009)

7.7 Ciencia de Sistema Abierto Algunos libros de texto de Ciencias de la Tierra han considerado que la Tierra es un sistema cerrado. Un sitio reciente de Earth Science en línea (enero de 2010) mostró una imagen de la Tierra con la afirmación de que todo lo que se mostró era parte de un sistema cerrado. Se puede encontrar evidencia espectacular de que la Tierra no es un sistema cerrado en muchos lugares de la Tierra y en la historia de la Tierra, tal vez ninguno tan espectacular como Meteor Crater, AZ (Fig. 7.2). Los bólidos son grandes cuerpos extraterrestres que impactan en la Tierra al igual que el que formó Meteor Crater, AZ y el más grande que muchos creen que causó la extinción de los dinosaurios hace unos 65 millones de años (Ma) y golpeó en el área de Yucatán Península.

Se han encontrado muchas estructuras en todo el mundo, a lo largo de la superficie de la Tierra, algunas de las cuales se han llamado estructuras "criptovolcánicas" debido a su contorno casi circular, que ahora se cree que representan estructuras de impacto de bólidos del pasado.

166

Ciencia del Cambio Climático Como Ciencia de la Tierra

Fig. 7.2 Cráter de meteorito, AZ (de http://www.ucar.edu/communications/quarterly/winter0708/ meteor.jsp), (foto original de John Sheldon)

Su origen como estructuras de impacto de bólido puede ser confirmado por "estructuras de choque" formadas solo por impactos masivos repentinos tales como SiO2 de alto impacto y algunas estructuras de cono en cono.

7.8 Uniformitarismo y Ciencia del Cambio Climático El uniformismo es el inquilino básico utilizado en la interpretación de la historia de la Tierra; "El presente es la clave del pasado". Fue el uniformismo lo que primero llevó a los humanos a darse cuenta de que la Tierra había experimentado grandes glaciaciones en el pasado geológico lógico bastante reciente. Los exploradores en los Alpes habían reconocido las características glaciales valle abajo en los valles que todavía contenían glaciares y se dieron cuenta de que los glaciares habían sido una vez más extensos. Comenzaron a estudiar los glaciares modernos y luego pudieron comprender mejor dónde habían estado los antiguos glaciares en el pasado. La ciencia del cambio climático ha revertido algo el principio del uniformitarianismo. Al estudiar la historia pasada de la atmósfera que se registra en las burbujas de gas preservadas en los glaciares, es posible comprender mejor la relación de ciertos componentes atmosféricos y sus efectos sobre la temperatura de la Tierra, y utilizar esta información para proyectar hacia el futuro en cuanto a qué puede ocurrir a la temperatura de la Tierra si estos componentes en particular continúan aumentando en las concentraciones atmosféricas. En este caso, el "pasado es la clave del futuro".

7.9 Datos Climáticos Recientes y Proyecciones Futuras Datos recientes de núcleos de hielo han mostrado una correlación directa entre las concentraciones de gases de efecto invernadero y la temperatura de la Tierra. A medida que aumenta la concentración de gases de efecto invernadero, aumentan las temperaturas de la Tierra. A medida que disminuye la concentración de gases de efecto invernadero,

7.11 Buena Ciencia, Mala Ciencia y No Ciencia

167

La temperatura de la tierra disminuye. Parece que los gases de efecto invernadero representan el termostato que regula la temperatura de la Tierra. Muchos escépticos han señalado el hecho de que las temperaturas aumentan antes de que aumenten los gases de efecto invernadero, entonces, ¿cómo pueden los gases de efecto invernadero regular la temperatura? A medida que la temperatura global de la Tierra se calienta, la mayoría del calor y los gases de efecto invernadero se almacenan en los océanos. A cierta temperatura, los gases de efecto invernadero se liberan del almacenamiento en el agua del océano y el permafrost que aumentan la temperatura de la Tierra. La temperatura de la Tierra y los gases de efecto invernadero parecen funcionar en conjunto.

7.10 Componentes del Sistema de Cambio Climático Los principales componentes del sistema actual de cambio climático son: • El rápido aumento de la temperatura de la Tierra a escala mundial; •La atmósfera; • Calentamiento de la tierra en la superficie de la Tierra; • Calentamiento de los océanos; • Derretimiento de permafrost y hielo glacial; • Aumento del nivel del mar; • Acidificación del océano; • Migración y extinción de organismos vivos; • La interacción del océano mundial con la atmósfera y el intercambio de gases de efecto invernadero, especialmente CO2; • Radiacion solar; • La quema de combustibles fósiles; • Emisiones volcánicas de sólidos y • Ciclos de Milankovitch. Cada uno de estos temas tiene una historia y será tratado en capítulos posteriores de este texto.

7.11 Buena Ciencia, Mala Ciencia y No Ciencia La buena ciencia es realizada por científicos con un conjunto de ética y un método científico que los guía. Los científicos se dedican a encontrar respuestas a los problemas y siguen un método científico o un sistema lógico de acción para encontrar una respuesta científica honesta. Las respuestas científicas honestas son producto de una buena ciencia. Los productos de la buena ciencia resisten el paso del tiempo. Se llega a ellas mediante acciones (un método científico) que pueden reproducirse. El método o los métodos empleados están bien documentados para que puedan reproducirse una y otra vez, si es necesario. Una distinción importante para dejar en claro cuando se discute la ciencia es la diferencia entre hecho y opinión. El hecho, en un contexto científico, es una realidad generalmente aceptada (pero aún abierta a la investigación científica).

168

Ciencia del Cambio Climático Como Ciencia de la Tierra

Las hipótesis y teorías generalmente se basan en inferencias objetivas, a diferencia de las opiniones, que generalmente se basan en influencias subjetivas o intuición. Y a veces es difícil distinguir el hecho de la opinión. Esto puede ser especialmente cierto en el ámbito de la ciencia del clima, ya que parece que todos tienen una opinión sobre el clima. Sin embargo las opiniones no son ciencia. Por ejemplo, una declaración como "Ciertamente hacía frío el invierno pasado, por lo que la Tierra no puede calentarse" es sin duda una opinión. Una declaración como "La temperatura de la Tierra ha aumentado 0.911" C desde 1950 "podría ser mejor un hecho, dada la evidencia de apoyo. Declaraciones tales como "la Tierra orbita alrededor del Sol", o "la evolución ocurre con el tiempo", o "la gravedad existe" hoy en día se consideran tanto hechos como teorías (y podrían resultar erróneas si salen a la luz nuevas pruebas que las contradicen) Las opiniones no son ni hechos ni teorías; no son especialmente del dominio de la ciencia (pero no piensen que los científicos no tienen opiniones; los científicos también son humanos, y las opiniones a menudo ayudan a guiar su investigación). Por lo tanto, la ciencia no puede abordar directamente cuestiones tales como si Dios existe o si las personas son buenas o malas, pero los científicos pueden discutir sobre ciencia buena y mala y dar ejemplos de cada una.

7.12 Ejemplos de Buena Ciencia En The Demon-Haunted World (p. 261), Carl Sagan, el gran divulgador de la ciencia, escribió: La ciencia es diferente de muchas otras empresas humanas, no, por supuesto, en que sus practicantes se vean influenciados por la cultura en la que crecieron, ni en que a veces sean correctos y a veces incorrectos (que son comunes a todas las actividades humanas), sino en su pasión por enmarcando hipótesis comprobables, en su búsqueda de experimentos definitivos que confirman o niegan ideas, en el vigor de su debate sustantivo y en su disposición a abandonar las ideas que se han encontrado que faltan. Sin embargo, si no estuviéramos conscientes de nuestras propias limitaciones, si no estuviéramos buscando más datos, si no estuviéramos dispuestos a realizar experimentos controlados, si no respetáramos la evidencia, tendríamos muy poca influencia en nuestra búsqueda de la verdad. A través del oportunismo y la timidez, podríamos ser azotados por toda brisa ideológica, sin nada de valor duradero a lo que agarrarnos..

La buena ciencia puede ejemplificarse con el estudio Berkeley Earth Surface Temperature (BEST) realizado hasta la fecha (febrero de 2012) por un equipo dirigido por el escéptico del cambio climático y el reciente converso del cambio climático, Richard Muller. Por definición, todos los científicos son escépticos ya que esta es la naturaleza de la ciencia, como hemos visto. Se supone que los científicos deben ser objetivos y ver las cosas de manera crítica, por lo que el escepticismo es un enfoque válido para la ciencia.

Muller y su equipo se propusieron documentar datos de temperatura de áreas terrestres en todo el mundo e informar los datos sin importar el resultado. La financiación parcial para este estudio provino de algunos de los partidarios de los negadores del cambio climático, a saber, los multimillonarios hermanos Koch, Charles y David Koch. El equipo de Berkeley Earth Surface Temperature incluye estadísticos, físicos, expertos en clima y otros con experiencia en el análisis de conjuntos de datos grandes y complejos.

7.13 Ejemplos de Mala Ciencia

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El objetivo del estudio BEST es resolver las críticas actuales de los análisis de temperatura anteriores por parte de las agencias gubernamentales y otros, y preparar un registro abierto que permita una respuesta rápida a más críticas o sugerencias. Los resultados incluirán no solo la mejor estimación para el cambio de temperatura global, sino también estimaciones de las incertidumbres en el registro. El estudio de Berkeley Earth Surface Temperature está utilizando más de 39,000 estaciones únicas, que es más de cinco veces las 7,280 estaciones encontradas en el conjunto de datos mensuales de la Red Global de Climatología Histórica (GHCNM) utilizado por estudios previos. El estudio proporciona una plataforma abierta para su posterior análisis al publicar sus datos completos y el código del software. La publicación de datos inicial ahora está disponible y el análisis respalda los estudios previos de que la Tierra se está calentando. El mejor estudio ha sido criticado por uno de sus coautores (Judith Curry) porque no incluía las TSM oceánicas. Sin embargo, fue más completo que los estudios anteriores sobre la tierra.

7.13 Ejemplos de Mala Ciencia La mala ciencia es a menudo un trabajo científico que no sigue un método científico. La mala ciencia produce “misinformation” (no intencional) y “disinformation” (intencional). Existen numerosos ejemplos en la literatura, revisados por pares y no revisados por pares, especialmente de defensores del tabaco, lluvia ácida y negadores del cambio climático.

La industria del tabaco en realidad contrató a científicos (y probablemente todavía lo hace) para tratar de probar que fumar no es perjudicial para la salud. Sin embargo, existe evidencia abrumadora de que todas las formas de tabaco perjudican la salud. Lo mismo puede decirse del calentamiento global. El calentamiento global, como lo revela la ciencia del cambio climático, también es peligroso para la salud de la vida en la Tierra. Un profesor de M.I.T. y el escéptico del cambio climático, Richard Lindzen, publicó la siguiente declaración en la literatura no revisada por pares: ÒEl clima siempre está cambiando. Hemos tenido glaciaciones y períodos más cálidos cuando se encontraron caimanes en Spitsbergen. Las edades de hielo han ocurrido en un ciclo de 100 mil años durante los últimos 700 mil años, y ha habido períodos anteriores que parecen haber sido más cálidos que el presente a pesar de que los niveles de CO2 son más bajos de lo que son ahora. Más recientemente, hemos tenido el período cálido medieval y la pequeña edad de hielo. Durante este último, los glaciares alpinos avanzaron para disgusto de los pueblos invadidos. Desde principios del siglo XIX, estos glaciares se han retirado. Francamente, no entendemos completamente ni el avance ni el retiro. La declaración de Lindzen citada anteriormente contiene varias declaraciones erróneas: el clima no siempre está cambiando. El clima siempre está cambiando. El clima ha cambiado en el pasado, lentamente y durante décadas y milenios, y a menudo se correlacionó con los cambios en los gases de efecto invernadero. La palabra clave de Lindzen es "siempre". ¿Cuánto tiempo es siempre? El tiempo cambia cuando se ve obligado a cambiar. Cuando nuestro planeta sufre un desequilibrio energético y gana o pierde calor, la temperatura global cambia.

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Ciencia del Cambio Climático Como Ciencia de la Tierra

El planeta ha estado más caliente en el pasado, pero los núcleos de hielo nos dicen que estos cambios climáticos han estado directamente relacionados con los gases de efecto invernadero, al menos durante los últimos 850,000 años.

El Período cálido medieval (MWP) y la Pequeña edad de hielo (LIA) probablemente no tuvieron una extensión global y el Período cálido medieval no fue más cálido que el presente, como afirman algunos escépticos, Lindzen entre ellos. A pesar de las incertidumbres sustanciales, especialmente para el período anterior a 1600 cuando los datos son escasos, el período más cálido de los últimos 2.000 años antes del siglo XX probablemente ocurrió entre 950 y 1100, pero las temperaturas probablemente estuvieron entre 0.1 y 0.2 °C por debajo la media de 1961-1990 y significativamente por debajo del nivel mostrado por los datos instrumentales después de 1980. La naturaleza heterogénea del clima durante el Período Cálido Medieval se ilustra por la amplia difusión de valores exhibidos por los registros individuales. El calor en algunas regiones parece haber igualado o excedido los niveles recientes de calor en estas regiones, pero a nivel mundial el período cálido medieval fue más frío que las temperaturas globales recientes. Los registros de núcleos de hielo actualmente analizados se remontan al menos 850,000 años y muestran una relación entre la temperatura de la Tierra y los gases de efecto invernadero. Cuando la temperatura es alta, los gases de efecto invernadero también son altos. Los núcleos de sedimentos de aguas profundas dan un registro de temperatura aún más largo y, combinados con otras líneas de evidencia, como el modelado geoquímico, muestran una relación aún más larga entre los gases de efecto invernadero y la temperatura de la Tierra.

7.14 Ejemplos de No Ciencia Un breve ejemplo de no ciencia es la hipótesis inédita y la "mordida del sonido". El público desconocido acepta fácilmente hipótesis controvertidas (a menudo en forma de "mordidas del sonido"). Un ejemplo de un sonido fuerte es la siguiente declaración pronunciada públicamente por los no científicos Senador Inhofe de Oklahoma y el ex Senador Santorum de Pensilvania (ambos no científicos) y quizás otros: "El calentamiento global es un engaño". Para que las ideas sean aceptadas en la comunidad científica, deben publicarse, en proceso de revisión por parte de científicos acreditados, para separar la ciencia buena de la ciencia mala y la no ciencia. Incluso entonces, una ciencia no tan buena todavía se abre paso en la literatura en publicaciones revisadas por pares, por lo que los científicos y otros deben pensar críticamente al revisar el trabajo de otros científicos. Lo mismo puede decirse de todos al examinar lo que leen y escuchan sobre la ciencia del clima o sobre la ciencia en general.

A menudo, las malas declaraciones y trabajos científicos y no científicos aparecen en la literatura revisada por pares en revistas seleccionadas o en libros publicados por "think tanks" o publicaciones periódicas que tienen "patrocinadores financieros que tienen una agenda preconcebida como el Heartland Institute, el Cato Institute, y el Instituto George C. Marshall. Estos tres, y hay muchos otros, cuentan con el respaldo financiero de las compañías de productos químicos, tabaco y energía y tienen algunos científicos o pseudocientíficos en el personal que dicen lo que se les dice que digan.

7.15 Ética en la Ciencia

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7.15 Ética en la Ciencia Se espera que cualquiera que se ocupe de la investigación científica sea ético, pero ¿cómo se vuelve ético? La ética es un sistema de principios morales que rigen la conducta apropiada. Entonces la ética y la moral son sinónimos. Una persona ética es también una persona moral. La ética en la ciencia es como la ética en todo lo demás. Hay una manera ética de conducirse y la mayoría de las personas y los científicos son éticos. Hay controles y equilibrios en los esfuerzos científicos que generalmente aseguran que la mayoría de los científicos sean éticos, al menos aquellos que publican en la literatura revisada por pares o que están en el ojo público. Un aspecto importante de estos controles y equilibrios es el proceso de revisión por pares. Como investigador, un científico prepara un informe que indica los métodos utilizados, los datos recopilados, cómo se recopilaron los datos y las conclusiones extraídas. Luego, el informe se publica en una revista, libro o se presenta en una conferencia científica, como se mencionó anteriormente, y los colegas están demasiado ansiosos por proporcionar retroalimentación al científico. Sin embargo, hay ejemplos de científicos poco éticos, y esto es cierto en la ciencia climática, o en cualquier otro aspecto de la ciencia, así como en otras líneas profesionales de trabajo. La ciencia del clima como una rama separada de la ciencia es relativamente joven en comparación con las ciencias naturales (biología, geología) o las ciencias físicas (física, química, geología física). La ciencia del clima es difícil de clasificar en una categoría porque consta de muchas ciencias y otros campos, como física, matemáticas, química, biología, meteorología, geología, oceanografía, economía, sociología, ciencias políticas, ciencias de la computación y climatología. . Es literalmente un popurrí de todas las ciencias diferentes. Y es una ciencia relativamente nueva como entidad separada porque a la humanidad no le importó tanto el clima hasta que la temperatura, registrada durante un período de tiempo relativamente largo, comenzó a mostrar un fuerte aumento, como se muestra en las tramas de este texto. Estas tramas de temperatura contra el tiempo de repente comenzaron a llamar la atención de las personas a fines del siglo XX y principios del XXI y el clima se volvió más importante de lo que había sido. Antes de este interés bastante reciente, el clima era un lugar al que uno acudía para la jubilación o la recreación. Pero sabemos que el clima es una tendencia a largo plazo, décadas o milenios de duración, y solo unas pocas grabaciones o cambios en el clima no son relevantes. Las tendencias son las que permiten a los científicos ver lo que le está sucediendo a nuestro clima y les permiten proyectar esas tendencias en el futuro. Hay una pregunta ética que los científicos y los políticos deben enfrentar eventualmente. Los estudios muestran que la mayoría de los países productores de dióxido de carbono son los menos afectados por el calentamiento global. La pregunta entonces es: "¿Cómo se motiva a los países que emiten más dióxido de carbono para disminuir o detener sus emisiones si son los menos afectados?" No hay una respuesta lista para esta pregunta. La comunidad internacional de estados que reconocen los hechos proporcionados por la ciencia climática serán los que harán cumplir las normas de emisión.

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Ciencia del Cambio Climático Como Ciencia de la Tierra

7.16 El Concepto de Escala en la Ciencia de la Tierra y el Cambio Climático La escala es un concepto importante para comprender tanto en la ciencia como en las humanidades. Los artistas que pintan deben ser conscientes de la escala de su pintura, ya sea pintando un paisaje o una flor. Los historiadores deben ser conscientes de la escala de los acontecimientos. Los científicos, arquitectos e ingenieros usan la escala en sus dibujos y cálculos. Mirar un globo requiere una escala diferente de examinar los planes para una casa u otros edificios y hay diferentes tipos de escalas. Se discutieron diferentes escalas de temperatura en capítulos anteriores y hay muchos otros tipos de escalas. Una definición de escala puede ser la siguiente: una superficie lineal o curva con marcas numéricas calibradas contra las cuales se mueve un puntero; el número más cercano al puntero indica el valor de algo medido. O una báscula puede ser un dispositivo utilizado para medir el peso o la altura de algo o de alguien. Entonces hay diferentes tipos de escalas; para temperatura, para lluvia, para humedad relativa, para mapas y para clima. El clima de un área puede darse mediante el uso de escalas como la temperatura promedio del área o el número de días soleados consecutivos; o la nevada promedio en centímetros, pies o pulgadas; o usando términos como tropical, polar, etc. Las escalas de tiempo pueden variar para la historia de planetas individuales en el Sistema Solar, como se ilustra en la siguiente figura (Fig. 7.3). Las escalas de tiempo difieren para la Tierra (arriba), Marte (centro) y la Luna (abajo). Una escala de tiempo geológica más detallada para la Tierra se da en el Apéndice I. Tierra Eon

Madean

Archean EoarPaleoquean arqueano

Era –4500

–4000

–3500

Proterozoic

MesoNeoarqueano arquean

–3000

Paleoproterozoico

–2500

–2000

Fanerozoico

Mesoproterozoic

–1500

Neoproterozoic

–1000

Paleo Meso C zoic zoic z

–500

Marte Crater Densidad Escala Minerological

Noachian

Phyllocian

Hesperian

Amazonian

Theilkian

Siderikan

Escala –4500

Pre-Nectarian

Epoca –4500

Nectarian

Periodo

–4000

–3500

–3000

–2500

–2000

–1500

–1000

Luna Imbrian

Inferior

Superior

–4000

–3500

Eratosthenian

Copernican

Siderikan

–3000

–2500

–2000

–1500

–1000

–500

Fig. 7.3 Escalas de tiempo diseñadas para la Tierra (arriba), Marte (centro) y la Luna de la Tierra (abajo). El origen del sistema solar está a la izquierda y el presente a la derecha (de http://pweb.jps.net/~tgangale/ mars / mst / GeologicTimeScales.htm, lanzado al dominio público por Thomas Gangale)

7.17 Escalas de Mapa

173

7.17 Escalas de Mapa Las escalas utilizadas en los mapas varían según el área representada por el mapa. Para toda la Tierra, las escalas deben ser pequeñas en comparación con un mapa local, cuya escala debe ser grande para mostrar los detalles requeridos. Si la escala de un mapa se establece como una razón o una fracción, cuanto mayor sea el número entero, mayor será la escala. Por ejemplo, una escala expresada como una fracción de 1 / 1,000 o 1: 1,000 es mayor que una escala de 1 / 64,000 o 1: 64,000. El Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) publica mapas a varias escalas. La escala utilizada para la mayoría de los mapas topográficos de EE. UU. Expresados como una proporción es 1: 24,000. Los mapas de USGS a esta escala cubren un área que mide 7,5 min de latitud y 7,5 min de longitud y se denominan comúnmente mapas cuadrangulares de 7,5 min. La cobertura del mapa para la mayoría de los Estados Unidos se ha completado a esta escala, excepto para Puerto Rico, que está mapeado a 1: 20,000 y 1: 30,000, y para algunos Estados que han sido mapeados a 1: 25,000. La mayor parte de Alaska ha sido mapeada a 1: 63,360, con algunas áreas pobladas también mapeadas a 1: 24,000 y 1: 25,000. Estas escalas del mapa, expresadas como proporciones o fracciones, significan 1 pulgada en el mapa igual a 24,000 pulgadas en el suelo (1: 24,000) o 1 pulgada en el mapa es igual a 25,000 pulgadas en el suelo (1: 25,000) o 1 ft en el mapa equivale a 25,000 ft en el suelo.

La escala de un mapa que muestra toda la Tierra, como el de la figura 7.4 a continuación, es muy pequeña. Los mapas se describen como a pequeña escala,

Fig. 7.4 Un mapa de la Tierra a pequeña escala representado por una proyección de Mercator, exagerando enormemente el tamaño de las áreas terrestres en las regiones polares (De Wikipedia, CC Attribution-Share Alike 3.0 Unported License, de Strebe)

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típicamente para mapas mundiales o mapas regionales grandes, que muestran grandes áreas de tierra en un espacio pequeño; o a gran escala, que muestra áreas más pequeñas con más detalle, generalmente para mapas de condado o planos urbanos. El plan de la ciudad podría estar en una escala de 1 / 10,000 y el mapa mundial podría estar en una escala de 1 / 100,000,000. No existe una línea divisoria dura y rápida entre escalas "pequeñas" y "grandes".

7.18 Fractales La escala puede ilustrarse mediante el uso de fractales. Un fractal es una forma geométrica rugosa o fragmentada que se puede dividir en partes, cada una de las cuales es una copia de tamaño reducido del todo (ver Fig. 7.5).

Fig. 7.5 El conjunto de Mandelbrot es un ejemplo bien conocido de fractales. Estudie el conjunto de izquierda a derecha (creado por Wolfgang Beyer con el programa Ultra Fractal 3. De Wikipedia, GNU Free Documentation License, Versión 1.2 o cualquier versión posterior publicada por la Free Software Foundation; sin secciones invariantes, sin textos de portada , y sin textos de contraportada. Se incluye una copia de la licencia en la sección titulada Licencia de documentación libre de GNU)

7.23 Escalas Comicas

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7.19 Escalas Gráficas Las gráficas que se usan en este texto consisten en los ejes xyy, y las escalas varían dependiendo de lo que se muestra o se representa gráficamente. En general, el eje y muestra la temperatura en grados Celsius y el eje x muestra los años o el tiempo. La forma del gráfico puede cambiar mucho según las escalas utilizadas.

7.20 Escalas de Tiempo Una escala de tiempo define unidades de tiempo que van desde la fracción más pequeña hasta vastos intervalos de escalas de tiempo geológicas y cósmicas.

7.21 Escalas de la Tierra Las escalas terrestres son las que nos son más familiares, como las escalas métricas e inglesas de medición y longitud. Escalas de tiempo originalmente basadas en el día y la noche y en tiempos más pequeños y más grandes, como días, semanas, meses, años, décadas, etc. Y escalas de tiempo geológicas como milenios, millones y miles de millones de años. La escala de tiempo geológico se puede encontrar en el Apéndice I.

7.22 Escalas Planetaria Las escalas planetarias tienen que ver principalmente con las distancias del Sol, los tamaños de los planetas individuales, sus tamaños relativos, etc. Las escalas planetarias se ilustran en la figura 7.6, que muestra la escala de tamaños de los planetas.

7.23 Escalas Cósmicas Gran parte de nuestro conocimiento de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, proviene del estudio de otras galaxias. Se estima que hay otras 100 mil millones de galaxias en el universo. Algunos son más grandes que la Vía Láctea, la mayoría son más pequeños. Las mediciones entre y dentro de las galaxias requieren una escala diferente basada en años luz (un año luz) es una unidad de longitud y se expresa como la distancia que recorre la luz en un año juliano. La luz viaja en el vacío a una velocidad de 3 x 10 8 metros / segundo (m / s). Los astrónomos prefieren usar la unidad de medida parsec.

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Fig. 7.6 Planetas, otros objetos similares a planetas y el Sol del Sistema Solar dibujados a escala (tamaño pero no distancia) (De au.org/publicpress/images/detail/iau0601a/)

Un parsec se define como la distancia a la que un objeto parecerá moverse un segundo de arco de paralaje cuando el observador mueve una unidad astronómica perpendicular a la línea de visión del observador, y es igual a aproximadamente 3.26 años luz (1 parsec (pc ) = 3,26 años luz). Un kiloparsec (kpc) es igual a mil pares de segundos o 3.26 × 1,000 = 3,260 parsecs. Un megaparsec (Mpc) es igual a un millón de parsecs. Un gigaparsec (Gpc) es igual a mil millones de parsecs.

Lecturas Adicionales Barnsley, M. F., & Rising, H. (1993). Fractals everywhere. Boston: Academic Press Professional.

ISBN 0-12-079061-0. Lean, J. L., & Rind, D. H. (2009). American Geophysical Union. Geophysical Research Letters, 36, L15708. doi:10.1029/2009GL038932. 5 pp. Lovelock, J. (1995). The ages of Gaia: A biography of our living Earth. New York: Norton. ISBN 0-393-31239-9. Lovelock, J. (2009). The vanishing face of Gaia: A final warning. New York: Basic Books. ISBN 0-465-01549-8. Sagan, C. (1995). The Demon-Haunted World: Science as a candle in the dark (p. 261). A Ballantine Book, New York: Random House. ISBN 0-394-53512-X. Samson, J., et al. (2011). Geographic disparities and moral hazards in the predicted impacts of climate change on human populations. Global Ecology and Biogeography, 20(4), 532-544.

Parte III

Atmรณsfera Terrestre