CAMBIO CLIMÁTICO •Concepto de cambio climático •Obtención de datos y técnicas paleoclimáticas •Evidencias de cambio climático: *Paleoclimático *Actual: Calentamiento global. •Modelo de balance de energía •Mecanismos Causales de cambio climático *Parámetros orbitales *Manchas solares *Cambios en el albedo *Aumento de los gases de efecto invernadero: -GCMs y predicciones CAMBIO CLIMÁTICO CLIMA SITUACIÓN DE EQUILIBRIO DINÁMICO VARIABLES CLIMÁTICAS VARIABLES CÍCLICAS ELMIMANDO LA CICLICIDAD VARIABLES ESTACIONARIAS (FLUCTUAN ENTORNO A UN VALOR CENTRAL) <X> ± σX CAMBIO CLIMÁTICO CONCEPCIÓN ESTADISTICA CAMBIO CLIMÁTICO ANOMALÍA CLIMÁTICA CAMBIO CLIMÁTICO CONCEPCIÓN SISTÉMICA CLIMA Equilibrio dinámico como resultado de interacciones de los componentes del sistema climático CAMBIO CLIMÁTICO Variación que altera algún componente del sistema haciendo que tienda aun nuevo estado de equilibrio tras un proceso de transición. CAMBIO CLIMÁTICO PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA OBTENCIÓN DE DATOS:TÉCNICAS PALEOCLIMÁTICAS EVIDENCIAS PALEOCLIMÁTICAS Clima del Pasado CO2 y Clima del Pasado T CO2 Polvo CONCLUSIONES SOBRE CAMBIOS CLIMÁTICOS DE ÉPOCAS GEOLÓGICAS • Hace 1000 Millones de años se inició un enfriamiento debido a la actividad de los organismos fotosintéticos • Hace varios 100 Millones de años se produjo un calentamiento debido a un incremento del efecto invernadero por emisiones de CO2, con temperaturas 5 ºC mayores que las actuales. • Hace 100 Millones de años se produjo un nuevo enfriamiento • Durante el último millón de años se alternaron periodos glaciares e interglaciares con periodicidades del orden de 100.000 años. • Se detectan ciclos de menor magnitud con periodicidades de unos 1.000 años. CONCLUSIONES SOBRE CAMBIOS CLIMÁTICOS DE ÉPOCAS GEOLÓGICAS • EVIDENCIA DE CAMBIOS CLIMÁTICOS NATURALES • DIFERENTES CLIMAS DE LA TIERRA: – PLANETA CÁLIDO – GLACIACIÓN PERMENTE – PERIODOS INTERGALCIARES • LOS CAMBIOS AFECTAN MÁS A LAS LATITUDES ALTAS. • LAS FASES GLACIARES COINCIDEN CON FASES DE ACTIVIDAD OROGÉNICA • ACTUALMENTE NOS ENCONTRAMOS EN UN PERIODO INTERGLACIAR Evidencias paleoclimáticas:Variación de la temperatura en el pasado HITOS DEL ACTUAL PERIODO INTERGLACIAR • YOUNGER DRYAS BAJADA BRUSCA DE TEMPERATURA (11.000-10.000 AÑOS ATRÁS) • ÓPTIMO CLIMÁTICO POSTGLACIAR (HOLEOCENO) (7.000-5000 AÑOS ATRÁS) TEMPERATURA 3º SUPERIOR A LA ACTUAL. • EDAD DE HIERRO (2.900-2300 AÑOS ATRÁS) MÁS FRÍO Y LLUVIOSO EN EUROPA CENTRAL, MÁS ÁRIDO EN EL MEDITERRANEO. • ÓPTIMO CLIMÁTICO MEDIEVAL (1000-1200 d.C) RECUPERACIÓN TÉRMICA • PEQUEÑA EDAD DE HIELO (1430-1850) BAJADA DE LAS TEMPERATURAS Observaciones recientes de Cambio Climático Temperatura Media Globlal Promedio Global de Nivel del Mar Cobertura de nieve en el Hemisferio Norte Crecimiento de la Temperatura Media Global a un ritmo creciente Los 12 años más cálidos: 1998,2005,2003,2002,2004,2006, 2001,1997,1995,1999,1990,2000 Period Rate 50 0.128± ±0.026 100 0.074± ±0.018 Years °/decade Aumento de la temperatura media 1906-2005 de (0.74± ±0.18)ºC Aumento de las olas de calor Ola de calor extrema Verano 2003 Europa Disminución de la cubierta de nieve y del hielo marino del Ártico La cubierta nival de primavera muestra una disminución gradual del 5% durante la década de 1980. El área cubierta por hielo marino en el Ártico disminuye un 2.7% por decada (Verano:-7.4%/dec) Distribución del Cambio CAMBIOS EN EL NIVEL DEL MAR Aumento del nivel del mar global El nivel del mar ha crecido entre 1961 y 2003 a un ritmo de (1.8±0.5) mm/año y entre 1993 y 2003 a un ritmo de (3.1±0.8) mm/año. Variaciones observadas: indicadores hídricos Variaciones observadas: indicadores térmicos Observaciones directas de Cambio Climático reciente El calentamiento del sistema climático es inequívoco, tal y como evidencian las observaciones de aumento de la temperaturas globales medias del aire y los océanos, la extensión de la fusión de hielo y nieve, y la subida del nivel medio del mar. Una Perspectiva Paleoclimática La información Paleoclimática apoya la interpretación de que el calentamiento de la última mitad de siglo es inusual en el marco de los 1300 años anteriores. La última ocasión en la que las regiones polares fueron significativamente más cálidas que en la actualidad durante un periodo extenso (hace unos 125.000 años), las reducciones en el volumen de hielo polar produjeron subidas del nivel del mar de 4 a 6 metros. CALENTAMIENTO GLOBAL Siguen acumulándose pruebas sobre el calentamiento de la atmósfera. ¿en qué medida este calentamiento se debe a la actividad humana y en qué medida a causas naturales? ¿cuál es la magnitud de las variaciones naturales del clima? ¿Cómo explicar los patrones espacio-temporales observados? ¿qué otros efectos implicará el calentamiento de la atmósfera? Las respuestas son obtenidas Análisis de datos Modelos climáticos MODELO DE BALANCE DE ENERGÍA CERO-DIMENSIONAL Ecuación del balance radiativo: donde S (1 − α ) = τσ Te4 4 S = 1370 W/m2 Constante solar. α = 0.3 Albedo. τ = 0.62 (ετa) Transmisividad de onda larga σ = 5.67 x 10-8 W/m2K4 Cte de Stefan-Boltzmann. Te : Temperatura superficial de equilibrio. 1 4 S (1 − α ) Te = = 287 K 4τσ Te = Te (S, α, τ) Si τ = 1 ⇒Te =255 K Efecto Invernadero natural ∆T = 33K Modelo cero-dimensional * Dependencia respecto a la constante solar: Si 1 4 ∂Te 1 Te ∆ S = ⇒ ∆Te ≈ 287 1 + − 1 ∂S 4 S S1 ∆S ∼ 0.1%⇒ ∆Te ∼ 0.07 K * Dependencia respecto al albedo 1 4 ∂Te 1 Te ∆ α =− ⇒ ∆Te ≈ 287 1 − − 1 1 − α ∂α 4 (1 − α ) Si ∆α ∼ 0.1% ⇒ ∆Τe ∼ 0.03 K * Dependencia respecto a la transmisividad atmosférica 1 4 ∂Te 1 Te ∆ τ =− ⇒ ∆Te ≈ 287 1 − − 1 τ 2 ∂τ 4τ Si ∆τ ∼ 0.1% ⇒ ∆Te ∼ 0.07 K MODELO CERO-DIMENSIONAL Incógnita:Temperatura global superficial media, T. La cantidad de energía que un sistema intercambia con el medio puede expresarse en función de la variación temporal de temperatura como dQ dT = mc dt dt En términos de los flujos radiativos, S (1 − α ) R ↓= 4 R ↑= τσT '4 ≈ A+ BT m: masa del sistema. c : calor específico del sistema. dQ 2 = ( R ↓−R ↑) 4π RT dt A = 204 W/m2, B = 2.17 W/m2ºC RT = 6378 km radio terrestre T’ en K, T en ºC 4π R dT ( R ↓−R ↑) mc = dt 2 T HIPÓTESIS DEL MODELO Modelo “cero-dimensional”, no se tienen en cuenta procesos internos de transferencia de masa, momento o energía, variaciones con la latitud, longitud y altitud ni contrastes geográficos. La capacidad calorífica de los océanos es una buena aproximación de la capacidad calorífica del planeta. La masa de agua que interviene es la constituída por la capa de mezcla. No se considera el papel del océano profundo. C constante, no se consideran variaciones en los océanos. La radiación infrarroja saliente puede parametrizarse con un buen grado de aproximación como R↑=A+BT (T en ºC). ρ d 4π RT2 fc mc C = = = ρ dfc 2 2 4π RT 4π RT ρ = 1.025 g cm-3 densidad del agua del mar f = 0.7 fracción de superficie terrestre cubierta por oceanos d = 70m c = 4128 J K-1 kg-1 profunidad de la capa de mezcla calor específico del agua C ~ 2 x 108 J Km-2 La capacidad calorífica de los océanos es mucho mayor que la de la atmósfera Igualando ambas expresiones, se obtiene la ecuación diferencial dT B S (1−α) A + T= − dt C 4C C Variable independiente: tiempo t Variable dependiente: temperatura superficial global T MODELO CERO-DIMENSIONAL (ninguna variación en latitud/longitud) 4π RT2 dT ( R ↓−R ↑) mc = dt S (1 − α ) R ↓= 4 R ↑= τσT ' ≈ A+ BT dT B S (1−α) A + T= − dt C 4C C 4 mc ρd 4π RT2 fc C= = = ρdfc 2 2 4π RT 4π RT A = 204 W/m2, B = 2.17 W/m2ºC RT = 6378 km radio terrestre C∼ ∼ 2 x 108 J/Km2 T en ºC Variable independiente: tiempo t Variable dependiente: temperatura superficial global T Solución de la ecuación si S, α, A son ctes. B − t dT B S (1−α) A C T = T + (T − T )e + T= − dt C 4C e C 0 S (1 − α ) A Te = − ≈ 287 K B 4B T0 = T(t=0)=278 K T0 = T(t=0)=298 K To=298 K 300 300 295 295 T(K) T (K) To=278 K 290 290 285 285 280 280 0 5 10 e 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 20 25 t (años) t (años) T→ →Te=287 K 30 35 40 45 50 Concepto de Forzamiento Radiativo El Forzamiento Radiativo mide la modificación del Balance de Energía del Sistema Tierra-Atmósfera cuando los factores que afectan el clima se ven alterados. Se mide en términos de densidad de flujo de energía, W m-2. Cuando un factor o grupo de factores producen un forzamiento positivo la energía del Sistema TierraAtmósfera aumenta y se produce un calentamiento del sistema. Por el contrario, si un factor o grupo de factores producen un forzamiento negativo la energía del Sistema Tierra-Atmósfera disminuye y se produce un enfriamiento del sistema. CAUSAS DE LOS CAMBIOS CLIMÁTICOS CAUSAS EXTERNAS • VARIACIONES DE LA FUENTE SOLAR (S) •CAMBIOS ORBITALES TIERRA-SOL(S) CAUSAS INTERNAS • COMPOSICIÓN ATMOSFÉRICA(A y B, α) •NATURALEZA DE LA SUPERFICIE TERRESTRE (α) •CIRCULACIONES ATMOSFÉRICA Y OCEÁNICA CAUSAS ANTROPOGÉNICAS • COMPOSICIÓN ATMOSFÉRICA(A y B, α) •NATURALEZA DE LA SUPERFICIE TERRESTRE (α) Variaciones orbitales terrestres: Perturbaciones cíclicas de la órbita elíptica provocadas por la atracción gravitatoria del resto de los planetas del Sistema solar: (a) Excentricidad: eactual=0.017 emín=0.005, emáx=0.06, τe ∼ 105 años. (b) Oblicuidad: εactual=23.5º ψ mín=22.1º, ψ máx=24.5º, τε ∼ 41⋅103 años. (c) Precesión: Fecha del perihelio Actual= 5 Enero, τP ∼ 22⋅103 años. Teoría de Milankovitch: eras glaciares Glaciaciones y Teoría de Milankovich RESULTADOS Excentricidad: A mayor e, menor flujo anual incidente. emín=0.005 ∆S= 0.014%, emáx=0.06 ∆S= -0.17% Cambios en ψ, P no influyen en la radiación total recibida, sólo en los gradientes superficiales y en la variabilidad estacional -Menor ψ menor estacionalidad: extensión de hielos en latitudes altas. - Cambio en P: variación en la intensidad de cambios estacionales. -Si S=S(t) ⇒ α ≠ cte, A≠ cte Contrastación (registros geológicos) •Periodicidad de las glaciaciones es ∼ 105 años (la más importante), ∼ 41000 y 23000 años Sin embargo los modelos estiman que los cambios en ψ y P deben ser más importantes. •Amplitud de la oscilación térmica (diferencia entre periodos glaciares e interglaciares) es ∼ 6 K •¿por qué ha habido periodos sin glaciaciones? ACTIVIDAD SOLAR Variaciones del campo magnético solar ⇒variaciones temporales en el número de manchas solares: Regiones de la fotosfera más oscuras y frías (∼ 4000 K). Tamaño medio ∼ 10.000 km. Ocurren en pares o en complejos grupos. Persisten durante varios días o semanas. Aparecen entre el ecuador solar y los 40° de latitud. Están rodeadas de zonas de gran luminosidad (fóculas) A mayor actividad solar, mayor número de manchas y de radiación emitida. Periodicidad en el número de manchas solares observadas de ∼11 años. N Promedio anual de manchas solares. 200 160 120 80 40 0 1750 1800 1850 1900 Año 1950 2000 MANCHAS SOLARES Manchas solares y radiación solar emitida MANCHAS SOLARES 0,1 T-Te (K) Los modelos estiman ∆T ∼ 0.12 K con periodicidad del orden de 11 años. Influencia de la variabilidad solar. 0 -0,1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Año Contrastación: Discusión: * Problema empírico, ∆S ∼ error * Numerosos registros climáticos instrumental. muestran esta periodicidad. * Física solar. * Modelos más complejos * ∆T ∼ error instrumental. muestran variaciones del orden *Periodos de baja actividad solar: de 0.16, 0.2 ó 0.45 K. Mínimo Maunder (1645-1715). Actividad Volcánica • Actividad episódica. • Los efectos climáticos de los aerosoles volcánicos dependen de varios factores: · · · · · Volumen de material lanzado por la erupción. Latitud del volcán. Patrón de circulación estratosférica. Composición química del material (sulfatos) Tamaño de las partículas, distribución y vida media (∼2 años). • Efecto radiativo: La nube de aerosoles volcánicos en la baja estratosfera aumenta el albedo efectivo del planeta, a través de la reflexión directa. α∈ (0.29,0.35) • Ej: Pinatubo (Junio1991) ∆α ∼ +0.01 ∆Q = -Qo∆α ∼ -3.4 W/m2 Actividad Volcánica • El MBE estima variaciones ∆T ∼ -0.4 K de efecto temporal muy limitado • Contrastación: En el estudio de los efectos climáticos del Pinatubo se han encontrado descensos de la temperatura del orden de 0.3 a 0.6 K, con una duración no superior a los dos años. DISCUSIÓN • La naturaleza episódica e irregular de las erupciones hace prácticamente imposible la predicción. • Sólo una sucesión continuada de erupciones volcánicas daría lugar a cambios perdurables (“Pequeña Edad de Hielo”). • Dificultad en la caracterización (composición química, tamaño de las partículas) de la nube de aerosoles. • Dependencia respecto a la circulación de la baja estratosfera para la difusión de la nube de aerosoles. VARIACIONES EN ESCALAS GEOLÓGICAS GASES DE EFECTO INVERNADERO § vapor de agua. CO2 CH4 O3 CFCs. Si [CO2]↑ ⇒τ (transmisividad)↓⇒A↓⇒T↑ La concentración actual de CO2 (354 ppmv) es un 25% superior a su valor pre-industrial. CO2 CH4 Las concentraciones atmosféricas de CO2 y CH4 en 2005 superan ampliamente el rango natural de los últimos 650,000 años. Los incrementos en la era post-industrial no son de origen natural. CO2 CH4 Las concentraciones atmosféricas de CO2 y CH4 en 2005 superan ampliamente el rango natural de los últimos 650,000 años. Los incrementos en la era post-industrial no son de origen natural. Agentes humanos y naturales del Cambio Climático Concentraciones de CO2, CH4 y N2O -Superan ampliamente los valores preindustriales -Desde 1750 experimentan un marcado aumento debido a las actividades humanas -Antes de la era industrial el cambio es relativamente pequeño El forzamiento radiativo debido al incremento de las concentraciones de CO2, CH4 and N2O, y con mucha probabilidad el ritmo de aumento en forzamiento debido a estos gases desde 1750, no tienen precedente en los 10,000 años anteriores. Rapidez de los cambios La rapidez de los cambios observados es inusual alta cuando se analizan los últimos 20.000 años Promedios Globales de Forzamiento Radiativo DISCUSIÓN Resultados MBE: ∆Τ ∼ 0.5 K en 100 años. T función creciente del tiempo Constrastación: La T media global ha crecido en ∼ 0.6 K desde 1850. Crecimiento uniforme (gran variabilidad interanual) Problemas ♣ Incertidumbres respecto a los niveles pre-industriales de CO2 con un error asociado de ∆Q ≈ ± 0.3 W/m2 (∼16% del “forcing” supuesto desde 1860). ♣ Los resultados de otros modelos están comprendidos entre 0.5 y 1.0 K, según se considere o no la aportación de los CFCs ♣ Se desconoce con precisión el ciclo del carbono y otros gases de invernadero (manantiales, sumideros, tiempo de residencia en la atmósfera, etc.). ♣ El calentamiento debido al aumento de los gases de invernadero es del mismo orden de magnitud que las variaciones provocadas por causas naturales. ♣ ∆TSol ∼ ± 0.06 K ∆Τvolcán ∼ 0.4 K Indicaciones de los Modelos Indicaciones de los Modelos La mayor parte de los cambios de temperatura en los últimos 50 años son atribuibles al Hombre Stott et al, Science 2000 Proyecciones Futuras. Escenarios. A1: Un mundo de rápido crecimiento económico con la rápida introducción de nuevas y más eficientes tecnológias A2: Un mundo muy heterogéneo con énfasis en los valores familiares y en las tradiciones locales. B1: Un mundo menos „materialista“ con la introducción de tecnologías límpias B2: Un mundo con énfais en soluciones Locales a la sostenibilidad económica y Medioambiental. IS92a „business as usual“ escenario (1992) ESCENARIOS DE EMISIONES DEL IPCC: B1, B2, A1, A2 Cambio en las emisiones de CO2 procedentes de fuentes enegéticas y/o industriales para el año 2100, varía desde una disminución del 4% (B1), a un aumento del 320% (A2). [CO2-1999] = 370 ppmv → B1: [CO2-2100] = 550 ppmv A2: [CO2-2100] = 830 ppmv El efecto del ↑ [CO2] sobre el cambio climático global → depende de la sensibilidad climática: Baja (1.5ºC) Media (2.5ºC) Alta (4.5ºC) B1-bajo: escenario con menores emisiones combinado con el de menor sensibilidad. A2-alto: escenario con emisiones más altas combinado con el de mayor sensibilidad. CAMBIOS CALCULADOS RESPECTO AL PROMEDIO 1961-90 1980* T (ºC) 0.13 0.13 0.13 0.13 1990* T (ºC) 0.28 0.28 0.28 0.28 B1-bajo B2-med A1-med A2-alto * Indica década CO2 (ppmv) 421 429 448 440 2020 Nivel del T CO2 mar (cm) (ºC) (ppmv) 0.6 7 479 0.9 20 492 1.0 21 555 1.4 38 559 2050 Nivel del T CO2 mar (cm) (ºC) (ppmv) 0.9 13 532 1.5 36 561 1.8 39 646 2.6 68 721 2080 Nivel del T mar (cm) (ºC) 1.2 19 2.0 53 2.3 58 3.9 104 Escenarios de emisión y concentraciones resultantes ESCENARIOS DE EMISIÓN Escenarios A: Aumentos de la emisión de gases invernadero Escenarios B: control de las emisiones IS92a: niveles de emisión de 1992 PREDICCIONES DE LOS GCMS Cambio en la temperatura media anual de 2071-2100 relativo a 1990 Media Global (2085)=3.1ºC (A2) Se prevé un incremento global en la precipitación con áreas más húmedas y otras más secas Cambio en la precipitación media anual: 2071 to 2100 relativo to 1990 PROYECCIONES DE LOS GCMS Se prevé que la temperatura superficial media global aumente durante el siglo XXI Temperatura PROYECCIONES DE LOS GCMS Precipitación Diferencias regionales y estacionales en el calentamiento sobre tierra para A2 y B2 El nivel medio del mar se prevé que aumente durante el siglo XXI Se prevé un aumento en la ocurrencia de sucesos extremos Cambios previstos durante el siglo XXI • Temperaturas máximas más altas, más días cálidos y más olas de calor, sobre prácticamente todas las áreas terrestres (Alta probabilidad) • Temperaturas mínimas más altas, menos días fríos y con heladas y menos olas frías, sobre prácticamente todas las áreas terrestres (Alta probabilidad) • Sucesos de precipitación más intensos sobre muchas áreas (Alta probabilidad) • Aumento de sequías estivales sobre la mayor parte del interior continental para latitudes medias (Probable) • Aumento de la intensidad del viento y precipitación en los ciclones tropicales (Probable) Ejemplos de impactos • Aumento de la mortalidad de ancianos en áreas urbanas • Daños en las cosechas • Aumento del estrés en el ganado • Más plagas y enfermedades • Pérdida de algunos cultivos • Deslizamientos de tierras y aludes • Daños a la propiedad e incremento de los costos de los seguros • Reducción de la productividad de zonas de pastos, aumento de fuegos • Decrecimiento de energía hídrica • Daños a diferentes sistemas ecológicos y socioeconómicos. Cambios observados en la Península Ibérica Respecto a 1961-90 (13.1ºC) Respecto a 1961-90 (257 mm) Cambios Globales y en la Península Ibérica observados (hasta 1998) y calculados (1960-2100) según los cuatro escenarios B1, B2, A1, A2 Cambios previstos en la Temperatura media anual respecto1961-90 para periodos de 30 años centrados en 2020, 2050, 2080 según los escenarios B1, B2, A1, A2 Cambios previstos en la Precipitación media anual respecto1961-90 para periodos de 30 años centrados en 2020, 2050, 2080 según el escenario A1-medio Agentes humanos y naturales del Cambio Climático La comprensión de las influencias sobre el clima del calentamiento y enfriamiento antropogénico ha mejorado desde el Tercer Informe Sobre el Cambio Climático, con el resultado de que existe un nivel de confianza muy alto de que el efecto neto globalmente promediado de las actvidades humanas desde 1750 ha sido de calentamiento, con un forzamiento radiativo de +1.6 [+0.6 a +2.4] W m-2. Observations Atribución • Los cambios observados son consistentes con las respuestas esperadas a los forzamientos inconsistentes con explicaciones alternativas All forcing Solar+volcanic Las emisiones de gases de efecto invernadero y aerosoles de origen antropogénico continúan alterando la atmósfera de forma que son esperables efectos sobre el clima. • Las concentraciones de gases de efecto invernadero y su forzamiento radiativo han seguido aumentando por la acción del hombre. • Los aerosoles antropogenicos tienen una vida media corta y producen fundamentalmente un forzamiento radiativo negativo. • Los factores naturales han tenido una pequeña contribución al forzamiento radiativo durante el s. XX. • La confianza en los modelos de predicción ha aumentado. • Podemos afirmar con gran seguridad que la mayor parte del calentamiento observado durante los últimos 50 años se debe a las actividades humanas. Las emisiones de gases de efecto invernadero y aerosoles de origen antropogénico continúan alterando la atmósfera de forma que son esperables efectos sobre el clima. • Las influencias humanas seguirán produciendo cambios en la composición atmosférica durante el siglo XXI. • Para todos los escenarios de emisiones futuras analizados en el marco del IPCC se prevén aumentos de la temperatura global y del nivel del mar. • Los cambios climáticos producidos por el hombre serán persistentes durante siglos. • Deben de continuarse las actividades que permitan resolver las carencias en información y comprensión del fenómeno del cambio climático.