Los modelos climáticos constituyen la principal herramienta para realizar cálculos cuantitativos de cómo puede cambiar el clima antártico durante el siglo XXI. Hay un gran consenso en algunos aspectos de las predicciones que proveen los modelos, pero se necesita una mejor comprensión de componentes clave del sistema climático antártico, tales como los procesos del hielo marino y de la plataforma de hielo oceánico de zonas costeras. En el plazo cercano (en escalas de tiempo de unos pocos años), la señal de cambio climático es pequeña en comparación con los ciclos naturales (relacionados con fenómenos como El Niño), cuyos impactos remotos en la atmósfera antártica son difíciles de predecir. En el largo plazo (en escalas de tiempo de múltiples décadas), la fiabilidad de las predicciones del modelo climático está limitada por la incertidumbre sobre los caminos de las emisiones humanas, el realismo de los modelos climáticos y las reacciones entre otros elementos del Sistema Terrestre (p. ej. capas de hielo).

Modelos climáticos y su uso para simular el clima antártico

El clima de la Antártida se define aquí para incluir las condiciones de la atmósfera, el océano, la nieve y el hielo en todo el continente antártico y en el océano Austral circundante. En una ubicación determinada, un calentamiento climático se caracterizará por una modificación de fondo de largo plazo (es decir, la señal) combinado con una variabilidad de corto plazo de año a año (es decir, ruido). La práctica estándar de la Organización Meteorológica Mundial es definir el clima de una región sobre la base de un promedio de 30 años de parámetros de interés (como la temperatura). En escalas de tiempo más cortas, existen grandes variaciones relacionadas con el clima diario y ciclos importantes de años múltiples como El Niño/La Niña. Por lo tanto, los cambios en el clima deben considerarse desde la perspectiva de múltiples décadas, tal como es el enfoque que utilizamos aquí. Sin embargo, es importante observar que también existen componentes de variabilidad natural que operan durante múltiples décadas y, en algunos casos, pueden afectar la eficacia incluso de medias de 30 años para rastrear la señal de referencia del cambio climático [1].

El uso de modelos climáticos para predecir el cambio climático futuro es el principal enfoque aquí. No obstante, se reconoce que los enfoques alternativos, como el uso de simulaciones anteriores [2], pueden brindar visiones alternativas del futuro clima antártico. Los últimos modelos climáticos importantes, que se producen en aproximadamente 30 centros de modelamiento diferentes en todo el mundo, se basan en leyes físicas bien consolidadas de la dinámica de fluidos geofísicos, tal como las leyes de movimiento de Newton. Sin embargo, los límites en el poder informático significan que los cálculos del modelo por lo general se siguen haciendo a gran escala para las simulaciones globales, que implica representar la atmósfera como una serie de cajas, que típicamente tienen 100 km de ancho actualmente. Por ende, esto presenta un desafío mayor para modelar de forma realista los fenómenos de menor escala (p. ej. nubes) y las características físicas (p. ej. terreno montañoso complejo).

Suponiendo que la concentración de los gases de efecto invernadero continuará aumentando para el año 2100, hay una gran confianza en varios de los cambios pronosticados. Suponiendo una influencia humana de intensidad media (es decir, aproximadamente el doble de las concentraciones de dióxido de carbono para ese momento), hay un gran consenso entre los diferentes modelos climáticos para lo siguiente:

• Se producirá el calentamiento medio anual de la superficie terrestre en toda la Antártida (dos tercios de modelos climáticos en el rango de 1,8 °C a 3,3 °C) [3].
• La tasa media de acumulación de nieve anual terrestre en toda la Antártida aumentará (en 8% a 18%) [3].
• La cobertura media de hielo marino anual total del hemisferio sur retrocederá (en 24% a 42%) [3].
• La producción de hielo marino de las áreas costeras disminuirá, junto con un aumento del derretimiento de hielo terrestre; ambos han demostrado provocar un debilitamiento de la circulación oceánica global primaria, la circulación termohalina [4].
• Las masas de agua del océano Austral, tal como el Agua Intermedia Antártica (AAIW), se calentarán y se refrescarán a medida que las densidades en las cuales se forman las masas de agua se reduzcan considerablemente. ([5], [6]). El AAIW es importante para el cambio climático porque es dentro de esta masa de agua donde se encuentra la mayor concentración de CO₂ antropogénico [7].
• Los aumentos de nevadas estarán acompañados de mayores tasas de descarga de hielo [p. ej. [8],[9]]. Por lo tanto, cualquier aporte negativo al nivel del mar por aumento de nevadas puede ser compensado con tasas más elevadas de flujo de hielo y mayor descarga de hielo terrestre al océano. 

Desafíos para calcular el clima futuro

Para dar cuenta de las dificultades inherentes para predecir el comportamiento humano, el enfoque general adoptado en la comunidad de las ciencias climáticas es considerar un rango de posibles escenarios creíbles para las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero, sin una opinión explícita sobre cuál podría ser más probable [10]. Los cálculos de cambio climático basados en estos escenarios son, por lo tanto, llamados "proyecciones" más que predicciones [p. ej. véase Figura 1].

Los cambios hasta la mitad del siglo XXI no necesariamente seguirán la tendencia de calentamiento de largo plazo [11]. Una consecuencia clave para los organismos a cargo de elaborar normativas es que las regiones que se han estado calentando muy rápidamente en las últimas décadas podrían pasar posiblemente a un período de enfriamiento en unos pocos años, antes de que el calentamiento de fondo tome el control. Actualmente, hay una gran iniciativa de investigación dirigida a la predicción estacional y por décadas, a fin de acortar la distancia a las escalas de cambio climático a más largo plazo [12]. 

Figura 1. Simulaciones de modelos climáticos del cambio en la temperatura del aire de la superficie (temperatura 2 m por encima de la superficie) hacia fines del siglo XXI (2069-2098) siguiendo una gama de escenarios bajo (RCP2.6), medio (RCP4.5) y alto (RCP8.5) de importantes impulsores climáticos conocidos, como los incrementos del gas de efecto invernadero y la recuperación del ozono estratosférico [10]. Todos los cambios son en relación con el período 1970-1999 en simulaciones de modelos climáticos "históricos" con niveles observados de gases de efecto invernadero y otros factores naturales y antropogénicos conocidos. Se combinó la información de 41 modelos climáticos según una metodología que se detalla en [19]. El conjunto de datos del modelo climático utilizado fue el de la Fase 5 del Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados (CMIP5), que proporcionó datos al informe IPCC más reciente. Los 41 modelos climáticos son: ACCESS1.0, ACCESS1.3, BCC-CSM1.1, BCC-CSM1.1(m), BNU-ESM, CanESM2, CCSM4, CESM1(BGC), CESM1(CAM5), CESM1(WACCM), CMCC-CESM, CMCC-CM, CMCC-CMS, CNRM-CM5, CSIRO-MK3.6.0, EC-EARTH, FGOALS-g2, FIO-ESM, GFDL-CM3, GFDL-ESM2G, GFDL-ESM2M, GISS-E2-H, GISS-E2-H-CC, GISS-E2-R, GISS-E2-R-CC, HadGEM2-AO, HadGEM2-CC, HadGEM2-ES, INM-CM4, IPSL-CM5A-LR, IPSL-CM5A-MR, IPSL-CM5B-LR, MIROC-ESM, MIROC-ESM-CHEM, MIROC5, MPI-ESM-LR, MPI-ESM-MR, MRI-CGCM3, MRI-ESM1, NorESM-M, NorESM-ME.

Desafíos clave para representar el sistema climático antártico en modelos climáticos

• El Océano Austral. Al igual que las tormentas ciclónicas en la atmósfera, dentro del océano se producen pequeños ciclones/anticiclones (o remolinos). Un problema importante a la hora de modelar el océano es que estos remolinos son mucho más pequeños que sus equivalentes atmosféricos y, por lo tanto, se necesitan cajas pequeñas para representarlos correctamente de forma matemática [13]. Actualmente, no existe la capacidad informática suficiente, en general, para lograr esto de forma realista y los efectos de estos ciclones oceánicos deben ser aproximados.
• Representación de la atmósfera y de hielo sobre terreno complejo. La península Antártica es una región de especial importancia por la sensibilidad del hielo terrestre al derretimiento de la superficie [14] y los impactos resultantes tanto en el nivel global del mar como en los ecosistemas regionales. No obstante, el terreno complejo de las montañas altas no se puede resolver de forma exacta en la mayoría de los modelos climáticos. Para tratar este tema, se están realizando otros estudios de modelos climáticos que centran el esfuerzo computacional en una ubicación específica, como la península Antártica, y, por lo tanto, permiten el uso de cajas de coordenadas más pequeñas y una mejor representación del terreno complejo [[15]].
• Hielo marino. El hielo marino es uno de los componentes más difíciles de evaluar correctamente en los modelos climáticos [16]. Como el hielo marino está en contacto directo tanto con la atmósfera como con el océano, casi todos los problemas antes mencionados para modelar el clima antártico tienen un impacto en la reproducción de patrones realistas del alcance y el espesor del hielo marino. La exactitud para reproducir el alcance observado del hielo marino posiblemente sea la mayor inquietud expresada al dar opiniones sobre la fiabilidad de las proyecciones del clima futuro a partir de un modelo climático determinado.
• Nubes antárticas. Se conoce poco sobre la formación de las nubes en la atmósfera antártica relativamente prístina [17]. Las nubes constituyen un importante control de la temperatura de la superficie y, por lo tanto, aumentan los desafíos mencionados anteriormente de representar el hielo marino y el océano Austral en modelos climáticos. Las campañas sobre el terreno para medir las propiedades de las nubes sobre el océano Austral y la Antártida son un componente clave de la investigación en curso con un foco particular en tratar los sesgos de los modelos climáticos para representar las temperaturas de la superficie del océano Austral.
• Interacción hielo-océano en los frentes glaciares y cavidades de las plataformas de hielo. Las pruebas muestran cada vez más a los frentes de hielo, las bases de lengua de hielo flotante y las cavidades de las subplataformas de hielo como entornos clave que impulsan la dinámica de la pérdida de masa glaciar y de capas de hielo (y, por ende, el aumento del nivel del mar). Estos entornos no se observan adecuadamente y, actualmente, tienen una representación limitada o simplificada en los modelos de capas de hielo [4].

Un Grupo Asesor del SCAR sobre Cambio Climático y el Medio Ambiente en la Antártida (ACCE) recopila actualizaciones anuales sobre la ciencia del clima antártico, que se presentan a la RCTA. Estas actualizaciones se basan en el informe principal ACCE 2009 (http://www.scar.org/accegroup/accegroup-publications) [18]).