Módulo I: Motores de la Biosfera

Capítulo 7Mecanismos climáticos de

retroalimentación

Antonio García-OlivaresInstitut de Ciències del Mar, CSIC, Barcelona

agarcia@icm.csic.es

3. Circulación Oceánica y Clima

Feedback radiativo

- La emisión de onda larga de las superficies calientes es estabilizadora- La superficie acaba emitiendo tanta potencia como le llega- T deja de subir

Retroacción sobre conducción y convección

-Un calentamiento de la superficieinestabiliza la estratificación adiabáticade la capa límite troposférica-Los flujos turbulentos verticales aumentan-La troposfera alta se calienta-Se radia más calor hacia el espacio-Feedback negativo

-El ciclo estacional actúa análogamentede forma negativa sobre el caloracumulado en océanos en la anteriorestación

Feedback T – vapor de agua

-El aumento de T �redistribuciónde calor hacia latitudes altas-El aumento de T�aumento local Greenhouse del agua�feedback>0 sobre T-La estabilidad local de T loconsigue el suelo radiativamente-En continentes�suelo más seco,atm más húmeda

-Globalmente, gracias al H2O,el clima tiene una sensibilidadal CO2 doble a triple que la que produciría el CO2 solo-En La Luna: 0,6ºC por cada 1% de potencia solar- En La Tierra, 2ºC

-Aumento de vapor de agua (invernadero)

-Bajada de la banquisa de hielo

•Thin, high-altitude cirrus clouds made up of ice particles are nearly transparent to incoming sunlight in visible wavelengths, so they let light in. They are, however, very effective at trapping outgoing long wavelength infrared radiation. •Dense low-altitude cumulus clouds tend to have a high albedo and thus reflect away much of the incomingvisible light that strikes them from above. Although they are also good at trapping IR radiation from below, their high reflectance of incoming visible light is such a powerful influence that an increase in this type of cloudtends to exert a net cooling effect . •Subtropical oceans are often covered by huge areas of marine stratocumulus clouds with such a high albedo covering. •More water vapor in the atmosphere because of increased global temperatures is likely to generate more clouds, but whether this leads to further warming or to partial cooling depends on what type of clouds formand where. •Efecto neto global: ligeramente refrigerante (latitudes medias y altas)

Retroacción entre nubes y T

Retroacción entre nubes y T (II)

dTs/dAb = -82 K, dTs/dAm = -39 K, dTs/dAa = 38 K (“negras”) o 4 K (“medio negras”)Ab,m,a = fracción de nubes bajas, medias, altas

-Ante un glacial, las aguas frías se extienden hacia S � nubes tormenta más al S, donde son más eficientes enfriando, pues T es mayor � -3 W/m2 de sobreenfriamiento del planeta (> cambio del CO2)-Albedo, nubes y CO2 �feedbacks > 0 en glaciaciones

Retroacción sequedad – T :Mayor sequedad en centro deContinentes � menos nubes �Más insolación � más sequedad

a c

b

a > cb + c > a

Efecto neto del agua ante unaelevación de T

Range of estimated magnitudes of major climate feedbacks from the mostrecent IPCC report and Colman 2003. Figure taken from Soden and Held2006

Retroacción > 0 hielo - T

1 Light coloured ice reflects back theSun’s energy efficiently.2 Exposed land is darker coloured and absorbs more energy.3 As the ice melts, more land is exposed. This absorbs more heat, melting more ice.4 The altitude of the melting ice is reduced so it becomes harder for new ice to form.

-En los polos, este efecto es muy intenso-El intercambio de calor con vientos es débil (debilidad de la celda convectiva polar)-Desde terciario, el casquete polar N quedaMuy aislado de los océanos: continentes

a(T) is roughly a linear function of T. For verylow T, a(T) must tend to saturate in the albedo of ice, aicc. For high T, a(T) should alsosaturate to some value ahot descriptive of anicefree earth:

a(T) = aico T < T1a(T)= b – cT TI < T < T2a(T) = ahot T > T2

Retroacción conjunta T – hielos - nubosidad

Estacionalidad baja

• Poca diferencia entre invierno y verano• Mayor T en invierno�Mayor evaporación

en invierno�mayores nevadas en latitudes altas�crecimiento de capa de hielo en N

• Menor T en verano�No todo el hielo acumulado en invierno se derrite�Crecimiento de la capa de hielo en años sucesivos

Gradiente latitudinal de T

• ∆(diferencia insolación latitudinal)� ∆(diferencia T latitudinal)� ∆(diferencia dilataciones)�∆(gradiente hidráulico S-N)� ∆(caudal S-N)�∆(intensidad giro cuencas)�-∆∆(diferencia T latitudinal)

• ∆(diferencia insolación latitudinal)�∆(evaporación tropicos y lluvia en N)�

-∆(peso columna tropical aire húmedo)�∆(succión intertropical)� ∆(alisios)� ∆(stress viento-corrientes)� ∆(intensidad giro cuencas)�-∆∆(diferencia T latitudinal)

Bombeo de Ekman

• Giros subtropicales en cuencas � aceleración de Coriolis hacia dentro de los giros acumula agua en el centro � el agua se hunde �bombeo continuo de aguas intermedias � el agua tiene que volver a salir � upwellings (ecuador y costas)

• Intensos giros subtropicales � océanos más mezclados verticalmente � poca estratificación � fuerte bombeo de CO2 del océano profundo a atmósfera � subida del GH � subida de T

Amortiguamiento térmico oceánico

• La irradiación calienta la superficie terrestre (oceánica) rápidamente (lentamente), pero al calentarse el agua acumula más calor que el suelo (capacidad calorífica 50 veces mayor)

• Cuando la superficie oceánica se vuelve más cálida o menos que lo normal, tarda mucho en volver al estado normal

• A corto plazo, amortigua los extremos atmosféricos

• Ej: los climas “costeros” son más suaves que el clima “continental”

Los océanos son grandes acumuladores de carbono

• Hay 50 átomos de C en océanos por cada 1 en atmósfera

• La mitad del flujo antropogénico de CO2 está siendo absorbido por los océanos

• � Enlentecimiento del efecto invernadero CO2

Feedbacks entre clima y MOC

• Hay relación entre clima y MOC pero no es simple • La superficie oceánica envía calor al fondo mediante

downwelling• A corto plazo, amortigua los extremos atmosféricos• A largo plazo, un océano calentado hasta el fondo

puede crear un clima muy uniforme globalmente• Ej: El cretácico: 28ºC en superficie (45º N), 17ºC en

fondo. Hoy: 18ºC, 2ºC. Caimanes en círculo polar.• Causas:

– Corrientes marinas tropicales hasta el círculo polar. – Mayor CO2 que hoy.– ¿downwelling en zonas tropicales?

Las corrientes influyen en el clima global y regional

• El 60%-65% del exceso de calor que gana anualmente la banda intertropical es enviada hacia los polos por vientos. El 30-35%, por corrientes oceánicas

• Las corrientes ecuador-polos llevan agua cálida miles de km hacia regiones frías

• Ej: La Corriente del Golfo crea climas anormalmente suaves en N de Europa

• Ej: El upwelling costero crea climas anormalmente fríos (Ej: San Francisco, enfriado por upwelling, tiene la misma T que Dublin, calentado por la Corriente del Golfo, aunque está 1600 km más al sur)

Fertilización de la fotosíntesis

-La fotosíntesis y la respiración estánen equilibrio anual: estado estacionariosalvo oscilación estacional

-Pero más CO2 en atm� másproducción primaria�plantas mayores�fracción mayor de C retirada en masa vegetal y suelos

-Fertilización de océanos�subeproducción CO3Ca�retirada Cen fondos marinos

-Esto es un feedback <0 en 102-103 a.A escalas geológicas, el C vuelve ala atm por los volcanes

-Efecto: Un bombeo de CO2 a atmtiende a ser amortiguado por lamayor fotosíntesis

Otros feedbacks biológicos

-La vegetación fija el suelo,disminuyendo el polvo en atm-Disminuye el albedo (tundra)estacionalmente y en la escalasecular (cambio ecosistsvegetales)-Suelos continentales amplificancalentamiento al mejorar larespiración bacteriana-Tundras, permafrost, pantanos yarrozales amplifican calentamiento por emitir CH4-Feedback >0 sobre precipitaciones-Producción of dimetil sulfuro gas (DMS) por fitoplankton en oceanosuperficial �producción de aerosoles

La retroacción > 0 entre T y CO 2 en escala glacial-interglacial

El CO2 responde a las variaciones térmicas en el mismo sentido

-Mayor respiración de los suelos-Menor solubilidad oceánica-Mayor mezcla turbulenta de aguas:

-Intermedias con superficiales-Profundas con intermedias

-Mayor upwelling en Paso de Drake

El aumento de CO2 es amortiguado:-Por el aumento de la fotosíntesis-Por la “bomba biológica”, sobre todoen el hemisferio N

Situación actual del uso de nutrientes en océanos m uy meridionales

2. El C es secuestrado en latitudes bajas hacia el fondo3. El agua profunda que pormezcla ha llegado arribaenriquece de CO2 la superficie4. En los océanos australesla fotosíntesis es ineficiente5. Ese CO2 no es usado al 100%6. Hay un bombeo de CO2 aatm pues el agua es rica en CO2

1. Las zonas de alta fotosíntesis�alta producción organismos con esqueleto

-2 scenarios by which this leak might have been stopped during ice ages:

During ice ages, atmospheric CO2 could have been reduced by increasing the nutrient efficiency of the biological pump in the Southern Ocean (b and c).

- b: This could have been driven by an increase in biological productivity, which would have actively increased the downward flux of carbon,

-c: or by density “stratification” of the upper ocean, allowing less nutrient- and CO2-rich water to the Southern Ocean surface.

Posición actual de las placas tectónicas

Forcings y feedbacks tectónicos

- Eras de alta actividadtectónica

- Alto input CO 2- El weathering crece en 10 6 a

e impide excesos térmicos- No impide un aumento de

CO2 y de T medias

Chemical weathering (hydrolysis): Provoca unfeedback importante en escalas geológicas

-- removes CO 2 from atmosphere, puts it in limestone (or carbonate) rock

-- proceeds faster if more precipitation, higher temperature, more vegetation

CaSiO3 + H2O + CO2 CaCO3 + SiO2 + H2Osilicate rain atm limestone /rock carbonate

(Why?-- carbonic acid )

Temperature - weathering feedback:

Temperature - weathering feedback:

¿Por qué la Tierra no puede convertirse en un infierno, como Venus?

• Venus tiene una rotación muy lenta �genera un B inapreciable (efecto dinamo)

• Los iones solares no se desvían y rompen su H20

• Ha perdido H20 durante toda su existencia• Sin H20, el CO2 volcánico no puede formar

ácido carbónico• El feedback <0 del weathering no existe

Interaction between Venus and the solar wind. (Credit: ESA / C. Carreau)

- 1 /105 veces menos de agua

- Venus no genera un campo magnético.

- El viento solar incide directamente sobrelas moléculas de H 2O en la alta atm

- El Analyser of Space Plasma and EnergeticAtoms (ASPERA) de la sonda Venus Express (ESA) mostró por 1ª vez la pérdida de H y Oen el lado nocturno. Unos 2 átomos de H salenpor cada uno de O .

El orbitador polar Venus Express (1270 kg), en órbita entre 250 y 66000 km de Venus. Lanzada el 9 Nov de2005 por un Soyuz, alcanzó Venus 153 días despuésY tras 5 días de maniobras, consiguió su órbita.

La tragedia de Venus