Termodinámica de la atmósfera



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Tiempo y clima


Se va a considerar ahora la atmósfera a escala local, i.e. las variables meteorológicas. El estado atmosférico en un cierto momento y lugar es lo que se llama tiempo meteorológico, que comparte etimología con el tiempo de calendario, pues en ambos casos (Lat. tempus) se trata de la ordenación de cosas sujetas a mudanza. Aunque en francés y demás lenguas románicas ocurre lo mismo, en inglés y otras lenguas germánicas el tiempo meteorológico, weather, proviene de ‘tormenta’ (Ger. wetter), mientras que el tiempo de calendario, time, está relacionado con la marea (tide).
La meteorología suele condicionar las actividades humanas en los tres sectores productivos: extractivo, manufacturero, y de servicios; i.e. desde la agricultura hasta el turismo, incluso en la época actual de trabajo y ocio ‘bajo techo’, siendo de gran relevancia en todo tipo de transporte y en especial en aeronáutica (e.g. nieblas, tormentas, turbulencias, congelación), lo que justifica que en todo aeropuerto haya una oficina meteorológica (OMA), y que todo avión de más de 9 pasajeros haya de llevar un radar meteorológico para evitar zonas tormentosas. Todavía hoy no se sabe luchar contra la niebla en el entorno aeroportuario, aunque se han obtenido éxitos parciales en nieblas frías matinales lanzando hielo seco en polvo, y, a escala más reducida, dispersando nieblas superficiales por mezcla con aire superior más seco, mediante helicópteros (el calentamiento con quemadores resulta contraproducente en todos los casos).
En latitudes ecuatoriales y polares, la meteorología no cambia mucho con el tiempo, pero en latitudes medias (entre 30º y 60º) los cambios meteorológicos pueden ser drásticos (i.e. las zonas templadas son las más cambiantes), y desde la antigüedad se ha visto la conveniencia de poder hacer pronósticos, al principio simplemente basados en el estado del cielo (cobertura nubosa) y la experiencia de situaciones análogas, y ya a partir del Renacimiento basándose en los cambios de presión ambiente (e.g. previsión de mal tiempo si disminuía la presión). Hoy día, la previsión se basa en el cálculo numérico con modelos dinámicos a partir de datos multiparamétricos de la situación actual obtenidos desde satélites, estaciones en tierra, y globos sonda.
La palabra "meteorología" (Gr, μετέ, detrás, y ωρος, aire) aparece por primera vez en el título de un libro, Meteorológica, escrito alrededor del año 340 a. C. por Aristóteles sobre observaciones (y especulaciones) celestes, donde se describe por primera vez el ciclo del agua. Poco se avanzó en los siguientes 2000 años hasta el desarrollo de instrumentos de medida: el termómetro de Galileo en 1607, el barómetro de Torricelli en 1643, el anemómetro de Hooke en 1667, y el higrómetro de Saussure en 1780. Posteriormente se puso el énfasis en la base de datos meteorológicos (y ya en el siglo XX, en el desarrollo de modelos predictivos). Franklin, hacia 1750, fue el primero en registrar de modo preciso y detallado las condiciones del tiempo en base diaria, así como de efectuar previsiones del tiempo sobre esa base. El primero en definir de modo correcto la circulación atmosférica global fue Hadley, con un estudio de 1735 sobre los vientos alisios. Howard en 1802 clasificó las nubes y Beaufort en 1806 los vientos. Desde 1834, el telégrafo permitió intercambiar información meteorológica en tiempo real. El geofísico noruego Vilhelm Bjerknes propuso en 1904 predecir el tiempo analíticamente a partir de las ecuaciones físicas, en vez de empíricamente a partir de las observaciones, como hasta entonces, y ya en el primer ordenador en 1950 (el ENIAC) se obtuvieron resultados prometedores. El lanzamiento del primer satélite meteorológico, el TIROS-1 en 1960 (el 1 de abril; el Vanguard-2 lanzado en febrero de 1959, no funcionó bien), permitió la observación global. Precisamente en esas mismas fechas, Edward Lorenz descubrió la naturaleza caótica de las ecuaciones de predicción del tiempo (él usaba un modelo con 12 variables): pequeñísimos cambios en las condiciones iniciales, daban lugar a predicciones divergentes en el tiempo (sintetizado en la famosa frase “el efecto mariposa”, basada en el título de una de sus conferencias: “¿Puede un tornado en Texas ser debido al aleteo de una mariposa en Brasil?, AAAS-1972).
El clima (Gr. κλίμα, inclinación) es la media plurianual (30 años según la OMM) del tiempo atmosférico que caracteriza una región, destacando las temperaturas medias de cada mes y las precipitaciones mensuales, datos con los que se construyen los climogramas como el de la Fig. 10 (correspondiente al observatorio de Madrid-Retiro, 40,4167ºN, 3,6833ºW, 667 m de altitud de referencia barométrica, código 08222; el de Madrid-Barajas, códico OACI LEMD=08221, está a 582 m de altitud). A diferencia de la meteorología, que siempre ha tratado de ser predictiva, hasta hace pocas décadas el estudio del clima era simplemente descriptivo pues se suponía que, como las otras partes de la geografía física, era inalterable a escala humana (i.e., la meteorología se consideraba una ciencia física, pero la climatología era una ciencia geográfica que estudiaba los efectos a largo plazo de la meteorología sobre el paisaje y la actividad humana). Actualmente, la climatología se centra en el estudio de modelos climáticos (que incorporan los modelos atmosféricos, oceánicos, de suelo...) que permitan calcular proyecciones de la evolución futura del clima, con el fin de conocer el impacto de las diferentes actividades humanas y fenómenos naturales, inclyendo el estudio del clima en el pasado.

Fig. 10. a) Climograma de Madrid; la temperatura media anual es de 14,6 ºC, y la pluviosidad anual de 450 mm, y es de tipo Csa según la clasificación de Köppen. b) Temperaturas media y extremas mensuales. c) Presión media y extremas mensuales. d) Humedad relativa media y extremas mensuales. (www.aemet.es)


Los climas suelen clasificarse atendiendo a la vegetación que pueden soportar (e.g. Köppen-1936, basada en temperatura media y aridez). La aridez es la diferencia entre las precipitaciones y la evapotranspiración. Si la temperatura media anual es <18 ºC no hay selva (vegetación en varios niveles), si es <10 ºC no suelen crecen árboles (lo que ocurre para latitudes por encima de 65º Norte o Sur), y si es <0 ºC no hay vegetación. Actualmente, esta definición antropocéntrica de clima (de lugares habitados) se extiende al conjunto de variables medias en toda la ecosfera (i.e. no sólo el tiempo meteorológico, sino las variables oceánicas y terrestres, incluyendo la criosfera y la biosfera). También hay que señalar que hasta hace unos pocos años la climatología era una ciencia descriptiva, que no intentaba predecir como la meteorología, sino que se limitaba a documentar y tratar de explicar los promedios temporales de la meteorología local; hoy día la climatología está integrada en la meteorología, usa las mismas ecuaciones, y sólo se diferencia en el plazo temporal.
El clima viene condicionado básicamente por la latitud (insolación anual) y la proximidad al mar, mientras que el tiempo viene controlado por la insolación instantánea, y el viento y la humedad local. Los factores que influyen en el clima de una región, en orden de importancia decreciente, son: la latitud, la proximidad al océano, la altitud, la orografía, y el uso del suelo (urbano/rural, secano/regadío, bosque/páramo…). El clima de una región apenas cambia en el transcurso de una vida humana, pero el análisis de datos correlacionables con el clima en épocas pasadas (espesor de los anillos en los troncos de árboles, concentraciones de CO2 en las burbujas atrapadas en los hielos polares, concentración de isótopos en el aire, el agua, o los sedimentos) nos muestra que ha habido pequeñas variaciones con los siglos, y grandes variaciones con decenas y centenas de miles de años (ciclos de Milankovitch).
En latitudes medias y altas se suceden cuatro estaciones térmicas al año (primavera, verano, otoño e invierno), pero en las zonas tropicales y subtropicales sólo aparecen dos: la estación lluviosa y la seca), y en las regiones ecuatoriales no se aprecian estaciones (siempre hace calor y llueve). A veces se hace distinción entre estaciones térmicas y estaciones astronómicas; e.g. en el hemisferio Norte, el verano térmico incluye junio, julio y agosto, mientras que el verano astronómico va del 21 de junio al 22 de septiembre. En Europa, el clima es más benigno que en otras regiones de la misma latitud debido a la corriente oceánica del Golfo. Europa está en latitudes medio-altas. El 75% de la humanidad vive entre 30º de latitud Norte y 30º de latitud Sur, zona que ya comprende la mitad de la superficie terrestre. Las presiones y los vientos en superficie vienen condicionados por las altas presiones en latitudes medias (anticiclón de las Azores) y las bajas presiones en latitudes altas (depresión de Islandia), que actúan durante todo el año en el occidente europeo, mientras que en el oriente, en Siberia aparece un fuerte anticiclón invernal que se transforma en una depresión estival. Los vientos dominantes en latitudes medias son del oeste. El clima en la península ibérica, excepto en la parte superior de la costa atlántica y la cornisa cantábrica (donde las precipitacione son abundantes) es de tipo mediterráneo, con veranos secos y calurosos (y gran oscilación térmica diaria en el interior), pues este es el clima típico de las fachadas occidentales de los continentes en latitudes medias (30º..40º: Europa meridional, Norte de África, Oriente Medio, California, Chile, Ciudad del Cabo en Sudáfrica, o Perth y Albani en Australia).
Dentro de un clima dado, el tiempo atmosférico varía casi-periódicamente con las horas del día, y no sólo las temperaturas, sino las precipitaciones y los vientos (e.g. las brisas costeras soplan desde el mar por la tarde, y desde tierra por la mañana; las brisas de montaña soplan hacia arriba por la mañana, y hacia abajo al atardecer), y con las estaciones (vientos de otoño, vientos de primavera, vientos monzónicos…; “monzón” viene del árabe “estación”).

Cambio climático


El clima en la Tierra ha sufrido grandes cambios en épocas pretéritas (los ciclos de Milankovitch, antes citados), y el homo sapiens ya ha experimentado en sus 2 millones de años de existencia glaciaciones y periodos más cálidos que el actual. Lo novedoso es que en nuestra época hemos sido capaces de introducir perturbaciones antropogénicas globales en el clima, lamentablemente descontroladas, y estamos empezando a ser capaces de predecir las consecuencias, lo que nos puede permitir minimizar (si no evitar) los daños previsibles. Aunque estos daños no afectarán a todos por igual (habrá regiones y pueblos que salgan beneficiados), y además recaerán principalmente sobre las generaciones futuras, parece más lógico y más humano prevenir que curar (i.e. prevenir riesgos y minimizar daños potenciales, que esperar a ver lo que pasa y actuar entonces, si se puede, o ir adaptándose a los cambios).
Todavía hay muchos científicos que dudan de que el hombre pueda causar un daño importante a la Naturaleza, y piensan que el cambio climático es un proceso natural, como otros que pueden verse en el paisaje, testigo mudo de cambios climáticos pasados. Los 6,8·109 habitantes del planeta (2010) suman una masa de unos 400·109 kg (que no ocuparía ni la mitad de la capacidad de un embalse como el de Entrepeñas, de 0,8 km3), mientras que la Naturaleza es incomparablemente mayor (sólo la masa del aire es ya de 5·1018 kg, i.e. más de diez millones de veces mayor, y no digamos la de los mares y continentes).
Pero, aunque los modelos predictivos todavía presentan gran incertidumbre, el consenso científico internacional, representado por varios miles de investigadores en el Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC) de la ONU, mayoritariamente concluye que actualmente el calentamiento del sistema climático es inequívoco, las anomalías en el régimen general de lluvias evidente, y la causa es con gran probabilidad antropogénica [11].
Aunque los cambios de uso del suelo son importantes (deforestación, urbanización), la principal contribución humana al cambio climático es debida a las emisiones de CO2 (gas que incrementa el efecto invernadero de la atmósfera) en los procesos de combustión usados mayoritariamente en el transporte (derivados del petróleo) y la producción de electricidad (carbón y gas natural).
¿Por qué no resulta evidente a nivel individual (i.e. fácilmente comprensible) el impacto antropogénico en el cambio climático?

  • Porque no es fácil tener presente los efectos de la explosión demográfica actual. A nivel individual, las actividades humanas más contaminantes actualmente, como el uso del vehículo privado o el aire acondicionado en edificios, son actividades muy beneficiosas (es el progreso, la movilidad, el confort), cuyos efectos nocivos parecen aceptables (basta no ponerse justo detrás del tubo de escape, y no poner las centrales térmicas cerca de las ciudades). Pero a nivel global, cuando se suma el efecto de los mil millones de vehículos y de los miles de centrales eléctricas de carbón, la contaminación ya resulta insostenible. Y sólo una pequeña parte de la humanidad disfruta actualmente de vehículo privado y aire acondicionado. Y la población mundial se ha duplicado en los últimos 30 años (y no es bueno pensar que el problema es de los otros).

  • Por las diferentes escalas espacio-temporales. Aunque los cambios climáticos son ubicuos, en muchas regiones desarrolladas no se aprecian a nivel local, o su efecto no es tan acusado (e.g. las olas de calor acontecen en vacaciones), o incluso contradicen las predicciones globales (e.g. hace más frío en lugar de más calor, pese al calentamiento global); parece que eso del cambio climático es cosa del deshielo en los Polos, la sequía en el Sahel, o las inundaciones en Indochina. De hecho, hay gente que piensa que el cambio climático es lo mismo que el cambio meteorológico (confunden tiempo y clima). Por otra parte, aunque el cambio climático que se prevé es muy rápido a escala geológica (no se trata de millones o incluso miles de años), a escala personal es percibido como muy lento (no se aprecian grandes cambios de un año a otro). Y a la inversa, las acciones pro-sostenibilidad a nivel personal no parece que vayan a remediar problemas tan globales y tan duraderos (¿y si los demás no colaboran?, ¿y si por alguna crisis económica o sanitaria no somos capaces de mantener el esfuerzo?). Se podría pensar que el calentamiento global no es tan perjudicial, y que bastaría con irse a vivir más lejos de la zona ecuatorial, incluso que el deshielo ártico permitiría aprovechar los inmensos recursos naturales allí detectados (las reservas de gas natural casi llegan a un tercio del total mundial), pero el deshielo del permafrost liberaría mucho metano, que incrementaría aún más la concentración de gases de invernadero.

  • Porque parece haber dudas cualitativas sobre algunos aspectos clave, como determinar si en último término las contribuciones humanas al cambio climático son positivas o negativas, dando lugar a contradicciones. Así, resulta que las emisiones de CO2 tienden a calentar la Tierra por efecto invernadero, pero las emisiones de partículas sólidas tienden a enfriar; y también está el efecto del cambio en la cobertura nubosa, con unas nubes que enfrían y otras que calientan. ¿No sería mejor esperar a saber más y despejar todas las dudas?

  • Porque hay gran incertidumbre cuantitativa sobre muchos aspectos importantes, como el efecto de la interacción atmósfera-océano en los flujos de contaminantes, el efecto catalizador de las nubes, el efecto del deshielo ártico sobre la circulación general termohalina, etc. ¿No sería mejor esperar a conocer con precisión las consecuencias? El coste económico de la lucha contra el cambio climático se prevé muy cuantioso. ¿No sería mejor destinar esos recursos a otros problemas acuciantes (malnutrición infantil, enfermedades contagiosas, educación...)?

¿En qué etapa de conocimiento del cambio climático estamos? La Organización Meteorológica Mundial (OMM) organizó la primera conferencia mundial del clima ya en 1979 (la 2ª fue en 1990 y la 3ª en 2009). A consecuencia de esta 1º conferencia, y en colaboración con el Programa de Naciones Unidas sobre Medio Ambiente (PNUMA), en 1988 fue creado el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático de la ONU (IPCC), con el objetivo de evaluar la información científica, técnica y socioeconómica relevante para la comprensión del cambio climático, sus impactos potenciales y las opciones de adaptación y mitigación. En su 4º Informe de Evaluación, de 2007, el IPCC estableció un estado actual de los indicadores del cambio climático, y propuso estimaciones de la evolución, y actuaciones para mitigar sus efectos. Por ejemplo, se establece que en el último siglo el calentamiento global ha sido de 0,5 ºC y 0,7 ºC, que para 2100 sería de entre 3 ºC y 8 ºC si no se tomasen medidas especiales, y que para lograr que el incremento de temperatura global no sobrepase los 2 ºC o 2,5 ºC que se consideran críticos para la dinámica del clima, la concentración de CO2 debería estabilizarse entre 350 ppm y 400 ppm (en 2009 es de 385 ppm), y las concentraciones conjuntas de todos los gases de efecto invernadero entre 450 ppm y 490 ppm de CO2 equivalente. De acuerdo con ese informe, ello sería posible si antes de 2015 se logra romper la actual tendencia al aumento de las emisiones mundiales de CO2 y se inicia su descenso paulatino, y hacia 2050 se consiguen recortes en las emisiones globales entre el 50% y el 85% respecto a las de 1990.


Pero el calentamiento global no refleja por sí solo los grandes cambios climáticos que se prevén. Basta considerar por ejemplo que, aunque en el siglo XX el aumento sólo fue de 0,5..0,7 ºC (la media global superficial del aire; la de todo el océano sería unos 0,05 ºC), según la AEMET [12], el incremento medio en la península ibérica casi fue de 4 ºC, y el incremento en la estación de primavera casi de 7 ºC. Los glaciares de montaña están en vías de desaparición, observándose un ascenso de las cotas de vegetación; el régimen de lluvias se está alterando; el ciclo anual de muchas especies vegetales y animales se está adelantando (y a diferente ritmo, lo que introduce un mayor impacto en los ecosistemas), etc.
Estos cambios climáticos previstos no se han producido en los últimos 10 000 años (desde que el hombre se hizo sedentario en el Neolítico) y, aunque en épocas anteriores hubo largos periodos glaciales (con temperaturas medias 9 ºC inferiores a las actuales) en los que el hombre primitivo logró sobrevivir, y todavía antes otros periodos más cálidos (en la época de los dinosaurios parece que había 4 ºC más que ahora), es más que razonable tratar de paliar esos sombríos panoramas, ya que evitarlos del todo parece que ya no se puede, pues, aunque ya no se echase más CO2 a la atmósfera, la inercia de la ecosfera, particularmente la enorme cantidad de CO2 acumulado en los océanos (que han ido absorbiendo más de la mitad del CO2 generado por el hombre), impedirá evitar totalmente el cambio. Por cierto, el análisis paleoclimático de las glaciaciones enseña que las transiciones hacia un calentamiento global han sido mucho más rápidas que las transiciones hacia un enfriamiento global.

Por mitigar el impacto negativo previsible del cambio climático (porque en algunas regiones el impacto puede ser favorable, pero se prevén catástrofes en las áreas ribereñas más densamente pobladas del planeta), se está tratando de actuar, a nivel internacional, en dos aspectos:



  1. Reducir la generación de gases de efecto invernadero mediante cambios en los procesos de generación de energía, transporte y consumo, y el desarrollo de tecnologías de captación del CO2 generado. El problema es que estas actuaciones son económicamente muy costosas (y eso que no se pretende evitar totalmente el cambio climático, sino limitarlo a un calentamiento medio menor de 2 ºC a lo largo del siglo XXI).

  2. Minimizar el impacto previsible del cambio climático mediante un uso más racional del suelo: evitando la deforestación de las zonas tropicales y subpolares donde todavía hay selva y taiga, promoviendo la reforestación de zonas templadas, no malgastando recursos hídricos en zonas semidesérticas, no permitiendo más desarrollos urbanos a nivel del mar, mejorando la agricultura, etc.

  3. Minimizar el impacto previsible del cambio climático mediante un mejor aprovechamiento del agua de lluvia, evitando escorrentías torrenciales mediante la estabilización de suelos, yendo al almacenamiento distribuido (como en los antiguos aljibes) en lugar de a los grandes embalses fluviales, reutilización del agua, etc.

Se trata de un delicado problema, pues se requieren grandes gastos actuales para disminuir un impacto ambiental negativo (pero con grandes incertidumbres de cuantificación), sobre las próximas generaciones humanas (a 25 años por generación, nuestros hijos, nietos y biznietos), y cuya efectividad no depende del esfuerzo de unos pocos sino de un esfuerzo mundial coordinado, y es patente la escasa sensibilidad que han demostrado hasta ahora muchos gobiernos y sus ciudadanos sobre este problema. Sin embargo, existen precedentes comparables de acción coordinada global en los que sí se ha reaccionado con éxito, como en el caso de la disminución observada en los años 1970 del grosor de la capa de ozono estratosférico que nos protege de las radiaciones ultravioleta dañinas; en 1987 se llegó a un acuerdo internacional auspiciado por la ONU (Protocolo de Montreal), y en 1995 ya quedó suprimida la fabricación de los gases más dañinos para el ozono, pero el coste no era comparable con el de la lucha contra el cambio climático, ni fue necesaria la participación ciudadana activa. En cambio el IPCC fue creado en 1988, en 1997 se acordó el Protocolo de Kyoto, que entró en vigor en 2005, y todavía no se aprecian las medidas adoptadas.




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