¿Por qué el Ártico se calienta más rápido que el resto del planeta?

Derretimiento del hielo marino ártico. Crédito: William Bossen on Unsplash.

Si bien la superficie de la Tierra en su conjunto se ha calentado alrededor de 1,2 °C desde la revolución industrial, las temperaturas no aumentan al mismo ritmo en todos los rincones del mundo.

Una diferencia es el ritmo más rápido al que se están calentando las áreas terrestres en comparación con el océano. Pero quizás el mayor valor atípico sea el Ártico, que se está calentando más de dos veces más rápido que el promedio mundial (pdf). 

Este fenómeno, conocido como “amplificación del Ártico”, está provocando cambios drásticos en las comunidades del Ártico y también se ha relacionado con fenómenos meteorológicos extremos en las latitudes medias del hemisferio norte.

La causa de este rápido calentamiento suele identificarse como el «albedo» cambiante de la superficie del Ártico, donde la pérdida de nieve y hielo marino significa que se refleja menos luz solar entrante hacia el espacio. 

Pero la realidad es un poco más complicada que eso. En un nuevo artículo, publicado en ‘Frontiers in Earth Science‘, mis coautores y yo desglosamos los diferentes factores que contribuyen al rápido ritmo de cambio en el Ártico.

Calentamiento amplificado

El gráfico a continuación muestra las temperaturas superficiales promedio anuales, en relación con 1951-80, para todo el planeta (línea azul) y el Ártico (roja). Desde alrededor de 1990, el Ártico claramente se está calentando más rápido que el resto del planeta.

Anomalías de la temperatura media anual del aire en la superficie para el Ártico (línea roja) y la media mundial (azul) de 1950 a 2020. También se muestran líneas de tendencia lineal (discontinuas) durante el período de 1990 a 2020. 
Crédito:
Datos de GISTEMPv4, gráfico de Zack Labe.

Este calentamiento amplificado en el Ártico a menudo se atribuye únicamente a la retroalimentación del albedo superficial. En 1896, el químico sueco Svante Arrhenius señaló que “aquellos lugares que alteran su albedo a través de la progresión o regresión de la capa de nieve… probablemente eliminarán el efecto máximo [del aumento de dióxido de carbono] de los paralelos inferiores a la vecindad de los polos”

El razonamiento es simple: el hielo y la nieve son blancos y, por lo tanto, reflejan gran parte de la luz solar entrante. Después de un calentamiento y derretimiento inicial de la nieve y el hielo, la superficie blanca es reemplazada por una superficie más oscura del océano abierto, que absorbe más luz solar, lo que lleva a un calentamiento local adicional.

Si bien se entiende que las razones del calentamiento del Ártico amplificado son más complejas que solo la retroalimentación del albedo de la superficie, la simplicidad de este mecanismo ha captado la narrativa sobre el calentamiento del Ártico, especialmente en el público.

Dependiendo de cómo se calcule, la retroalimentación del albedo de la superficie puede representar del 30% al 60% del calentamiento total del Ártico. Sin embargo, los otros procesos que se describen a continuación desencadenan la retroalimentación del albedo superficial (papel del vapor de agua) y limitan el calentamiento del Ártico a la superficie (ausencia de convección). Por lo tanto, es difícil cuantificar con precisión en qué medida un solo proceso es responsable del calentamiento del Ártico.

Convección

Si bien solo hay una Tierra para observar, podemos usar modelos climáticos para observar el patrón de calentamiento en un mundo sin hielo. Muchos modelos han encontrado que, en ausencia de hielo marino o cuando el hielo marino se ha derretido por completo en escenarios de altas emisiones, el patrón de calentamiento aún se amplifica en el Ártico, aunque menos que cuando el hielo marino está disminuyendo.

Al igual que los biólogos estudian las bacterias, las moscas de la fruta y los ratones para inferir conocimientos sobre el sistema humano, los climatólogos utilizan una jerarquía de modelos climáticos para comprender el complejo sistema de la Tierra

Por ejemplo, la siguiente figura es de un modelo climático idealizado que no tiene hielo, nubes ni circulación oceánica. Aunque este modelo básico no es tan preciso como los modelos integrales utilizados para simular el impacto de los escenarios de emisiones futuras, nos ayuda a comprender mejor el sistema climático, ya que es más sencillo de entender. 

Los gráficos muestran la diferencia en la temperatura atmosférica durante el invierno (izquierda) y el verano (derecha) en todo el planeta entre un mundo con una concentración atmosférica de CO2 muy alta (1200 partes por millón, ppm) y un mundo preindustrial (300 ppm). (A modo de comparación, los niveles globales de CO2 son actualmente de alrededor de 410 ppm). El eje x indica la latitud, desde el polo sur (-90 grados norte) a la izquierda hasta el polo norte (90 grados norte) a la derecha. 

Lo más notable en los gráficos es el calentamiento en la troposfera superior (alrededor de 200 hPa) en los trópicos durante todo el año, mostrado por la gran mancha roja de -30 a 30 grados norte. Sin embargo, también puedes ver una mancha roja en la superficie de la Tierra (alrededor de 900 hPa) en el Ártico durante el invierno. Incluso en este mundo hipotético sin hielo ni nubes, el Ártico se calienta alrededor de 1,5 veces más que el resto del planeta durante todo el año.

Ejemplo de un modelo climático sin hielo, sin nubes y sin circulación oceánica (modelo climático de Isca). Diferencia entre 1200ppm y 300ppm de concentración atmosférica de CO2 para invierno (Diciembre, Enero, Febrero) (a) y verano (Junio, Julio, Agosto) (b) del hemisferio norte. 
Crédito: de Henry y Vallis (2021), aceptado en ‘Journal of Climate’.

Una de las razones clave por las que se produce un mayor calentamiento en latitudes altas, incluso en ausencia de hielo marino, es la ausencia de convección en latitudes altas. 

La convección ocurre cuando el aire cercano al suelo es calentado por la cálida superficie de la Tierra. El aire caliente es más liviano que el aire frío de arriba y, por lo tanto, comienza a ascender. En los trópicos, el suelo, y el aire directamente sobre él, siempre es calentado por el Sol, por lo que hay mucha convección y la atmósfera está “bien mezclada” con tanto aire ascendente.

Sin embargo, en latitudes altas, el ángulo entre la luz solar y la superficie significa que la luz solar entrante está menos concentrada en la superficie. Como resultado, la atmósfera se calienta principalmente por el aire cálido y húmedo que proviene de los trópicos, lo que significa que hay mucha menos mezcla vertical. 

El calentamiento adicional del CO2 y otros gases de efecto invernadero que los humanos han emitido generalmente calienta la atmósfera más cerca de la superficie de la Tierra. En presencia de convección, este calentamiento se mezcla verticalmente. Sin embargo, en latitudes altas, como el Ártico, la ausencia de convección hace que el calentamiento de los gases de efecto invernadero sea mayor cerca de la superficie.

Diagrama simplificado de convección en la superficie de la Tierra. 
Crédito:
Matthew Henry.

Vapor de agua

Otra razón clave del aumento del calentamiento en el Ártico es el aumento del transporte de vapor de agua desde el ecuador a los polos. 

El aire cálido y húmedo de los trópicos es transportado a los polos por la circulación de la atmósfera y mantiene la diferencia de temperatura entre el ecuador y los polos relativamente pequeña.

Como una atmósfera más cálida puede contener más humedad, esperamos que haya más vapor de agua en la atmósfera tropical a medida que aumentan las temperaturas globales. Esta humedad adicional se transporta a los polos, donde se condensa y libera calor. 

Además, el vapor de agua adicional en la atmósfera del Ártico conduce a un mayor efecto invernadero y afecta la formación de nubes, lo que puede conducir a un calentamiento adicional de la superficie del Ártico.

Diagrama simplificado de transporte de vapor de agua desde el ecuador a los polos. 
Crédito:
Matthew Henry
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Diferencias estacionales

Una característica adicional importante de la amplificación del Ártico es que ocurre principalmente en invierno. 

Esto se debe principalmente a la disminución del hielo marino del Ártico. El agua líquida tiene una gran «capacidad calorífica»: tarda mucho tiempo en calentarse y enfriarse. Por lo tanto, cuando el hielo marino se derrite en verano y principios de otoño, provoca un aumento de la luz solar absorbida por el océano Ártico. 

Este calor almacenado se libera en invierno cuando no hay luz solar y la atmósfera es más fría que el océano Ártico subyacente. 

Los mapas a continuación resaltan la diferencia en la temperatura de la superficie entre los promedios tomados durante 1960-2020 y 2010-20 en el invierno del hemisferio norte (arriba a la izquierda) y el verano (abajo a la izquierda). El sombreado rojo más oscuro indica el mayor aumento de temperatura.

El gráfico de la derecha muestra el mismo cambio de temperatura como promedio en cada punto de latitud de la Tierra, desde el polo sur (-90 grados norte) a la izquierda hasta el polo norte (90 grados norte) a la derecha. Esto muestra nuevamente cómo la amplificación del Ártico es predominantemente un fenómeno invernal (línea roja).

La ausencia de convección y vapor de agua también afecta a la Antártida y conduce a un calentamiento antártico amplificado. Sin embargo, es más débil en relación con el Ártico debido a la gran elevación del continente antártico y la menor retroalimentación del albedo de la superficie. Además, se retrasa debido a la circulación del Océano Austral, que trae agua fría de las profundidades del océano y enfría la superficie.

Anomalías estacionales de la temperatura superficial del Ártico de 2010-20 en relación con 1960-2020 y anomalías zonales de la temperatura superficial para cada estación. DJF y JJA (mapas de la izquierda) corresponden al invierno y al verano del hemisferio norte, respectivamente. 
MAM y SON (mapas de la derecha) corresponden a la primavera y el otoño del hemisferio norte, respectivamente. El gráfico muestra la anomalía de temperatura por latitud para cada estación: invierno (rojo), primavera (azul), verano (verde) y otoño (púrpura). 
Crédito:
Datos de GISTEMP. Figura de Taylor et al (2022)
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Datos de proxy

La simplicidad de la retroalimentación del albedo del hielo ha capturado la narrativa en torno a la amplificación del Ártico. Sin embargo, ahora se entiende que este patrón de calentamiento es una característica fundamental de una atmósfera húmeda con poca convección en latitudes altas. 

La Tierra ha mantenido un registro de sus climas pasados, y los científicos de hoy pueden analizar varios «proxies», como conchas, estalactitas, polen y pieles de foca, para deducir el clima global que se remonta a muchos millones de años

Los estudios del clima en el pasado lejano han demostrado que, independientemente de si el clima era más frío o más cálido, el cambio de temperatura de la superficie todavía se amplificó en el Ártico

E incluso si las temperaturas globales aumentaran hasta el punto en que todo el hielo marino del Ártico se derritiera, lo que es una perspectiva que nadie querría, aún esperaríamos que el calentamiento fuera más rápido en el Ártico.

El paper

Taylor, P. C. et al (2022) Process drivers, inter-model spread, and the path forward: A review of amplified Arctic warming, Frontiers in Earth Science, doi:10.3389/feart.2021.758361.

Fuente: Carbon Brief.

Artículo original: Why does the Arctic warm faster than the rest of the planet?Dr Matthew Henry. Febrero 11, 2022.

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Mundo en cambio: Hielo Marino Ártico

Concentración promedio de hielo marino del Ártico para el mes de Septiembre 2019 (izquierda) y el siguiente Marzo 2020 (derecha). Las áreas blancas opacas indican la mayor concentración y las áreas azul oscuro son aguas abiertas. El contorno amarillo de cada imagen muestra la extensión mediana del hielo marino para Septiembre y Marzo según observaciones satelitales desde 1981 hasta 2010.
Crédito: NASA Earth Observatory.

Capas de agua de mar congelada cubren el Océano Ártico. Este hielo marino crece dramáticamente cada invierno, por lo general alcanza su máximo en Marzo. Se derrite dramáticamente cada verano, alcanzando su mínimo en Septiembre. Es una fluctuación natural que ha ocurrido durante miles de años, pero las tendencias de invierno y verano se han vuelto negativas en las últimas décadas. La publicación a continuación lo expone y contiene también recursos sobre el tema.

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Crédito: 
National Snow and Ice Data Center
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Con la puesta del Sol y la aparición de la oscuridad polar, el Océano Ártico normalmente estaría cubierto de hielo marino en la costa de Siberia. Pero este año (2020), el mar sigue abierto.
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Crédito:
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