Los modelos climáticos actuales subestiman la duración y los efectos refrescantes de las nubes al simular demasiada lluvia.
Los nuevos modelos, con una simulación más realista de la lluvia procedente de las nubes «cálidas», aumentan casi tres veces la duración de las nubes.
Esto aumenta el efecto refrescante de las nubes y su impacto general en el clima.
Las nubes podrían tener un efecto refrescante mayor sobre el planeta del que sugieren actualmente los modelos climáticos, según una nueva investigación.
El artículo, publicado en Nature Climate Change, pretende corregir un problema «de larga data» y «no abordado» en la modelización climática: a saber, que los modelos actuales simulan demasiada lluvia procedente de las nubes y, por tanto, subestiman su duración y su efecto refrescante.
Los autores han actualizado un modelo climático existente con una simulación más realista de la lluvia procedente de las nubes «cálidas»: aquellas que contienen solo agua, en lugar de una combinación de agua y hielo. Constatan que esta actualización hace que la «retroalimentación de la duración de las nubes» (un proceso en el que las temperaturas más altas aumentan la duración de las nubes) sea casi tres veces mayor.
Los autores señalan que la generación más reciente de modelos climáticos globales (el sexto Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados (CMIP6) ) predice un calentamiento futuro más rápido que sus predecesores. Esto se debe en gran medida a que los nuevos modelos simulan un efecto refrescante menor de las nubes.
Sin embargo, el autor principal del estudio explica a Carbon Brief que corregir el «problema» en las simulaciones de lluvia «reduce la cantidad de calentamiento previsto por el modelo, en aproximadamente la misma cantidad que el aumento del calentamiento entre CMIP5 y CMIP6».
Por ello, afirma que la conclusión clave del estudio es «tomar el calentamiento adicional de CMIP6 con cautela hasta que se corrijan también algunos de los otros problemas conocidos de las nubes en los modelos».
Nubes refrescantes
El impacto de las nubes en la temperatura global es un área de investigación compleja en la que los científicos llevan décadas trabajando.
En una Carbon Brief contribución de invitado publicada en 2018, la profesora Ellie Highwood —catedrática de física climática en el Departamento de Meteorología de la Universidad de Reading —explica cómo las nubes pueden afectar a las temperaturas globales:
«Las nubes bajas y brillantes tienen una influencia refrescante en gran medida porque reflejan la luz solar lejos de la superficie terrestre. Las nubes altas y finas compuestas por cristales de hielo son más o menos transparentes a la luz solar, pero absorben la radiación infrarroja saliente, reemiten una pequeña fracción y, de este modo, calientan el planeta. Lo que hace las cosas aún más complicadas es que, en la mayoría de los lugares, hay varias capas de nubes al mismo tiempo.»
En el artículo, Highwood concluye que las nubes tienen un efecto refrescante global sobre el planeta. También describe el extenso trabajo que han llevado a cabo los científicos climáticos para simular los procesos de las nubes con mayor precisión, pero señala que las nubes siguen siendo «los componentes más intrigantes y desafiantes del sistema climático».
A medida que el clima se calienta, los científicos prevén que muchas nubes pasen de «frías» a «cálidas». Las nubes frías están compuestas por una mezcla de partículas de hielo y gotas de agua, mientras que las nubes cálidas contienen solo líquido. Esta transición de fase afectará a las propiedades refrescantes de las nubes de dos maneras principales.
En primer lugar, las gotas de agua de las nubes suelen ser más pequeñas que las partículas de hielo, lo que les confiere una mayor relación entre superficie y masa y les permite reflejar la luz solar con mayor facilidad. Esto significa que, a medida que las nubes pasan de frías a cálidas, se vuelven más reflectantes. El artículo denomina a esto el «componente óptico» de la retroalimentación de fase.
En segundo lugar, las nubes cálidas son menos eficientes en la precipitación; es decir, no empiezan a liberar gotas de lluvia con la misma facilidad que las nubes frías. Al llover con menor frecuencia, las nubes cálidas logran una mayor duración: a esto se le llama «componente de duración» de la retroalimentación de fase.
La doctora Kate Marvel, científica investigadora asociada en la Universidad de Columbia y en el Instituto Goddard de Estudios Espaciales de la NASA, que no participó en el estudio, explica a Carbon Brief que, debido a los componentes óptico y de duración de la retroalimentación de las nubes, «si haces que las nubes sean más líquidas, bloquean más luz solar y duran más».
Problema «generalizado»
Sin embargo, el estudio señala que existen numerosos problemas «generalizados» y «no abordados» en los modelos climáticos en relación con los procesos de las nubes.
Los autores destacan que muchos modelos del quinto Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados (CMIP5) sobrestiman la reflectividad de las nubes cálidas (el componente óptico), mientras que subestiman su duración (el componente de duración).
El doctor Johannes Mülmenstädt es científico de la Tierra en la división de Ciencias Atmosféricas y Cambio Global del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, y autor principal del estudio. Explica a Carbon Brief que, en los años 2010, se publicaron varios estudios «que muestran que las nubes de los modelos climáticos contienen mucho más hielo del que respaldan las observaciones por satélite», lo que indica que los modelos CMIP5 subestimaban la cantidad de líquido contenida en las nubes.
Los modeladores climáticos de todo el mundo tomaron nota de estos artículos y se pusieron a actualizar sus modelos. Cuando se publicó el siguiente conjunto de modelos, —el sexto Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados— al publicarse, muchos incluían una mayor fracción de líquido en las nubes.
Este cambio en la modelización de las nubes tuvo como efecto colateral el aumento de la «sensibilidad climática de equilibrio» (la cantidad de calentamiento que experimentará el planeta en respuesta a una duplicación de los niveles de CO2) en muchos modelos CMIP6.
Mülmenstädt explica que esto fue «una de las grandes sorpresas surgidas de CMIP6» y que se debió «en gran medida» a los cambios en la modelización de las nubes bajas extratropicales sobre el océano Austral. Marvel confirma que «la mayor parte de los aumentos de sensibilidad climática entre los modelos climáticos CMIP5 y CMIP6 proceden de cambios en la forma en que los modelos simulan las nubes».
La elevada sensibilidad climática de los modelos CMIP6 atrajo una atención generalizada en la comunidad científica, ya que una mayor sensibilidad climática implica que el calentamiento futuro será más rápido e intenso de lo que se pensaba anteriormente.
Sin embargo, la representación de las nubes cálidas en los modelos CMIP6 sigue siendo imperfecta. En este estudio, los autores destacan un «error» significativo en los procesos de precipitación de las nubes: las nubes cálidas en los modelos CMIP6 producen demasiada lluvia. Para mostrar el alcance del error, los autores actualizan un modelo climático existente para incluir una probabilidad de lluvia cálida más precisa y, a continuación, comparan sus resultados con el modelo original.
Constatan que la «retroalimentación de la duración de las nubes» (el proceso que hace que las nubes más cálidas lluevan con menos facilidad) podría ser casi tres veces mayor de lo que sugieren los modelos existentes. Esto significa que las nubes cálidas en los modelos CMIP6 precipitan con demasiada facilidad y tienen una duración demasiado corta, lo que hace que los modelos subestimen el efecto refrescante de las nubes en el sistema climático.
Mülmenstädt subraya que corregir este efecto de la duración de las nubes podría tener tanto impacto en las previsiones de calentamiento futuro como el cambio de los modelos CMIP5 a CMIP6:
«Las nubes líquidas en los modelos climáticos llueven demasiado. Descubrimos que corregir ese problema en el modelo estudiado reduce la cantidad de calentamiento previsto por el modelo en aproximadamente la misma cantidad que el aumento del calentamiento entre CMIP5 y CMIP6. Por tanto, el mensaje principal es: tomar el calentamiento adicional de CMIP6 con cautela hasta que se corrijan también algunos de los otros problemas conocidos de las nubes en los modelos.»
El doctor Tapio Schneider, científico investigador sénior del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, que no participó en la investigación, explica a Carbon Brief que el artículo «se suma a una larga serie de investigaciones que demuestran que las nubes son complejas y que los modelos climáticos las simulan deficientemente».
Lluvia cálida
Para corregir los procesos de lluvia simulados, los autores se centran en un modelo climático existente del conjunto CMIP6. Los mapas siguientes muestran la «fracción de lluvia cálida» (la fracción de episodios de lluvia impulsados por procesos no de fase de hielo en las nubes) en este modelo.
El mapa superior muestra la fracción de lluvia cálida en el clima actual, donde el rojo indica una fracción alta y el azul una fracción baja. El mapa inferior muestra cómo podría cambiar la fracción de lluvia cálida en un futuro 4 °C más cálido, en relación con el clima actual, donde el rojo indica un aumento de la fracción de lluvia cálida y el azul indica una disminución.
Fracción de lluvia cálida en el clima actual (arriba) y aumento de la fracción de lluvia cálida en un clima 4 °C más cálido (abajo). Fuente: Mülmenstädt et al (2021).
Los mapas muestran que la mayoría de los procesos de lluvia cálida se producen cerca del ecuador, donde las temperaturas son más altas, y que son especialmente frecuentes sobre el océano. A medida que el planeta se calienta, el aumento de la fracción de lluvia cálida es especialmente pronunciado en las latitudes medias del hemisferio sur, mientras que se prevé que disminuya sobre el mar en las latitudes bajas.
Los autores corrigen los procesos de lluvia utilizando datos de satélite para determinar cuánta lluvia cae de las nubes en el clima actual. A continuación, modifican los procesos de lluvia cálida en el modelo climático para que coincidan con mayor precisión con la probabilidad de lluvia observada por satélite.
El gráfico siguiente muestra la probabilidad de lluvia procedente de nubes cálidas a distintas latitudes, según se observa mediante datos de satélite (gris) y según se modela con el modelo original (rojo) y el modelo actualizado (amarillo).
El gráfico muestra que, si bien el modelo actualizado sigue sobrestimando la lluvia en comparación con los datos de satélite, se ajusta a estos datos más estrechamente que el modelo original.
Utilizar observaciones para acotar los procesos de las nubes, así como el estado de las nubes, «es un paso necesario hacia proyecciones climáticas fiables», según el artículo. Mülmenstädt explica a Carbon Brief que este método podría orientar la forma en que los científicos utilizan las observaciones para aumentar la precisión de los modelos en el futuro:
«Como campo, debemos determinar la mejor manera de utilizar las observaciones para reducir el «margen de maniobra» que tienen actualmente los modelos a la hora de representar los procesos de las nubes. Las observaciones de que disponemos actualmente nos ofrecen sobre todo instantáneas del estado de las nubes. Pero la forma en que los modelos entienden las nubes se basa en su dinámica: con qué rapidez se forman, precipitan o se evaporan.»
Añade que los científicos del clima deben asegurarse de poder obtener los datos adecuados para llevar a cabo este tipo de estudios:
«El satélite que hizo posible este estudio es único en su tipo y lleva en funcionamiento desde 2006, mucho más allá de su vida útil prevista, gracias a los extraordinarios esfuerzos de la NASA por mantenerlo operativo. Si perdemos este tipo de capacidad de observación, o si las lagunas entre observaciones se vuelven demasiado grandes, gran parte de nuestra ciencia se volverá aún más difícil de lo que ya es.»
Schneider explica a Carbon Brief que el artículo destaca fuentes de datos que pueden ser «aprovechadas de forma fructífera» para estudios futuros. Añade:
«Responder a la pregunta de qué controla la nubosidad es fundamental para poder comprender, o descartar, las retroalimentaciones de las nubes que amplifican fuertemente el calentamiento global observadas en los modelos climáticos recientes. Los resultados aquí muestran que responder a esta pregunta requiere necesariamente mejores restricciones sobre la facilidad con que las nubes precipitan al calentarse.»
El doctor Alejandro Bodas-Salcedo de la Oficina Meteorológica del Reino Unido, que no participó en el estudio, afirma que el artículo es «muy estimulante» y que «destaca la importancia de los procesos de precipitación para las retroalimentaciones radiativas de las nubes».
Sin embargo, señala que, como el estudio solo prueba un único modelo, «la solidez de su afirmación principal tendrá que ponerse a prueba en un marco multimodelo» como siguiente paso.
