El clima de la Tierra está asociado a las fluctuaciones de la radiación solar

Valerio Lucarini y Tamás Bódai / Physical Review Letters, 2019

Climatólogos estadounidenses demostraron que la transición entre los estados estables de un clima cálido y la nieve de la Tierra puede ser inducida por pequeñas variaciones aleatorias en la intensidad de la radiación solar. En este caso, la trayectoria de transición de fase pasa necesariamente a través de un estado metaestable, que se denomina “melancólico”. Según los científicos, tales transiciones pueden durar unos diez millones de años. El artículo fue publicado en Physical Review Letters y la preimpresión del trabajo se puede encontrar en arXiv.org.

El clima de la Tierra depende de una gran cantidad de parámetros: la intensidad de la radiación solar, la reflectividad del planeta (albedo), la concentración de gases de efecto invernadero, el estado de la atmósfera y la ubicación del sistema solar en la galaxia.

Sin embargo, en función de la relación entre estos factores, solo son posibles dos estados estables de clima. El primer estado es el clima cálido en el que vivimos actualmente. El segundo estado es conocido como la "bola de nieve",  donde el planeta está casi completamente cubierto de hielo, siendo la temperatura promedio anual inferior a 0 grados centígrados. Este estado de congelamiento fue asignado a la era del Neoproterozoico (hace unos 650 millones de años) y a la Glaciación de Huron (hace 2.4 a 2.100 millones de años).

La retroalimentación 

Entonces, el tipo de clima global que se forma está determinado principalmente por la retroalimentación positiva entre el área de la capa de hielo y el albedo del planeta. En términos generales, cuanto más ancha es la capa, mayor es la radiación solar que la Tierra refleja al espacio y, por lo tanto, más se enfría. A su vez, cuanto más se enfría el planeta, más rápido crece la capa de hielo. Si solo este proceso controlara la temperatura del planeta, sería ventajoso cubrirlo completamente con hielo o deshacerse de él por completo.

Afortunadamente, dicha condición está limitada por la retroalimentación negativa de Stefan-Boltzmann: cuanto más baja sea la temperatura del planeta, menos calor irradia al espacio circundante y, consecuentemente, se enfría menos. Cuando ambos procesos son fuertes y se equilibran entre sí, el clima del planeta se vuelve inestable, como un vaso de agua sobrecalentada. Los climatólogos llaman a este estado "melancólico". En este estado, el límite de los glaciares se encuentra en la región de las latitudes medias. Las pequeñas perturbaciones del estado melancólico conducen a un calentamiento rápido o lo convierten en una "bola de nieve". Hasta el momento, los científicos no entendían cómo ocurren tales transiciones de fase y qué procesos las causan.

Ahora, los físicos Valerio Lucarini y Tamás Bódai investigaron cómo las excitaciones aleatorias están relacionadas con la estabilidad del clima y confirmaron que el estado melancólico se asemeja a un punto en el espectro de energía del sistema. Para ello, los científicos combinaron las ecuaciones primitivas del modelo atmosférico PUMA con el modelo de balance de energía Gil-Sellers, que describe cualitativamente la transferencia de calor por las corrientes oceánicas. Para conectar estos dos modelos, los físicos tuvieron en cuenta los flujos de calor verticales y asumieron que la temperatura de la capa cercana a la superficie de la atmósfera era igual a la temperatura del océano.

La ecuación diferencial resultante consideró además la transferencia de calor entre diferentes latitudes, retroalimentación positiva y negativa, y sus trayectorias tendieron hacia uno de los dos atractores que correspondían a un clima cálido o "bola de nieve". En el primer caso, la temperatura promedio del planeta fue cercana a 0 grados centígrados; y en el segundo caso no superó los -40 grados.

Relación entre la intensidad de la radiación solar y los posibles estados del clima. Línea roja: clima cálido; línea azul: "bola de nieve"; línea verde: estado melancólico metaestable.
Valerio Lucarini y Tamás Bódai / Physical Review Letters, 2019

Actividad solar 

Para tener en cuenta las diferencias en la radiación solar de la cual depende el valor de la retroalimentación positiva, los científicos ingresaron al sistema un parámetro de control μ, que mostraba la intensidad de radiación promedio, y un parámetro σ, que determina la magnitud de la aleatoriedad de las fluctuaciones de intensidad. En general, los investigadores consideraron la actividad solar en aproximadamente el 98% del valor actual y trabajaron con pequeñas fluctuaciones relativas, sin exceder el porcentaje del flujo solar total.

Para construir un diagrama de fase del clima, los investigadores calcularon la temperatura promedio del planeta y la diferencia de temperatura entre las regiones circunpolares (60 a 90 grados de latitud Norte) y el cinturón ecuatorial (0 a 30 grados de latitud Norte). Esto hizo posible evaluar dónde se encuentra el borde de la capa de hielo y aprovechar no solo estados estables, sino también metaestables.

Los investigadores descubrieron que las fluctuaciones en la intensidad de la radiación solar destruyen los estados estacionarios e inducen transiciones entre una bola de nieve y un clima cálido. Cuanto más bajo sea el nivel de ruido, más larga será la vida útil del estado estable.

Según las estimaciones más suaves, el estado no supera los 10 millones de años (sin embargo, la Tierra se ha congelado completamente solo unas pocas veces en los últimos 2 billones de años, contradiciendo la evaluación de los autores). Asimismo, las trayectorias de tales transiciones de fase siempre pasan por estados melancólicos, lo que corresponde a instantones que minimizan la acción de Freidlin-Wentzell. Por lo tanto, los científicos concluyen que el estado melancólico sirve como una especie de punto de equilibrio ("punto de silla") análogo en el espectro de energía a través del cual pasan las trayectorias, conectando mínimos adyacentes.


Relación entre la vida útil de un estado estable y la amplitud de las fluctuaciones aleatorias de la intensidad de la radiación solar (disminuye de izquierda a derecha)
Valerio Lucarini y Tamás Bódai / Physical Review Letters, 2019
 


Diagrama de fase que describe la transición entre el atractor de clima cálido (punto rojo) y el estado melancólico (punto verde). La línea roja punteada marca el camino más probable.
Valerio Lucarini y Tamás Bódai / Physical Review Letters, 2019

Cabe señalar que el estudio no consideró los conocidos factores antropogénicos que también afectan significativamente el clima planetario. Actualmente, la relación entre la actividad humana y el aumento de la temperatura promedio de la Tierra se confirma a un nivel de cinco sigma (99.9999 % de probabilidad de un resultado no aleatorio).

Entonces nuevamente tenemos que referirnos al desenlace inevitable que excede cualquier análisis y que comenzó hace 70 años con el peor, pero más confortable invento del ser humano. Estudios anteriores confirmaron la producción universal de gases de efecto invernadero tras la exposición solar de los residuos plásticos.

 

Sofía Dottori Fontanarrosa
Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma.

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