Thomas J. Bracegirdle (1)*, Nicholas E. Barrand (2), Kazuya Kusahara (3), Ilana Wainer (4)
Los modelos climáticos son la principal herramienta para hacer estimaciones cuantitativas de cómo puede cambiar el clima antártico en el siglo XXI. Si bien existe un gran consenso sobre algunos aspectos de las predicciones proporcionadas por los modelos, se necesitan mejoras en el conocimiento de los componentes clave del sistema climático antártico, como los procesos asociados al hielo marino y a las plataformas costeras de hielo oceánico. A corto plazo —en escalas temporales de pocos años—, la señal del cambio climático es pequeña en comparación con los ciclos naturales —asociados con fenómenos como El Niño—, los impactos remotos de los que en la atmósfera de la Antártida son difíciles de predecir. A largo plazo —en escalas temporales multidecadales—, la fiabilidad de las predicciones de los modelos climáticos está limitada por la incertidumbre sobre las vías de las emisiones antropogénicas, el realismo de los modelos climáticos y las retroalimentaciones entre otros elementos del sistema terrestre (por ejemplo, los mantos de hielo).
Los modelos climáticos y su uso en la simulación del clima antártico
La definición del clima antártico en el presente documento incluye las condiciones de la atmósfera, del océano, de la nieve y del hielo a través del continente antártico y del océano Austral circundante. En una ubicación dada, un clima cálido se caracterizará por un cambio contextual a largo plazo (es decir, la señal) combinado con la variabilidad de plazo más corto año tras año (es decir, ruido). La práctica estándar de la Organización Meteorológica Mundial consiste en definir el clima de una región a partir de una media de los parámetros de interés —como la temperatura— correspondiente a un período de treinta años . En escalas temporales más cortas, existen grandes variaciones asociadas con el clima diario y ciclos importantes multianuales como El Niño/La Niña. Por lo tanto, los cambios climáticos deben verse desde una perspectiva multidecadal, que es el enfoque utilizado aquí. Sin embargo, es importante señalar que existen también componentes de variabilidad natural que operan durante varias décadas y pueden, en algunos casos, afectar la eficacia de incluso medias de treinta años para rastrear la señal de referencia del cambio climático [1].
El uso de modelos climáticos en la predicción del cambio climático futuro es el principal enfoque en el presente documento. No obstante, se reconoce que los enfoques alternativos, como el de análogos del pasado [2], pueden proporcionar visiones alternativas del clima antártico futuro. Todos los principales modelos climáticos de vanguardia, que se producen en unos treinta centros de modelización diferentes en todo el mundo, están basados en leyes físicas bien establecidas de la dinámica de fluidos geofísicos, como las leyes del movimiento de Newton. Sin embargo, los límites en la potencia de las computadoras significan que los cálculos del modelo generalmente todavía se hacen a una gran escale para las simulaciones globales, que suponen representar la atmósfera como una serie de cajas, que, en el presente, suelen ubicarse a 100 km de distancia en sentido transversal. Por lo tanto, esto presenta un desafío importante a la hora de modelar, en forma realista, fenómenos a menor escala (por ejemplo, nubes) y características físicas (por ejemplo, terreno montañoso complejo).
Si los gases de efecto invernadero continuaran aumentando en concentración hacia el año 2100, habría grandes probabilidades de que se produzcan varios de los cambios pronosticados. Bajo una suposición de mediana intensidad de la influencia antropogénica (es decir, una duplicación aproximada de las concentraciones de dióxido de carbono por ese aspecto), existe un alto acuerdo entre los diferentes modelos climáticos respecto de lo siguiente:
- Se producirá un aumento de la temperatura media anual en superficie terrestre en toda la Antártida (dos tercios de los modelos climáticos en el rango de 1.8°C a 3.3°C) [3].
- Aumentará la tasa de acumulación de nieve media anual terrestre en toda la Antártida (en 8 % a 18 %) [3].
- Se retirará la cobertura total de hielo marino del hemisferio sur (en 24 % a 42 %) [3].
- Disminuirá la producción de hielo marino costero, junto con un mayor derretimiento del hielo terrestre – ambos han mostrado provocar un debilitamiento de la circulación oceánica global primaria, la circulación thermohalina [4].
- Las masas de agua del océano Austral, como el Agua Intermedia Antártica (AAIW) calentará y refrescará a medida que las densidades a las que la forma de las masas de agua se vuelven significativamente menores. ([5], [6]). El AAIW es importante para el cambio climático porque es dentro de esa masa de agua que se encuentra la mayor concentración de CO2 antropogénico [7].
- Los aumentos en la caída de nieve estarán acompañados por el aumento de las tasas de descarga de hielo [por ejemplo, [8], 9]. Cualquier contribución negativa al nivel del mar derivada del aumento de la caída de nieve puede, por lo tanto, contrarrestarse por el ritmo más veloz del flujo de hielo y el aumento de la descarga del hielo interior hacia el océano.
Desafíos en la estimación del clima futuro
Para explicar las dificultades inherentes a la predicción del comportamiento antropogénico, el enfoque general tomado en la comunidad de las ciencias climáticas consiste en considerar una gama de escenarios hipotéticos verosímiles de emisiones de gases de efecto invernadero antropogénicos, sin un juicio explícito sobre qué podría ser más probable [10]. Por lo tanto, las estimaciones del cambio climático basadas en esos escenarios se denominan “proyecciones” y no “predicciones” [por ejemplo, ver Figura 1].
Los cambios producidos hasta la mitad del siglo XXI no necesariamente siguen la tendencia del calentamiento a largo plazo [11]. Una consecuencia clave para los formuladores de políticas es que las regiones que se han calentado muy rápidamente en las últimas décadas podrían cambiar a un período de enfriamiento en escalas temporales de pocos años, antes de que comience a producirse el calentamiento general. Actualmente, existe un esfuerzo significativo en materia de investigación dirigido a la predicción estacional y decadal en un esfuerzo por salvar la divergencia para las escalas temporales del cambio climático a largo plazo [12].
Figura 1. Simulaciones de modelos climáticos del cambio en la temperatura del aire superficial (temperatura 2 m por encima de la superficie) a fines del siglo XXI (2069-2098) siguiendo un rango de escenarios bajo (RCP2.6), medio (RCP4.5) y alto (RCP8.5) de impulsores climáticos importantes ya conocidos, como los aumentos de los gases de efecto invernadero y la recuperación del ozono estratosférico [10]. Los cambios son todos relativos al período 1970-1999 en simulaciones históricas de modelos climáticos con niveles observados de gases de efecto invernadero y otros factores conocidos naturales y antropogénicos. Se combinó la información de 41 modelos climáticos en función de una metodología detallada en [19]. El conjunto de datos de los modelos climáticos utilizado fue el conjunto de datos del Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados, fase 5 (CMIP5), que se alimentó en el informe más reciente del IPCC. Los 41 modelos climáticos son los siguientes: 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 a la hora de representar el sistema de clima antártico en modelos climáticos
- El océano Austral. Los pequeños ciclones/anticiclones —o remolinos— se producen dentro del océano, del mismo modo en que las tormentas ciclónicas se producen en la atmósfera. Un problema importante para modelar el océano es que esos remolinos son mucho más pequeños en tamaño que sus equivalentes atmosféricos y, por lo tanto, se requieren cajas pequeñas para representarlos matemáticamente de forma adecuada [13]. Actualmente, no existe, en términos generales, suficiente potencia de cálculo disponible para hacer esto de manera realista, y los efectos de estos ciclones oceánicos deben aproximarse.
- Representación de la atmósfera y del hielo en un terreno complejo. La península antártica es una región de particular importancia debido a la sensibilidad del hielo terrestre al derretimiento superficial [14] y los impactos resultantes tanto en el nivel global del mar como en los ecosistemas regionales. Sin embargo, no pueden hacerse estimaciones exactas del complejo terreno de las altas montañas en la mayoría de los modelos climáticos. Para abordar este problema adicional, se están realizando estudios de modelos climáticos que concentran el esfuerzo de cálculo en una ubicación específica, como la península antártica, y que, por lo tanto, permiten usar cuadrículas más pequeñas y representar mejor representación el terreno complejo [15].
- Hielo marino. El hielo marino es uno de los componentes más difíciles de estimar correctamente en los modelos climáticos [16]. Como el hielo marino está en contacto directo con la atmósfera y con el océano, casi todos los problemas anteriores a la hora de modelar el clima antártico inciden en la reproducción de patrones realistas de la extensión y del grosor del hielo marino. La exactitud en la reproducción de la extensión del hielo marino observado es posiblemente la mayor preocupación al hacer juicios sobre la fiabilidad de las proyecciones climáticas futuras de un modelo climático dado.
- Nubes antárticas. Se conoce muy poco sobre la formación de nubes en la relativamente prístina atmósfera antártica [17]. Las nubes constituyen un importante regulador de la temperatura superficial y, por lo tanto, alimentan los desafíos antes mencionados de representar el hielo marino y el océano Austral en los modelos climáticos. Las campañas en terreno para medir las propiedades de las nubes sobre el océano Austral y la Antártida son un componente clave en la investigación en curso con un enfoque particular en el abordaje de sesgos de los modelos climáticos en la representación de temperaturas superficiales del océano Austral.
- Interacción hielo-océano en los frentes glaciares y las cavidades de las plataformas de hielo. La evidencia muestra cada vez más frentes de hielo, bases de lenguas flotantes de hielo y cavidades de subplataformas de hielo como entornos clave que conducen la dinámica del glaciar y la pérdida de masa del manto de hielo (y, por lo tanto, el aumento del nivel del mar). La observación de esos entornos es deficiente y, en la actualidad, se ha limitado o simplificado la representación en los modelos del manto de hielo [4].
Un grupo consultor del SCAR sobre el Cambio Climático en la Antártida y el Medio Ambiente (ACCE) recopiló actualizaciones anuales sobre la ciencia del clima antártico, que se presentaron durante la RCTA. Estas actualizaciones desarrollaron el informe principal ACCE 2009 (http://www.scar.org/accegroup/accegroup-publications) [18]).
2009
Cambio Climático en la Antártida y el Medio Ambiente (ACCE), informe publicado por el SCAR
2013
Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC), Quinto Informe de Evaluación del Grupo de Trabajo 1
2018
Informe del SCAR sobre las proyecciones climáticas del siglo XXI, que será producido por el Programa de investigación científica del cambio climático en la Antártida en el siglo XXI (AntClim21)
2019
Aprobación del Informe especial del IPCC sobre el océano y la criósfera en un clima cambiante (SROCC)
2020
Informe del SCAR sobre las proyecciones climáticas del siglo XXI, que será producido por el Programa de investigación científica del cambio climático en la Antártida en el siglo XXI (AntClim21)
2021
Aprobación del Sexto Informe de Evaluación del IPCC del Grupo de Trabajo 1.