La atmósfera superior se está enfriando, lo que genera nuevas preocupaciones climáticas

Fred Pearce

Esta historia apareció originalmente en Yale Environment 360 y es parte de la colaboración Climate Desk.

Hay una paradoja en el corazón de nuestro clima cambiante. Mientras que la capa de aire cercana a la superficie de la Tierra se está calentando, la mayor parte de la atmósfera por encima se está volviendo dramáticamente más fría. Los mismos gases que están calentando los pocos kilómetros de aire del fondo están enfriando las extensiones mucho mayores que se extienden hasta el borde del espacio.

Esta paradoja ha sido predicha durante mucho tiempo por los modeladores climáticos, pero solo recientemente ha sido cuantificada en detalle por sensores satelitales. Los nuevos hallazgos brindan una confirmación definitiva sobre un tema importante, pero al mismo tiempo plantean otras preguntas.

La buena noticia para los científicos del clima es que los datos sobre el enfriamiento en altura confirman la precisión de los modelos que identifican el calentamiento de la superficie como provocado por el hombre. Un nuevo estudio publicado en mayo en la revista PNAS por el veterano modelador climático Ben Santer de la Institución Oceanográfica Woods Hole encontró que aumentó cinco veces la fuerza de la "señal" de la huella digital humana del cambio climático, al reducir el "ruido" de interferencia de variabilidad natural de fondo. Santer dice que el hallazgo es "incontrovertible".

Pero los nuevos descubrimientos sobre la escala del enfriamiento en altura están dejando a los físicos atmosféricos con nuevas preocupaciones: sobre la seguridad de los satélites en órbita, sobre el destino de la capa de ozono y sobre el potencial de estos cambios rápidos para provocar una agitación repentina e imprevista en nuestro clima. abajo.

Hasta hace poco, los científicos llamaban a las zonas remotas de la atmósfera superior "ignorosfera", porque sabían muy poco sobre ellas. Entonces, ahora que saben más, ¿qué estamos aprendiendo? ¿Debería tranquilizarnos o alarmarnos?

La atmósfera de la Tierra tiene varias capas. La región que mejor conocemos, porque es donde sucede nuestro clima, es la troposfera. Esta densa capa de aire de 5 a 9 millas de espesor contiene el 80 por ciento de la masa de la atmósfera pero solo una pequeña fracción de su volumen. Por encima hay amplios espacios abiertos de aire progresivamente menos denso. A la estratosfera, que termina a unas 30 millas de altura, le sigue la mesosfera, que se extiende hasta 50 millas, y luego la termosfera, que alcanza más de 400 millas de altura.

Desde abajo, estas zonas distantes aparecen como un cielo azul plácido y prístino. Pero, de hecho, son azotados por fuertes vientos y enormes mareas de aire ascendente y descendente que ocasionalmente invaden nuestra troposfera. Y la preocupación es que este entorno ya dinámico podría cambiar nuevamente a medida que se infiltra CO2 y otros productos químicos creados por el hombre que interfieren con la temperatura, la densidad y la química del aire en lo alto.

Casi siempre se piensa en el cambio climático en términos de las regiones más bajas de la atmósfera. Pero los físicos ahora advierten que debemos repensar esta suposición. Los aumentos en la cantidad de CO2 ahora "se manifiestan en toda la atmósfera perceptible", dice Martin Mlynczak, físico atmosférico del Centro de Investigación Langley de la NASA en Hampton, Virginia. Están "impulsando cambios dramáticos que los científicos apenas ahora comienzan a comprender". Esos cambios en el azul salvaje allá arriba, muy por encima de nuestras cabezas, podrían retroalimentarse para cambiar nuestro mundo debajo.

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La historia de los cambios de temperatura en la atmósfera en todos los niveles es en gran parte la historia del CO2. Sabemos muy bien que nuestras emisiones de más de 40 mil millones de toneladas de gas al año están calentando la troposfera. Esto sucede porque el gas absorbe y vuelve a emitir radiación solar, calentando otras moléculas en el aire denso y elevando las temperaturas en general.

Pero no todo el gas se queda en la troposfera. También se propaga hacia arriba a través de toda la atmósfera. Ahora sabemos que la tasa de aumento de su concentración en la parte superior de la atmósfera es tan grande como en la parte inferior. Pero su efecto sobre la temperatura en altura es muy diferente. En el aire más delgado en lo alto, la mayor parte del calor reemitido por el CO2 no choca con otras moléculas. Escapa al espacio. Combinado con la mayor captura de calor en los niveles más bajos, el resultado es un rápido enfriamiento de la atmósfera circundante.

Los datos satelitales han revelado recientemente que entre 2002 y 2019, la mesosfera y la termosfera inferior se enfriaron 3,1 grados F (1,7 grados C). Mlynczak estima que la duplicación de los niveles de CO2 que se cree probable para finales de este siglo provocará un enfriamiento en estas zonas de alrededor de 13,5 grados F (7,5 grados C), que es entre dos y tres veces más rápido que el calentamiento promedio esperado a nivel del suelo.

Los primeros modeladores climáticos predijeron en la década de 1960 que esta combinación de calentamiento troposférico y un fuerte enfriamiento en las alturas era el efecto probable del aumento de CO2 en el aire. Pero su reciente confirmación detallada por mediciones satelitales aumenta en gran medida nuestra confianza en la influencia del CO2 en las temperaturas atmosféricas, dice Santer, quien ha estado modelando el cambio climático durante 30 años.

En mayo, utilizó nuevos datos sobre el enfriamiento en la estratosfera media y superior para volver a calcular la fuerza de la "señal" estadística de la huella digital humana en el cambio climático. Encontró que se reforzó mucho, en particular debido al beneficio adicional proporcionado por el menor nivel de "ruido" de fondo en la atmósfera superior debido a la variabilidad natural de la temperatura. Santer descubrió que la relación señal-ruido para la influencia humana se quintuplicó, proporcionando "evidencia incontrovertible de los efectos humanos en la estructura térmica de la atmósfera terrestre". Estamos "cambiando fundamentalmente" esa estructura térmica, dice. "Estos resultados me preocupan mucho".

Gran parte de la investigación que analiza los cambios en el aire ha sido realizada por científicos empleados por la NASA. La agencia espacial tiene los satélites para medir lo que está sucediendo, pero también tiene un interés particular en las implicaciones para la seguridad de los propios satélites.

Este interés surge porque el enfriamiento del aire superior también hace que se contraiga. El cielo se está cayendo, literalmente.

La profundidad de la estratosfera ha disminuido en aproximadamente un 1 por ciento, o 1.300 pies, desde 1980, según un análisis de datos de la NASA realizado por Petr Pisoft, físico atmosférico de la Universidad Charles en Praga. Por encima de la estratosfera, Mlynczak descubrió que la mesosfera y la termosfera inferior se contrajeron casi 4400 pies entre 2002 y 2019. Parte de esta reducción se debió a una disminución a corto plazo en la actividad solar que terminó desde entonces, pero 1120 pies se debió a enfriamiento causado por el CO2 adicional, calcula.

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Esta contracción significa que la atmósfera superior se está volviendo menos densa, lo que a su vez reduce la resistencia de los satélites y otros objetos en órbita baja en alrededor de un tercio para 2070, calcula Ingrid Cnossen, investigadora del British Antarctic Survey.

A primera vista, esta es una buena noticia para los operadores de satélites. Sus cargas útiles deberían permanecer operativas durante más tiempo antes de volver a caer a la Tierra. Pero el problema son los otros objetos que comparten estas altitudes. La creciente cantidad de basura espacial (piezas de equipos de varios tipos que quedan en órbita) también se quedan más tiempo, lo que aumenta el riesgo de colisiones con los satélites actualmente operativos.

Más de 5000 satélites activos y desaparecidos, incluida la Estación Espacial Internacional, están en órbita a estas altitudes, acompañados por más de 30 000 elementos conocidos de escombros de más de 4 pulgadas de diámetro. Los riesgos de colisión, dice Cnossen, crecerán cada vez más a medida que el enfriamiento y la contracción se aceleren.

Esto puede ser malo para los negocios en las agencias espaciales, pero ¿cómo afectarán los cambios en el aire a nuestro mundo de abajo?

Una gran preocupación es el ya frágil estado de la capa de ozono en la estratosfera inferior, que nos protege de la dañina radiación solar que causa cánceres de piel. Durante gran parte del siglo XX, la capa de ozono se adelgazó bajo el ataque de las emisiones industriales de sustancias químicas que consumen ozono, como los clorofluorocarbonos (CFC). Los agujeros de ozono absolutos se formaron cada primavera sobre la Antártida.

El Protocolo de Montreal de 1987 tenía como objetivo cerrar los agujeros anuales eliminando esas emisiones. Pero ahora está claro que otro factor está socavando este esfuerzo: el enfriamiento estratosférico.

La destrucción del ozono opera a toda marcha en las nubes estratosféricas polares, que solo se forman a temperaturas muy bajas, particularmente sobre las regiones polares en invierno. Pero la estratosfera más fría ha significado más ocasiones en las que se pueden formar tales nubes. Mientras que la capa de ozono sobre la Antártida se está reformando lentamente a medida que desaparecen los CFC, el Ártico está demostrando ser diferente, dice Peter von der Gathen del Instituto Alfred Wegener para la Investigación Polar y Marina en Potsdam, Alemania. En el Ártico, el enfriamiento está empeorando la pérdida de ozono. Von der Gathen dice que la razón de esta diferencia no está clara.

En la primavera de 2020, el Ártico tuvo su primer agujero de ozono en toda regla con más de la mitad de la capa de ozono perdida en algunos lugares, lo que von der Gathen atribuye al aumento de las concentraciones de CO2. Podría ser el primero de muchos. En un artículo reciente en Nature Communications, advirtió que el enfriamiento continuo significa que las expectativas actuales de que la capa de ozono debería estar completamente curada para mediados de siglo son casi con certeza demasiado optimistas. Según las tendencias actuales, dijo, "las condiciones favorables para una gran pérdida estacional de la columna de ozono del Ártico podrían persistir o incluso empeorar hasta finales de este siglo... mucho más de lo que comúnmente se cree".

Esto se vuelve más preocupante porque, si bien las regiones debajo de los agujeros antárticos anteriores han estado en gran parte desprovistas de personas, las regiones debajo de los agujeros de ozono del Ártico son potencialmente algunas de las más densamente pobladas del planeta, incluida Europa central y occidental. Si pensábamos que el adelgazamiento de la capa de ozono era una preocupación del siglo XX, es posible que tengamos que pensarlo de nuevo.

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La química no es el único problema. Los físicos atmosféricos también están cada vez más preocupados de que el enfriamiento pueda cambiar los movimientos del aire en lo alto de formas que afecten el tiempo y el clima a nivel del suelo. Uno de los más turbulentos de estos fenómenos se conoce como calentamiento estratosférico repentino. Los vientos del oeste en la estratosfera se invierten periódicamente, lo que resulta en grandes cambios de temperatura, durante los cuales partes de la estratosfera pueden calentarse hasta 90 grados F (50 grados C) en un par de días.

Esto suele ir acompañado de un rápido hundimiento del aire que empuja hacia la corriente en chorro del Atlántico en la parte superior de la troposfera. La corriente en chorro, que impulsa los sistemas meteorológicos en todo el hemisferio norte, comienza a serpentear. Esta perturbación puede causar una variedad de condiciones climáticas extremas, desde lluvias intensas persistentes hasta sequías de verano y "máximos de bloqueo" que pueden causar semanas de clima invernal intenso y frío desde el este de América del Norte hasta Europa y partes de Asia.

Esto ya se sabe. En los últimos 20 años, los meteorólogos han incluido tales influencias estratosféricas en sus modelos. Esto ha mejorado significativamente la precisión de sus pronósticos a largo plazo, según Met Office, una agencia de pronósticos del gobierno del Reino Unido.

La pregunta que se hace ahora es cómo el CO2 adicional y el enfriamiento estratosférico general influirán en la frecuencia e intensidad de estos eventos de calentamiento repentino. Mark Baldwin, un científico del clima de la Universidad de Exeter en Inglaterra que ha estudiado el fenómeno, dice que la mayoría de los modelos están de acuerdo en que el calentamiento estratosférico repentino es sensible a más CO2. Pero mientras algunos modelos predicen muchos más eventos de calentamiento repentino, otros sugieren menos. Si supiéramos más, dice Baldwin, "conduciría a una mayor confianza tanto en los pronósticos meteorológicos a largo plazo como en las proyecciones del cambio climático".

Cada vez es más claro que, como dice Gary Thomas, físico atmosférico de la Universidad de Colorado Boulder, "si no obtenemos nuestros modelos correctos sobre lo que está sucediendo allá arriba, podríamos equivocarnos abajo". Pero mejorar los modelos de cómo funciona la atmósfera superior y verificar su precisión requiere buenos datos actualizados sobre las condiciones reales en el aire. Y el suministro de esos datos está a punto de agotarse, advierte Mlynczak.

La mayoría de los satélites que han proporcionado información de la atmósfera superior durante las últimas tres décadas, entregando sus pronósticos de enfriamiento y contracción, y los de otros, están llegando al final de sus vidas. De los seis satélites de la NASA en el caso, uno falló en diciembre, otro fue dado de baja en marzo y tres más se apagarán pronto. "Todavía no hay una nueva misión planeada o en desarrollo", dice.

Mlynczak espera reactivar el interés en el monitoreo con una sesión especial que está organizando en la Unión Geofísica Estadounidense este otoño para discutir la atmósfera superior como "la próxima frontera en el cambio climático". Sin un monitoreo continuo, el temor es que pronto podamos regresar a los días de la ignorosfera.