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#ShowAllYourStripes (primera parte)

Reproducción del artículo de nuestro compañero Benito Fuentes López, publicado en la revista NAUKAS

Todo el mundo sabe que, como consecuencia del aumento en la concentración de gases de efecto invernadero, la temperatura superficial de la atmósfera está aumentando, pero ¿qué pasa en niveles más altos de la atmósfera? Te lo explica nuestro compañero Benito, que ha hecho un excelente trabajo de análisis y visualización de datos que reproduciremos en cuatro entradas sucesivas.

En mayo de 2018 Ed Hawkings publicó sus famosos warming stripes [1], líneas que representan la anomalía de temperatura media anual en superficie con respecto al periodo de referencia 1981-2010 y que en twitter se etiquetan con el hashtag #ShowYourStripes o #WarmingStripes. Una línea azul significa que, en conjunto, ese año fue más frío que el periodo de referencia (tanto más frío cuanto más azul) y una línea roja significa que, en conjunto, ese año fue más cálido que el periodo de referencia (tanto más cálido cuanto más rojo). César Rodríguez Ballesteros [2] tiene publicado en su blog los warming stripes o códigos de barras de los principales observatorios del país.

Figura 1. Warming stripes o código de barras de España. Fuente: César Rodríguez Ballesteros.

Estos stripes son muy visuales, fáciles de entender y muestran de manera inequívoca la principal consecuencia del incremento del efecto invernadero: el aumento de la temperatura en la troposfera. Es la capa más baja de la atmósfera y se extiende desde la superficie hasta los 10 ó 15 kilómetros de altitud o aproximadamente hasta los 100 hPa en unidades de presión. A medida que nos trasladamos a épocas más recientes los tonos azules dan paso a los tonos rojos. La mayoría de la gente desconoce otra segunda consecuencia del incremento del efecto invernadero: la disminución de temperatura en la estratosfera. Esta capa se extiende aproximadamente desde los 10 ó 15 kilómetros de altitud hasta los 50 (en unidades de presión, aproximadamente desde 100 hPa hasta 1 hPa). Dentro de ella se habla de estratosfera baja (desde 100 hPa hasta 30 hPa), estratosfera media (30 hPa a 3 hPa) y estratosfera alta (3 hPa a 1 hPa). Si fuésemos capaces de dibujar los stripes de la estratosfera pasaríamos de los tonos rojos a los tonos azules. Y si representáramos las dos capas observaríamos ambos efectos, que podríamos etiquetar con el hashtag #ShowAllYourStripes.

Figura 2. Stripes en todos los niveles para el conjunto del planeta desde superficie hasta 20 hPa. Para la realización de esta gráfica se emplearon 32000 millones de datos y varias horas de computación.

El Laboratorio de Ciencias Físicas de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA, EEUU) dispone de un método capaz de reconstruir de manera fidedigna las condiciones meteorológicas cada tres horas desde 1836 hasta 2015. La versión V3c de este reanálisis permite conocer la temperatura media de cada mes en 28 niveles diferentes (desde superficie hasta 1 hPa). Para la realización de la figura 2 se calculó previamente la temperatura media de cada mes en cada nivel tomando como referencia el periodo 1981-2010. A continuación se comparó cada uno de los 60480 puntos (2160 meses x 28 niveles) con su mes y su nivel de referencia asignando un tono más azulado o más rojizo según la diferencia fuera negativa o positiva. Los niveles que abarcan desde 20 hPa hasta 1 hPa no han sido dibujados para dejar más espacio en la figura a la troposfera. Además, se ha añadido una segunda gráfica debajo de la principal con objeto de mostrar con más detalle lo que acontece en capas bajas (desde superficie hasta 950 hPa, aproximadamente 500 metros). La figura 2 resume lo explicado anteriormente: calentamiento hasta los 100 hPa y enfriamiento por encima.

Efecto invernadero

Antes de continuar con esta lectura te voy a pedir encarecidamente que leas el artículo “Un viaje en autobús” [4], publicado en el blog de la Agencia Estatal de Meteorología, porque explica, grosso modo, qué es el efecto invernadero y haré referencia a él en los próximos párrafos. Ahí hago hincapié en el equilibrio energético que presenta nuestro planeta. La energía que recibe es exactamente la misma que devuelve pero al no hacerlo inmediatamente ni de la misma forma se produce un calentamiento neto de la superficie.

Cualquier objeto, cosa, persona del universo tiene temperatura, absorbe y emite energía. Cuanta más energía absorba más temperatura alcanzará y más energía emitirá. Si no existiesen gases de efecto invernadero la superficie terrestre absorbería energía de onda corta (o visible), se calentaría hasta los -18 ⁰C y emitiría exactamente 240 W/m2 al exterior para mantener ese equilibrio. ¡Sería un mundo helado! [La energía que emite un objeto, cosa, persona a -18 ⁰C es exactamente 240 W/m2 y corresponde a lo que llamamos onda larga o infrarrojo]. Haciendo una analogía con el autobús, los pasajeros entrarían, validarían el ticket junto a la cabina del conductor y se marcharían enseguida.

A los gases de efecto invernadero les gusta mucho la energía de onda larga y no dejan que escape directamente sino que quieren “jugar” con ella y la tienen “pululando” un rato antes de dejarla marchar. La clave del efecto invernadero es que cuando esa energía se escapa definitivamente no lo hace desde la superficie sino desde donde estaba “pululando”, es decir, desde una altura mayor. Siguiendo nuestra analogía, si los pasajeros permanecen muchas paradas antes de marcharse el autobús se abarrota y la salida no se hace desde la cabina del conductor sino desde más lejos. Siguen saliendo el mismo número de personas que entran pero lo abandonan desde zonas más alejadas de la entrada.

Figura 3. Izquierda: los pasajeros suben, validan el ticket y se bajan enseguida. Derecha: los pasajeros suben, validan el ticket y permanecen mucho tiempo en el autobús. Mientras tanto, el autobús se va llenando y los pasajeros se bajan desde zonas más alejadas de la entrada.

Los gases invernadero hacen que la emisión de los 240 W/m2 no se produzca desde la superficie sino desde una altura promedio de 5 kilómetros que, por tanto, tiene una temperatura promedio de -18 ⁰C. La energía “pululante” calienta todo lo que hay debajo a razón de unos 6.5 grados por kilómetro conforme se baja de ese nivel. Por tanto, en la superficie cabrá esperar 6.5×5 = 33 grados más, unos 15 ⁰C. Gracias a este efecto invernadero la superficie terrestre no es un mundo helado. El efecto invernadero es una buena noticia.

Calentamiento de la troposfera

¿Qué sucede si aumenta la cantidad de gases invernadero? Algo similar a lo anterior. El aumento de la opacidad en el infrarrojo provoca que la emisión no se haga desde ese nivel de 5 kilómetros sino desde otro superior porque a la energía le cuesta más escapar. Supongamos que se hace desde 200 metros más arriba: todo lo que hay por debajo se calentará a razón de 6.5 grados por kilómetro conforme se desciende de ese nivel. Por tanto, en la superficie cabrá esperar 6.5×5.2 = 34 grados más, unos 16 ⁰C. La atmósfera sigue emitiendo 240 W/m2 pero al hacerlo desde una altura superior provoca que la superficie se caliente. Esto se conoce como incremento de efecto invernadero y no sé si es una noticia mala pero, como mínimo, no es deseable.

Figura 4. Izquierda: si no existen gases invernadero, la emisión neta de energía se produce desde la superficie, a la que asignamos -18 ⁰C. Centro: los gases invernadero evitan que la energía se escape inmediatamente. La emisión neta se realiza desde una capa situada a 5 km y a -18 ⁰C. Toda la capa que hay debajo se calienta y se produce un efecto invernadero. Derecha: si aumenta la cantidad de gases invernadero la emisión se realiza desde una capa situada a más de 5 km y a -18 ⁰C. Toda la capa que hay debajo se calienta aún más y se produce un incremento del efecto invernadero.

 

Ahora podemos entender parte de la figura 2. Por debajo de los 100 hPa (nivel aproximado de la troposfera) los colores pasan de los azules a los amarillos indicando que la atmósfera se está calentando a consecuencia del aumento de los gases invernadero, sobre todo desde finales del siglo XX. El calentamiento se produce aproximadamente hasta los 10-15 kilómetros de altitud, no sólo hasta los cinco, porque en la troposfera el aire se mezcla y redistribuye todo el calor. Además, la atmósfera no es algo rígido y la emisión tiene lugar a lo largo de una capa extensa y no en un nivel fijo. Si sumamos la emisión total en esa capa extensa se obtienen 240 W/m2.

Calentamiento de la estratosfera

A medida que ascendemos y nos alejamos de la superficie la temperatura disminuye gradualmente con la altura hasta llegar al tope de la troposfera, donde se registran valores entre -60 ⁰C y -80 ⁰C. A partir de entonces, una vez alcanzada la estratosfera, la temperatura aumenta con la altura. En esta capa el aire apenas se mezcla y predomina el equilibrio radiativo: cada estrato absorbe una cierta cantidad de energía, se calienta y la emite. Este hecho es clave para entender por qué se enfría la estratosfera. Existen dos causas principales:

El caso de los CFCs es opuesto: absorben energía de bandas entre 8 y 13 micras, capaz de recorrer grandes distancias, generada en zonas cercanas a la superficie y muy cálidas, mucho más que la estratosfera baja. Absorben más de lo que emiten y para cuadrar el superávit energético ceden energía a la baja estratosfera, la cual se calienta.

El metano y el N2O presentan un caso intermedio: absorben energía proveniente de niveles que se encuentran a su misma temperatura y por tanto absorben lo mismo que emiten.

El predominio de CO2 respecto a los otros gases genera un efecto neto de enfriamiento en la baja estratosfera. El resto de la estratosfera también se enfría porque los gases de efecto invernadero en cada nivel reciben energía de altitudes inferiores y, por tanto más frías. Haciendo un símil económico, los gases invernadero generan pocos beneficios y muchos gastos haciendo que la estratosfera pierda poder adquisitivo. El enfriamiento causado es alrededor de una cuarta parte del provocado por la disminución de ozono [5].

Figura 5. Balance radiativo en la estratosfera. Los colores oscuros indican una emisión alta y los claros una emisión baja. Izquierda: en la baja estratosfera, el CO2 absorbe menos energía de la que emite porque la recibe del nivel inmediatamente inferior, muy frío y de muy baja emisión. Los CFCs absorben más energía de la que emiten porque la reciben de niveles muy bajos, muy cálidos y de muy alta emisión. El metano y el N2O absorben la misma energía que emiten al recibirla de niveles intermedios a su misma temperatura. Derecha: en la estratosfera alta y media cualquier gas de efecto invernadero emite más energía de la que absorbe porque la reciben de niveles inferiores, menos cálidos y de menor emisión.

Junto a estas dos causas antropogénicas principales existen otras dos secundarias de carácter natural que modulan el enfriamiento [6]:

El hecho de que la troposfera se caliente y la estratosfera se enfríe pone de manifiesto el papel de la acción humana en el proceso. Si las causas residieran únicamente en los ciclos de Milankovitch, la actividad solar, las corrientes oceánicas, los rayos cósmicos o el cambio en la cobertura nubosa, tendría lugar un enfriamiento o calentamiento de una sola capa o de ambas a la vez pero nunca dos efectos opuestos, que es precisamente lo observado. El negacionismo es muy hábil sembrando dudas, llamando a la precaución o abogando por más investigación pero es incapaz de explicar por qué una se calienta y otra se enfría, así como de hacer una predicción del comportamiento futuro de estas capas.

En las próximas tres entradas se mostrarán las líneas o stripes de diferentes regiones y ciudades del mundo.

Agradecimientos: Delia Gutiérrez Rubio (Agencia Estatal de Meteorología)

Referencias

[1] Warming stripes. Climate Lab Book.
http://www.climate-lab-book.ac.uk/2018/warming-stripes/

[2] El ‘código de barras’ de las temperaturas en España. César Rodríguez Ballesteros.
https://climaenmapas.blogspot.com/p/codigobarras.html

[3] Twentieth Century Reanalysis Project. National Oceanic and Atmospheric Administration (USA).

https://psl.noaa.gov/data/20thC_Rean/

[4] Un viaje en autobús. Una manera sencilla de entender el efecto invernadero. Benito Fuentes López. Blog de la Agencia Estatal de Meteorología.
https://aemetblog.es/2016/09/20/un-viaje-en-autobus-una-forma-sencilla-de-entender-el-efecto-invernadero/

[5] Ramaswamy, V., et al. (2001), Stratospheric temperature trends: Observations and model simulations, Rev. Geophys., 39(1), 71–122.

doi: 10.1029/1999RG000065.

[6] Anthropogenic and Natural Influences in the Evolution of Lower Stratospheric Cooling. V. Ramaswamy et al. Science 311, 1138 (2006).

doi: 10.1126/science.1122587.

[7] ¿Cómo influyen los volcanes en el clima terrestre? Benito Fuentes. Naukas.

https://naukas.com/2019/07/09/como-influyen-los-volcanes-en-el-clima-terrestre/

 

Artículo original

https://naukas.com/2020/05/18/showallyourstripes-parte-1/