La tierra tiene una «capacidad calorífica» menor que el agua, lo que significa que necesita menos calor para elevar su temperatura de forma significativa.
Los océanos pueden enfriarse en un clima que se calienta mediante la evaporación del agua con solo un pequeño aumento de la temperatura.
Sin embargo, los continentes suelen tener una disponibilidad de humedad limitada, por lo que la evaporación está restringida.
El año pasado, las temperaturas globales fueron 0,95 °C más altas que el promedio del siglo XX. La actividad humana es responsable de alrededor del 100 % de este calentamiento.
Al profundizar un poco más en estas cifras, se observa que las zonas terrestres de la Tierra estaban 1,43 °C más cálidas que la media, mientras que los océanos estaban 0,77 °C más cálidos. Esto es una prueba de cómo los continentes del mundo se han calentado más rápidamente que sus océanos en las últimas décadas.
Este contraste entre el cambio de temperatura de la tierra y el de los océanos determinará en gran medida el patrón global del calentamiento futuro y tiene importantes implicaciones para los seres humanos. Al fin y al cabo, somos una especie que prefiere con mucho vivir en tierra firme.
Pero ¿qué impulsa este contraste de calentamiento? Es una pregunta engañosamente sencilla, pero con una respuesta muy malinterpretada. En este artículo de colaboración, describo una teoría sólida y cuantitativa sobre el contraste de calentamiento entre tierra y océano que solo se ha desarrollado en los últimos años.
Capacidad calorífica
La física sencilla sugiere que, cuando se introduce más calor en el sistema climático, la tierra debería calentarse más rápido que los océanos. Esto se debe a que la tierra tiene una «capacidad calorífica» menor que el agua, lo que significa que necesita menos calor para elevar su temperatura.
El siguiente gráfico muestra cómo la superficie terrestre de la Tierra (línea amarilla) se ha calentado más rápidamente que el océano (azul oscuro) en el registro observacional.
Calentamiento amplificado sobre la tierra, evidente en los registros de temperatura superficial de la NOAA. El gráfico muestra las temperaturas medias anuales de la tierra (línea amarilla), del océano (azul oscuro) y de la tierra y el océano combinados (azul claro). Todas las cifras son relativas a 1901-2000. Datos de la NOAA; gráfico de Carbon Brief con Highcharts.
Este efecto también puede observarse en distintas partes del sistema climático estacional. Por ejemplo, cuando el sol se desplaza al norte del ecuador durante la primavera del hemisferio norte, su energía calienta rápidamente la India en relación con los océanos circundantes. Este contraste en el calentamiento desempeña un papel clave en la inversión de los vientos que impulsa el monzón del sur de Asia.
La pequeña capacidad calorífica de la tierra también ayuda a explicar por qué algunas regiones continentales, como Rusia y el centro de Estados Unidos, pueden alcanzar temperaturas muy altas en verano y, sin embargo, un frío intenso en invierno. Esto se conoce como «continentalidad».
Dado su papel central en el contraste estacional de calentamiento entre tierra y océano, la capacidad calorífica es el punto de partida natural para intentar explicar por qué los continentes se calientan más que los océanos en el cambio climático. Pero esta explicación presenta un problema.
Contraste de calentamiento
En un artículo histórico de 1991, el meteorólogo Syukuro Manabe y sus colegas utilizaron un modelo climático temprano para comparar la respuesta transitoria del sistema climático a los aumentos graduales de CO2 con la respuesta de equilibrio a largo plazo.
En otras palabras, compararon el clima mientras el CO2 aumentaba con el clima una vez que el CO2 había dejado de subir y el clima se había estabilizado finalmente en su nuevo estado, más cálido.
Si la diferencia en las capacidades caloríficas entre la tierra y los océanos fuera el factor decisivo que controla el contraste de calentamiento, esperaríamos que dicho contraste desapareciera en el equilibrio, una vez que los océanos hubieran tenido tiempo suficiente para calentarse.
Pero esto no es lo que encontró Manabe. En cambio, descubrió que la relación entre el calentamiento de la tierra y el de los océanos (conocida hoy como «factor de amplificación») era similar en los experimentos transitorios y de equilibrio.
Esto fue una prueba de que el contraste de calentamiento entre tierra y océano, destacado en el mapa siguiente de calentamiento proyectado para finales de este siglo, es una respuesta fundamental al cambio climático que no está controlada por la capacidad calorífica. Si la capacidad calorífica no puede explicar el calentamiento amplificado de la tierra en un clima cambiante, ¿qué puede hacerlo?
Más allá de la capacidad calorífica
La primera explicación, propuesta inicialmente por Manabe, recurre al balance energético superficial. Este describe el intercambio de energía entre la superficie de la Tierra y la atmósfera que se encuentra sobre ella.
Cuando aumentan las concentraciones atmosféricas de CO2, la radiación que llega a la superficie terrestre aumenta y provoca un aumento de las temperaturas. Esto se debe a que una mayor cantidad del calor radiado por la superficie terrestre queda atrapada por los gases de efecto invernadero de la atmósfera.
Pero el alcance de este calentamiento superficial inducido por el CO2 depende de cuánto se compensa con factores localizados que provocan enfriamiento, a saber, el enfriamiento causado por la evaporación y el enfriamiento debido al intercambio de calor seco entre la superficie terrestre y el aire que se encuentra sobre ella. (El calentamiento atmosférico causado por este último también tiende a inhibir la formación de nubes y, por tanto, puede causar una mayor desecación de la superficie terrestre).
Los océanos, que disponen de agua ilimitada para evaporarse, pueden enfriarse de manera eficiente en un clima que se calienta, evaporando cada vez más agua con solo un pequeño aumento de la temperatura. Los continentes, en cambio, suelen tener una disponibilidad de humedad limitada, por lo que la evaporación está restringida.
Esto significa que, sobre los continentes, una mayor parte de la radiación adicional que llega a la superficie en un clima que se calienta debe disiparse mediante el intercambio de calor seco y el enfriamiento radiativo de onda larga, en lugar de mediante evapotranspiración. Esto implica un mayor aumento de la temperatura superficial en comparación con los océanos, que se evaporan libremente.
Esta teoría del «balance energético superficial» sobre el contraste de calentamiento entre tierra y océano también se ha planteado en estudios más recientes.
Esta explicación del calentamiento continental amplificado es intuitiva y apunta a un papel clave de la «sequedad» de la tierra en la determinación del cambio de temperatura. Pero debe respaldarse con cifras concluyentes.
Un problema de la teoría del balance energético superficial es que depende de propiedades de la superficie terrestre, que son variadas, complejas y notoriamente difíciles de simular, para representarse con precisión en los modelos climáticos. En particular, cuantificar cómo responderá la evapotranspiración a un clima cambiante, el ingrediente clave de la teoría del balance energético superficial, requiere conocer la humedad del suelo y la vegetación regionales, así como cómo estas propiedades cambian a su vez con el clima. Una tarea difícil.
Además, los factores de la atmósfera superior también son importantes: ¿cómo cambiarán las precipitaciones y los vientos? Los innumerables procesos que influyen en el balance energético de la superficie terrestre hacen que utilizar este marco como base para una teoría cuantitativa del contraste de calentamiento entre tierra y océano sea complicado. Aunque la perspectiva es conceptualmente útil, ofrece una comprensión incompleta de la física que impulsa el contraste de calentamiento.
Una nueva idea
En lugar del balance energético superficial, la dinámica atmosférica (el movimiento de la atmósfera y su estado termodinámico) sustenta una nueva comprensión del contraste de calentamiento entre tierra y océano que se ha desarrollado durante la última década.
En un artículo de 2008, el profesor Manoj Joshi –entonces en el Centro Hadley de la Oficina Meteorológica y la Universidad de Reading y actualmente en la Universidad de East Anglia– fue el primero en señalar que los procesos dinámicos de la atmósfera conectan la temperatura y la humedad sobre las regiones terrestres y oceánicas.
En concreto, demostró que el gradiente térmico vertical (lapse rate), es decir, la tasa de disminución de la temperatura con la altura, disminuye con más intensidad sobre el océano que sobre la tierra a medida que el clima se calienta. Esto se debe a que el aire sobre el océano, en cualquier momento, suele contener más vapor de agua que el aire sobre la tierra.
Estos cambios contrastados del gradiente térmico vertical explican el contraste de calentamiento: una disminución menor del gradiente térmico vertical sobre la tierra implica un mayor aumento de la temperatura superficial terrestre en relación con el océano.
Este mecanismo no es necesariamente intuitivo, pero se basa en procesos bien establecidos de la dinámica atmosférica. Los distintos cambios en el gradiente térmico vertical son ahora aceptados como el motor fundamental del contraste de calentamiento entre tierra y océano, en particular en bajas latitudes (hasta aproximadamente 40°N y 40°S). El calentamiento amplificado en regiones como el Mediterráneo también se explica por el mismo mecanismo del gradiente térmico vertical.
Una teoría cuantitativa
Con su artículo de 2008, Joshi introdujo una nueva comprensión conceptual del contraste de calentamiento entre tierra y océano. Pero, de nuevo, la explicación era cualitativa.
Junto con el profesor Paul O’Gorman del Instituto Tecnológico de Massachusetts, me di cuenta de que el argumento del gradiente térmico vertical podía ampliarse y desarrollarse hasta convertirse en una teoría cuantitativa.
La idea clave fue que, aunque los cambios de temperatura y humedad sobre la tierra y el océano son muy diferentes, las restricciones de la dinámica atmosférica identificadas por Joshi implican que los cambios en una combinación particular de temperatura y humedad (concretamente, la energía contenida en una porción de aire en reposo, una magnitud conocida como energía estática húmeda ) son aproximadamente iguales. Esta idea nos permitió deducir una ecuación para el cambio de temperatura de la tierra, que publicamos en 2018.
Lo que muestra nuestra ecuación es que la respuesta de la temperatura de la tierra al cambio climático depende de dos factores: el calentamiento de los océanos y el grado de sequedad de la tierra en el clima actual.
Cuanto más seca es la tierra, más se calienta. La teoría ha sido verificada en modelos climáticos y utilizando datos observacionales de los últimos 40 años. La teoría explica por qué se espera que el calentamiento de la tierra sea especialmente severo en regiones subtropicales secas y áridas, y también explica por qué la humedad relativa sobre la tierra ha disminuido en las últimas décadas.
Una implicación importante de la teoría para las proyecciones de las temperaturas futuras de la tierra (que varían considerablemente entre modelos) es que resulta crucial modelizar con precisión el grado de sequedad de la tierra en el clima actual, aunque esto es técnicamente complicado debido a la complejidad de las superficies terrestres.
Poco conocida
Esta nueva comprensión del contraste de calentamiento entre tierra y océano ha sido bien recibida por las comunidades de investigación de la dinámica atmosférica y la dinámica climática.
Pero cabe afirmar que aún no es bien conocido en las comunidades más amplias de la ciencia del clima y de los impactos climáticos que el contraste de calentamiento entre tierra y océano se debe a la sequedad y no a las diferencias en la capacidad calorífica.
Y, desde luego, no es bien conocido en la esfera pública. En cuanto a la propia teoría, algunos investigadores consideran sorprendente que la complejidad de las superficies terrestres pueda reducirse a un único parámetro de «sequedad».
Yo también considero sorprendente e inspirador que la respuesta de un sistema tan complejo como el clima continental pueda reducirse a una ecuación sencilla. Abogaría por que se realizara más investigación conceptual de este tipo en la ciencia del clima.
