viernes, 22 de agosto de 2014

La actual pausa de las temperaturas globales forma parte de un ciclo natural


Después de un calentamiento rápido a finales del siglo XX, desde principios de este siglo, de manera sorprendente, la temperatura de la superficie terrestre ha dejado de aumentar. Se han formulado más de una docena de teorías sobre este parón en el aumento de las temperaturas, que van desde la polución del aire hasta las manchas solares, pasando por los volcanes.

Un estudio recién publicado, titulado Varying planetary heat sink led to global-warming slowdown and acceleration, muestra que el calor que ha desaparecido en la superficie terrestre se está literalmente hundiendo hacia el fondo del Atlántico norte y del Atlántico sur, y que este fenómeno forma parte de un ciclo natural. En él defienden que la desaceleración es causada principalmente por el calor transportado a las capas más profundas en el Atlántico y de los mares del Sur, iniciado por una anomalía de salinidad recurrente en el Atlántico Norte subpolar. Los últimos períodos de enfriamiento asociados con este mecanismo duraron de 20 a 35 años.

El calentamiento subsuperficial en el océano explica por qué las temperaturas del aire medias mundiales se mantienen estancadas desde 1999, a pesar de que los gases de efecto invernadero han aumentado.

Los resultados muestran que una corriente de movimiento lento en el Atlántico, que transporta calor entre los dos polos, se aceleró a principios de este siglo para hundir el calor hacia casi 1.500 metros de profundidad. Utilizaron observaciones recientes de temperaturas de aguas profundas de boyas Argo, que muestran el estado del agua a 2.000 metros de profundidad. Estos datos presentan un aumento de la cantidad calor que se hundía en el océano hacia el año 1999, cuando se detuvo el rápido calentamiento del siglo XX.

Hay ciclos recurrentes que son impulsados por la salinidad que pueden almacenar calor en la profundidad del Atlántico y los océanos del Sur. Después de 30 años de rápido calentamiento, ahora parece que ha llegado el momento de la fase de enfriamiento. Se puede decir que aproximadamente la mitad del rápido calentamiento en las últimas tres décadas del siglo XX se debió al calentamiento global y la otra mitad al ciclo natural del Océano Atlántico que transporta más calor cerca de la superficie.



(Arriba) las temperaturas medias de la superficie global, donde los puntos negros son promedios anuales. Dos períodos planos (hiato) están separados por el calentamiento rápido desde 1976 hasta 1999.
(Medio) Observaciones de contenido de calor, en comparación con el promedio, en el norte del Océano Atlántico.
(Abajo) La salinidad del agua de mar en la misma parte del Atlántico. La salinidad superior se ve que coincide con una mayor capacidad de almacenamiento de calor del océano.

 El ciclo se inicia cuando el agua más salada y más densa en la parte norte de la superficie del Atlántico, cerca de Islandia, hace que el agua se hunda, cambiando la velocidad de la enorme corriente del Océano Atlántico que hace circular el calor por todo el planeta.

Cuando hay agua más densa encima de agua más ligera, se sumerge muy rápidamente llevándose calor superficial hacia el fondo. Observaciones recientes en la superficie del Atlántico Norte muestran una salinidad récord, mientras que, al mismo tiempo, el agua más profunda en el Atlántico Norte presenta un aumento de la cantidad de calor.

Los autores desenterraron datos históricos para demostrar que el enfriamiento en las tres décadas entre 1945 a 1975, que hicieron a la gente preocuparse por un posible comienzo de una edad de hielo, coincidió con una fase de enfriamiento. Registros anteriores correspondientes al centro de Inglaterra muestran que hay un ciclo de 40 a 70 años que se remonta siglos atrás, y otros registros muestran que este ciclo ha existido durante miles de años.

Estos cambios de circulación en el Océano Atlántico han significado históricamente unos 30 años más cálidos seguidos por 30 años más fríos. Ahora, sin embargo, la tendencia se parece más a una escalera, probablemente debido al calentamiento global.

Las oscilaciones de temperatura tienen un interruptor natural, de forma que durante el periodo de calentamiento, las rápidas corrientes provocan que se desplace una mayor cantidad de agua de los trópicos hacia el Atlántico Norte, calentando a la vez la superficie y las aguas profundas. En la superficie este calentamiento derrite el hielo. Esto a la larga hace que el agua de la superficie sea menos densa y después de algunas décadas pone freno a la circulación, lo que desencadena una fase de enfriamiento de unos 30 años.

Esta explicación implica que la actual desaceleración del calentamiento global podría durar otra década o más, y que luego volverá un calentamiento rápido. Pero los autores hacen hincapié en que es difícil predecir exactamente lo que sucederá en el futuro próximo, ya que una masa de agua dulce procedente de la fusión del hielo, que se encuentra ahora asentada en el Océano Ártico, podría desbordar hacia el Atlántico Norte y romper el ciclo.

En resumen, si esta teoría está en lo cierto, podríamos pensar que el calentamiento global debido al aumento de los gases de efecto invernadero sería aproximadamente la mitad de lo que se ha observado durante el período 1975 – 1999.

jueves, 14 de agosto de 2014

Las emisiones de CO2 de 2013


Las emisiones de CO2 del año 2013 alcanzaron, según Statistical Review of World Energy 2014 de BP, la cantidad de 35.094,4 millones de toneladas, un aumento del 1,8 % con respecto al año anterior.

El principal emisor fue China, con 9.524,3 millones de toneladas, seguida de los Estados Unidos, con 5.931,4.


miércoles, 23 de julio de 2014

Vaivenes de la temperatura global


El gráfico muestra la temperatura global anual según los datos de la NOAA, desde el año 1880 hasta el año 2013. En él se intuyen períodos de aumento de la temperatura y períodos de estabilización o de disminución de la misma. Globalmente, la temperatura ha aumentado 0,07 ºC/década.


 Hemos dividido la misma curva en cinco períodos, cada uno de los cuales abarca unos 30 años, menos el último, que es más corto. En cada uno de estos períodos encontramos:


años
ΔºC/década
R2

1880-1912
33
-0,08
0,47
disminución
1913-1944
32
0,14
0,78
aumento
1945-1974
30
0,03
0,10
estabilización
1975-2005
31
0,19
0,81
aumento
2006-2013
8
0,03
0,03
estabilización


Vemos que, con una frecuencia de 30 años aproximadamente, las temperaturas globales, bien aumentan, bien se estabilizan o disminuyen.

Los aumentos de temperatura por década son superiores a las disminuciones.

El coeficiente de correlación de los dos últimos períodos de estabilización es muy bajo, singularmente el último, que se puede explicar por el pequeño número de años considerados. Hemos de tener en cuenta que el coeficiente R2 de una regresión lineal expresa el porcentaje de variación de la variable respuesta explicado por la recta de regresión, por lo que debemos considerar los períodos en los que las temperaturas se han estabilizado (1945-1974 y 2006-2013) como poco significativos, a pesar de que el primero de ellos tiene una duración de 30 años (pero con una gran variabilidad en las medias anuales).

No es de extrañar, por tanto, que estadísticamente el período de pausa actual en el aumento de las temperaturas globales, pueda, por ahora, ser considerado como una continuación del período 1975-2005. Aunque, de seguir la misma pauta que hasta ahora, con ciclos de 30 años, debería durar aproximadamente hasta el año 2035.

Todo esto, evidentemente, no explica porque la temperatura aumentó prácticamente lo mismo en el período 1913-1944, en el que la concentración de CO2 varió relativamente poco (aunque no se conozca con suficiente precisión) que en el período 1975-2005, donde pasó de 331 a 380 ppm.


viernes, 11 de julio de 2014

Cálculos renales y cambio climático


No es por alarmar a nadie, pero se acaba de publicar un estudio que afirma que el aumento de la temperatura puede provocar un aumento del número de pacientes con piedras en el riñón, titulado Daily Mean Temperature and Clinical Kidney Stone Presentation in Five U.S. Metropolitan Areas: A Time-Series Analysis. Este estudio se ha realizado sobre 60.433 pacientes de cinco ciudades norteamericanas cuyos climas son diferentes (Atlanta, Chicago, Dallas, Los Ángeles y Filadelfia) entre los años 2005 y 2011, bajo los auspicios de The Urologic Diseases in America Project y del National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases. Es decir, que parece una cosa seria.

Cuando las temperaturas medias diurnas aumentan por encima de los 10 ºC, en todas las ciudades estudiadas salvo en Los Ángeles aumentan los casos de pacientes con piedras en el riñón, con un máximo cuando estas temperaturas duran tres días. Por lo que concierne a la población más joven, el número de casos de pacientes con cálculos renales ha crecido espectacularmente en los últimos 25 años.


 Overall relative risk of kidney stone presentation cumulated over 30 day lag period associated with mean daily temperature (°C) relative to 10°C in Atlanta (A), Chicago (B), Dallas (C), Los Angeles (D), and Philadelphia (E) from 2005-2011. The estimated relative risk of kidney stone presentation associated with mean daily temperature cumulated over a 30 day lag period using distributed lag non-linear models are shown. Two spline knots were placed at equal intervals over the range of temperatures for each city. Locations of temperature knots were: Atlanta (6.7°C, 18.9°C), Chicago (-8.9°C, 6.1°C), Dallas (6.5°C, 21.4°C), Los Angeles (13.0°C, 20.6°C), Philadelphia (3.7°C, 18.4°C). Four spline knots were placed at equal intervals in the natural log scale of lags (2, 3, 5, and 10 days) to increase sensitivity for shorter lags. The solid line is the point estimate at each temperature and the surrounding grey area represents the 95% CI.

La explicación es que las altas temperaturas contribuyen a la deshidratación, con lo que aumenta la concentración de calcio y de otros minerales en la orina, lo que promueve la formación y el crecimiento de las piedras en el riñón.

El número de días cálidos durante el año tiene más importancia que la temperatura media. Por ejemplo, Atlanta y Los Ángeles tienen la misma temperatura media (17 ºC), pero Atlanta tiene más días calurosos que Los Ángeles, y el doble de problemas con piedras en el riñón.

El número de pacientes con cálculos renales ya ha ido en aumento durante los últimos 30 años, y podemos esperar que esta tendencia continúe, tanto en número como en áreas geográficas más amplias, ya que las temperaturas diarias aumentan”, concluyen los autores. “Como algunos expertos predicen que temperaturas extremas serán la norma dentro de 30 años, los niños se llevarán la peor parte del cambio climático”.

El equipo del estudio también encontró que las temperaturas exteriores muy bajas aumentan el riesgo de cálculos renales en tres ciudades: Atlanta, Chicago y Filadelfia. Los autores sugieren que el clima tan frío mantiene a la gente en el interior, donde las temperaturas son más elevadas. Los cambios en la dieta y la disminución de la actividad física pueden aumentar el riesgo de cálculos renales.

Parece ser, pues, que tanto si suben las temperaturas como predicen los que creen en el calentamiento global, como si bajan, como los que creen próxima una glaciación, estamos condenados a tener más piedras en el riñón, con lo que duelen.

domingo, 6 de julio de 2014

El retraso de la próxima glaciación debido a las emisiones de CO2


Hace unos años, el profesor Archer, da la Universidad de Chicago, publicó un interesante artículo sobre los efectos del aumento de la concentración de CO2 en la atmósfera sobre la próxima glaciación (A movable trigger: Fossil fuel CO2and the onset of the next Glaciation – 5 de mayo de 2005). En él se parte de la base de que el inicio da la formación de placas de hielo en los últimos 800.000 años parece regido por la insolación en verano a 65º N.

Con una concentración de 280 ppm de CO2, la formación de placas de hielo comienza a unos 15 W/m2 por debajo de la media. Sin embargo, la concentración de CO2 influye enormemente en la formación de placas de hielo, como se ve en la figura siguiente; partiendo de una base en la que por una concentración de 280 ppm, cuando la insolación es de 455 W/m2 empiezan a formarse capas de hielo, si la concentración de CO2 disminuye hasta las 200 ppm, una insolación de 462 W/m2 ya empieza a formar capas de hielo, y si la concentración aumenta hasta las 400 ppm, hace falta que la insolación disminuya hasta los 438 W/m2, por no hablar de una concentración de 570 ppm de CO2, a la que hace falta que la insolación veraniega de la zona 65º N disminuya hasta los 405 W/m2.


 Teniendo en cuenta que el CO2 emitido va a permanecer mucho tiempo en la atmósfera (un 7 % aproximadamente permanece al cabo de 100.000 años, y se va consumiendo mediante el ciclo de meteorización de los silicatos, que tiene una constante de tiempo de 400.000 años), podemos ver en la siguiente figura el retraso que tendrá la próxima glaciación en función de la cantidad de CO2 de los combustibles fósiles que se emitan a la atmósfera.


-         La próxima glaciación, en ausencia de emisiones de CO2, no debería empezar hasta dentro de unos 40.000 años, debido a que la insolación tardará más tiempo en disminuir que en anteriores períodos interglaciales, a causa de las particulares condiciones orbitales.
-         Con una emisión de 300 GT de carbono, prácticamente no hay variación en la duración del actual interglacial.
-         Con una emisión de 1.000 GT de carbono, la duración del actual interglacial sería de unos 120.000 años.
-         Si la emisión de carbono alcanza las 5.000 GT, el actual interglacial duraría por lo menos 500.000 años.

Las emisiones al día de hoy están ya algo por encima de las 300 GT de carbono, y actualmente son de unas 9 GT de carbono al año, a las que hay que añadir 200 GT de carbono debidas a la deforestación y cambios en la utilización del suelo.

Por tanto, la emisión de CO2 alterará el ritmo de las glaciaciones, lo que quizá no sea demasiado malo. Aunque no estaremos aquí para verlo.

lunes, 30 de junio de 2014

La extensión del hielo antártico


En mayo, la extensión del hielo marino de la Antártida ha batido un récord desde que se tienen medidas por satélite, alcanzando 12,03 millones de km2, el valor más elevado de los meses de mayo desde 1979. Es probable que en setiembre, que es cuando la extensión del hielo antártico llega a su máximo, se bata el récord del año pasado, que ya fue el mayor de la serie histórica.



sábado, 28 de junio de 2014

¿Por qué hay gases de efecto invernadero?


La atmósfera terrestre, seca, está mayoritariamente compuesta por moléculas biatómicas: nitrógeno, N2 (78,08 %) y oxígeno, O2 (20,93 %). El restante 0,97 % está formado por argón (0,93 %), dióxido de carbono, CO2 (0,040 %), metano, CH4 (0,0002 %), N2O (0,00003 %), así como de cantidades todavía menores de CO, O3 y de gases inertes como neón, helio, etc. Además, tiene una cantidad variable de vapor de agua.


Las moléculas que tienen un efecto invernadero son las que absorben la radiación emitida por la superficie de la Tierra, que se sitúa en la zona del infrarrojo, y que la vuelven a emitir en todas las direcciones. El espectro de emisión de la superficie terrestre, calculada como si fuera un cuerpo negro a una temperatura de 15 ºC (287 K) se sitúa prácticamente en su totalidad en unos números de onda comprendidos entre 130 y 2.500 ciclos/cm o cm-1 (longitudes de onda entre 4 y 75 μm aproximadamente). En la figura vemos los espectros de emisión de la superficie terrestre y de la capa externa del planeta, cuya temperatura es de unos 220 K, así como las frecuencias a las que vibran los principales gases de efecto invernadero.

Esquemáticamente, los fotones interaccionan con los gases de la atmósfera y, según su energía o longitud de onda, son capaces de:

- Fotoionizar la capa externa de electrones de un átomo (requiere una longitud de onda de 0,1 μm).
- Excitar electrones de un átomo a una capa superior (requiere longitudes de onda entre 0,1 μm y 1 μm).
- Disociar una molécula (requiere longitudes de onda entre 0,1 de μm y 1 μm).
- Hacer vibrar una molécula (requiere longitudes de onda entre 1 μm y 50 μm).
- Hacer rotar una molécula (requiere longitudes de onda mayores que 50 μm).

La radiación infrarroja tiene, por tanto, suficiente energía para causar una rotación o una vibración (o ambas) a las moléculas. Para que una molécula adquiera energía de rotación de la radiación infrarroja debe tener un dipolo permanente, es decir, debe tener una separación de cargas permanente. La adquisición, por parte de una molécula, de energía de vibración de la radiación infrarroja está asociada con un cambio del momento del dipolo. Para que un gas pueda absorber o emitir radiación hace falta que la frecuencia de la radiación sea bastante cercana a la frecuencia de la vibración de la molécula del gas.

El momento de los dipolos se mide en unidades Debyes (D): 1 D = 3.33564 × 10–30 C m (Culombio metro).

Moléculas de H2O, N2O, CO2 y CH4 en reposo. H2O y N2O son dipolos en reposo; las flechas indican la dirección del polo más negativo. CO2 y CH4 no son dipolos en reposo.

Los principales gases en nuestra atmósfera consisten en moléculas que tienen dos átomos idénticos en cada uno de ellas. Las moléculas de O2 y de N2, los dos principales componentes de nuestra atmósfera son totalmente simétricas, y al vibrar no adquieren cargas positivas en un lado y negativas en el otro, es decir, no forman dipolos. Y es por eso que no son gases de efecto invernadero.

Las moléculas de más de dos átomos pueden vibrar de manera que, en ciertos casos, se producen dipolos, razón por la cual interaccionan con la radiación infrarroja procedente de la superficie terrestre.

Las moléculas tienen diversos tipos de vibración:

-         Vibración de tensión: varían las distancias de enlace. Puede ser simétrica o antisimétrica.

-         Vibración de deformación: varían los ángulos de enlace. Si varían en el plano pueden de tijereteo o de balanceo. Si varían fuera del plano pueden ser de torsión o de aleteo.


Tipos de vibraciones moleculares. NOTA: (+) indica un movimiento del plano de la página hacia el observador; (-) indica un movimiento del plano de la página alejándose del observador

La molécula de dióxido de carbono no es un dipolo permanente. Tiene 4 vibraciones fundamentales: dos de flexión, con una misma frecuencia, cuyo número de onda es ν = 667 cm-1 (λ = 15 μm) y dos de estiramiento, de los cuales el simétrico no es activo para la absorción de infrarrojos ya que no forma un dipolo, mientras que el antisimétrico sí lo es, y tiene una frecuencia correspondiente a un número de onda de 2.349 cm-1 (λ = 4,2 μm), que está en la zona donde la radiación infrarroja es muy poco importante. Las vibraciones por flexión son las más importantes para el efecto invernadero, ya que su número de onda se sitúa en la frecuencia de máxima radiación de la superficie terrestre, mientras que la de estiramiento tiene una frecuencia en la que la radiación infrarroja de la superficie terrestre es muy débil.


En la figura podemos ver el espectro de absorción del dióxido de carbono:


La molécula de agua tiene un dipolo permanente, todas las vibraciones debidas a rotaciones también lo tienen, y estas rotaciones se encuentran en prácticamente todo el espectro de infrarrojos. Además, tiene tres vibraciones fundamentales: flexión, estiramiento simétrico y estiramiento asimétrico, con unos números de onda de 3.650, 1.600 y 3.760 cm-1 (λ = 2,7, 6,2 y 2,7 μm, respectivamente)  Únicamente la vibración cuyo número de onda es 1.600 cm-1 es relevante para la absorción de infrarrojos, ya que las otras dos están en una zona donde la radiación infrarroja emitida por la superficie de la tierra es prácticamente nula.


La figura muestra el espectro de absorción del vapor de agua:


La molécula de metano tiene nueve modos de vibración posibles, pero la mayoría no forman dipolos porque conservan la simetría. La única frecuencia de vibración en el rango de 130 a 2.500 cm-1 es una mezcla de estiramiento y flexión que vibra a ν = 1.306 cm-1 (λ = 7,7 μm)


En la figura podemos ver el espectro de absorción del metano:


La molécula de ozono forma un dipolo, al no estar alineados sus tres átomos de oxígeno. La vibración de estiramiento antisimétrica es la dominante respecto a la absorción de infrarrojos y se sitúa a ν = 1043 cm-1 (λ = 9,6 μm). Presenta otras contribuciones más débiles en el mismo rango de frecuencias debidas a la vibración por estiramiento simétrico.


La molécula de N2O presenta un dipolo permanente, pero es muy débil, por lo que todas sus transiciones de rotación tienen poca importancia para la absorción de infrarrojos. Tiene tres vibraciones fundamentales: el estiramiento simétrico a ν = 1.285 cm-1 (λ = 7,8 μm), el antisimétrico a 2.224 cm-1 (λ = 4,5 μm) y la vibración de flexión a 589 cm-1 (λ = 17 μm).

Ancho de banda de las frecuencias de absorción

Dado que las bandas de absorción están determinadas por las frecuencias de vibración de la molécula, podríamos pensar que los bordes de las bandas serían muy agudos, como si el CO2 absorbiera la radiación por completo a 667 ciclos/cm y no absorbiera ninguna radiación en absoluto a 666 o a 668 ciclos/cm. Sin embargo, ello no es así: los picos de absorción de radiación presentan una cierta anchura de banda. Hay varias razones para ello.

Una de ellas es el desplazamiento Doppler. La frecuencia de la radiación que la molécula "ve" depende de la velocidad de la molécula respecto de la fuente de radiación. Si la molécula se aleja de la fuente de radiación, absorberá la radiación con una longitud de onda menor que la teórica, y viceversa.

La otra es que las bandas de absorción se expanden cuando las moléculas del gas interactúan unas con otras, un fenómeno llamado “ensanchamiento de presión”. Los líquidos y los sólidos suelen ser unos cuerpos negros bastante buenos porque las moléculas están tan cerca unas de otras que comparten la energía. Incluso si la frecuencia de la luz es diferente de la frecuencia de la vibración, si la molécula está influenciada por las otras moléculas, es posible que la frecuencia de absorción tome una cierta "holgura" y absorba la luz de todos modos. Las moléculas de gas están generalmente demasiado separadas una de otra para que esta influencia sea grande, pero todavía lo hacen, en cierta medida, tanto más cuanto mayor sea la presión; es decir, la banda de absorción se ensanchará más en la baja atmósfera. La presión del CO2 en Venus, por ejemplo, es en tan elevada que sus bandas de absorción son muy amplias.

Resultado

El la figura siguiente podemos ver el efecto de cada uno de los gases, donde la línea continua es el espectro de la radiación infrarroja que escapa al espacio en la parte alta de la atmósfera. Podemos observar la existencia de una “ventana” entre 900 y 1.000 cm-1, en la que no hay gases que absorban o emitan radiación infrarroja.