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Estrategias y retos en el estudio del clima: modelos y
paleoclimas
Ecotropía
(Barcelona).
El estudio del clima, o más
bien la comprensión de lo que es el sistema climático, es uno de los grandes
retos a los que la comunidad científica se enfrenta actualmente. En efecto,
podemos describir el clima actual, pero no sabemos como éste ha evolucionado
hasta la situación presente desde que se formó la Tierra, y por lo tanto, es
extremadamente difícil predecir hacia donde nos encaminamos de aquí a unos
años. Por ejemplo, ¿por qué hoy en día en Escandinavia hay un clima
relativamente benigno y los humanos tienen un alto nivel de bienestar, mientras
que en latitudes parecidas pero al otro lado del Atlántico, en el norte de
Canadá, las condiciones son mucho más frías y austeras? ¿Porqué hace unos 21
000 años (durante los períodos glaciares) había casquetes de hielo de varios
kilómetros de altura en Norte América y Escandinavia? O, ¿cómo es que todas
estas masas de hielo han desaparecido casi en su totalidad, pero no en
Groenlandia?
Para obtener respuestas convincentes a estas y otras
cuestiones, el estudio de la Tierra y su clima no se puede abordar si no se
trasciende la división tradicional de las ciencias naturales en disciplinas
compartimentalizadas, de acuerdo con las cuales se han formado casi la
totalidad de los científicos actuales. He aquí uno de los principales retos, y
la dificultad que implica hacer ciencia interdisciplinar y aprender a combinar
conocimientos y metodologías de todas las áreas, desde la astronomía a la
biología, y todo ello aliñado con estudios de campo y modelos matemáticos. Así,
el estado del clima en cualquier momento de la historia de la Tierra depende de
la interacción de elementos externos al planeta (por ejemplo, radiación del
Sol, órbita de la Tierra alrededor del Sol, meteoritos) e internos (por
ejemplo, composición y dinámica de la atmósfera, biosfera, océanos, erupciones
volcánicas). Más recientemente los humanos nos hemos añadido al sistema como
otro elemento del estado del clima, como mínimo potencialmente influyente
debido a las modificaciones que causamos en la composición natural de la
atmósfera y de la cubierta terrestre. Todos los elementos interaccionan entre
si en diferentes escalas de tiempo (de décadas a millones de años) y espacio (de escalas locales a globales) de
forma compleja, a menudo no linealmente sino a «saltos». Como consecuencia, la
única manera en que se pueden entender en su totalidad la mecánica de lo que
actualmente se denomina el sistema Tierra es a través de su modelización
matemática usando superordenadores. El sistema es demasiado complejo para
entenderlo sin ellos.
Aunque hay personas que dicen que pueden ver el
futuro, la única manera científica para
predecir el clima es usando modelos matemáticos. Estos son imperfectos, ya que
tienen que representar un sistema, el funcionamiento del cual no se entiende
completamente, como por ejemplo el papel preciso que juega la biosfera en el
ciclo del carbono. Tampoco se sabe como modelar ciertos elementos clave, como
las nubes, que juegan un papel muy importante en el ciclo hidrológico y en el
intercambio de energía del planeta con el espacio. Tampoco hay aún ordenadores
suficientemente potentes que puedan representar de forma realista todo el
sistema, lo que obliga a hacer simplificaciones, como por ejemplo, dividir la
Tierra en cuadrículas de 1 grado de longitud y latitud e ignorar detalles más
pequeños con lo que se pierde información de escala menor, regional. Todo ello
conlleva que los modelos sean forzosamente imperfectos por diseño, por lo cual
su capacidad de predicción puede quedar en entredicho. Además, cada
investigador usará sus propias estrategias para modelar, lo que también conlleva
que diferentes modelos den predicciones u ofrezcan escenarios diferentes aunque
partan de unas mismas premisas. Pero, como no hay predicción posible sin
modelos, los necesitamos, como también necesitamos saber su validez. De este
modo una de las áreas claves de investigación es la validación de los modelos
climáticos. Una de las estrategias preferidas de validación es la de contrastar
la capacidad de un modelo climático para reconstruir el clima de la Tierra en
el pasado, especialmente durante el último máximo glacial, hace entre 19 000 y
23 000 años. En este período, el nivel del mar era unos 120 metros más bajo que
el actual, debido a la enorme cantidad de agua atrapada en los gigantescos
casquetes glaciares. La concentración atmosférica de gases de efecto
invernadero era muy inferior a la actual, más de un 50% menos. Se considera que
si un modelo puede representar de manera realista el clima del período glacial,
cuando las condiciones del sistema climático eran muy diferentes a las
presentes, es entonces suficientemente robusto para representar condiciones
futuras, cuando particularmente las concentraciones de gases de efecto
invernadero también serán muy diferentes a las actuales. Así, la reconstrucción
de climas pasados, es decir los estudios paleoclimáticos, es otra área
prioritaria de investigación.
La reconstrucción paleoclimática también plantea
retos considerables. Más allá de los últimos 150 años no hay registros
climáticos instrumentales y cualquier reconstrucción está basada en métodos aproximativos
que ofrecen una estimación de variables climáticas. Ello hace que las
reconstrucciones cuantitativas sean extremadamente difíciles y a menudo con
errores de magnitud incierta. Por ejemplo, una de las maneras más fiables de
reconstruir la temperatura del mar es mediante el índice UK/37 que consiste
en el análisis en sedimentos marinos de unos compuestos orgánicos producidos
por algas unicelulares fotosintéticas que viven en la zona fótica del mar. La
dificultad en el uso de este índice radica en que no se sabe con certeza a qué
profundidad de la superficie del mar o estación corresponden las estimaciones
de temperatura, ya que aparte de haber mucha variabilidad interanual, la zona
fótica tiene diferente profundidad en diferentes latitudes. Además, como los
métodos de reconstrucción paleoclimática se han establecido mediante el estudio
de ambientes modernos, es difícil establecer cuál es su validez en tiempos
pasados. Esto es así, ya sea porque se dan con frecuencia cambios ambientales
que dan lugar a entornos que no son análogos a los actuales, o por las
transformaciones de las señales al acumularse en registros geológicos.
De todos modos, a parte de la validación de
modelos, el uso de la paleoclimatologia ha permitido hacer grandes avances en
nuestra comprensión del sistema climático. Por ejemplo, no hay ninguna duda de
que estamos instalados en el cambio. Los registros del pasado nos
muestran que tanto la temperatura del mar, como la vegetación, la composición
de la atmósfera o las corrientes oceánicas cambian de manera periódica en
ciclos de decenas de miles, centenares o décadas de años. Cambios de gran
magnitud se pueden dar de forma gradual sobre períodos evolutivos de las
especies o de manera «abrupta» en períodos de duración inferior a una
generación humana. Estudiando la relación a través del tiempo entre variables
que caracterizan el clima directamente (p.ej. la temperatura), o indirectamente
(p.ej., la presencia de hielo en el continente depende en parte de la temperatura,
pero también de variables como la precipitación), con factores de cambio, como
la composición de la atmósfera (p.ej. el dióxido de carbono o CO2)
se han establecido relaciones causa-efecto entre variables y procesos. Así, los
testigos de hielo de Groenlandia y la Antártida muestran de forma concluyente
como las concentraciones de los gases de efecto invernadero han variado de
forma paralela a los ciclos glaciares/interglaciares durante, como mínimo, los
últimos 400 000 años.
El estudio del pasado también ayuda a dar una
cierta perspectiva de la situación actual y futura. Por ejemplo, ha habido
épocas en que la temperatura media de la Tierra ha sido probablemente más
cálida que hoy en día, y las concentraciones de dióxido de carbono más altas. Pero
bien es cierto que las concentraciones de dióxido de carbono atmosférico
actualmente son las más altas de los últimos 400 000 años y probablemente de varios millones de años
atrás. La concentración de dióxido de carbono
actual es de 365 ppm, mientras que los máximos de los últimos tres
interglaciales no han sobrepasado las 300 ppm, aunque normalmente los valores
alcanzados en épocas análogas a la actual son de cerca 280 ppm, lo mismo que
las concentraciones preindustriales. Al ritmo actual de crecimiento del
contenido de dióxido de carbono en la atmósfera, dentro de pocos años el
crecimiento de este gas, desde el siglo XIX, habrá ultrapasado el incremento
que se observa entre épocas glaciales (200ppm) e interglaciales (280ppm).
Actualmente, estamos y nos dirigimos hacia una situación con un efecto
invernadero muy fuerte, quizás análoga al período de transición ente el
Paleoceno y Eoceno, hace unos 57 millones de años.
Pero posiblemente el tema más preocupante es que
estudios paleoclimáticos y modelos muestran como el sistema climático puede
oscilar entre modos estables de funcionamiento de una manera abrupta. Así, se
teme que el actual incremento de dióxido de carbono atmosférico, más que llevar a
un incremento gradual y proporcional de las temperaturas medias del planeta,
puede causar un cambio brusco en el funcionamiento de alguna de las partes del
sistema, como por ejemplo la circulación oceánica o el ciclo hidrológico. El
problema se encontraría en nuestra limitada capacidad de anticipar cómo este
cambio se traducirá en cambios en el régimen de temperaturas o hídrico a escala
local en diversas partes del planeta. Además, el hecho de que pueden ser
cambios muy rápidos reduce nuestra capacidad de adaptación a un nuevo entorno.
En definitiva, avances en el estudio del clima se
están consiguiendo a base de combinar varios tipos de estudios complementarios.
Por un lado el desarrollo de modelos climáticos con capacidad predictiva o de
exploración de futuros escenarios climáticos. Por otro, los estudios
paleoclimáticos que permiten tanto
validar los modelos como explorar la dinámica real del sistema climático y
vislumbrar el peso relativo de sus componentes. No obstante, todo ello tiene
que estar basado en un conocimiento detallado del presente, que entre otras
cosas permite comprender las múltiples interacciones entre las muchas piezas del
sistema Tierra, desarrollar métodos de paleo-reconstrucción, y especialmente
valorar el papel que los humanos jugamos en el sistema como un elemento más de
cambio ambiental.
Antoni Rosell Melé es profesor de Investigación de la ICREA (Institución Catalana de
Investigación y Estudios Avanzados) en el Instituto de
Ciencia y Tecnología Ambiental de la Universidad Autónoma de Barcelona.
Más información en la red
NOAA Paleoclimatology program: http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/
PAGES: Past Global Changes: http://www.pages-igbp.org/
Paleoclimate Modelling
Intercomparison Project: http://www-lsce.cea.fr/pmip/
United Nations Environment
Programme: http://www.grida.no/climate/vital/
http://climatechange.unep.net/
http://www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/index.htm
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