Forzamiento radiativo
Concepto de la ciencia del clima sobre la irradiación solar
Contribuciones al calentamiento de diversos GEI, agentes y factores [nombre del año al que corresponden las contribuciones] [*la referencia correcta se da en la pestaña 'Discusión'*]. Además, la cifra es inexacta; al menos en lo que respecta al metano.
La evaluación del forzamiento radiativo y la sensibilidad climática muestra qué parámetros físicos contribuyen a los cambios de temperatura. [1] : 7  Los parámetros que se muestran con barras naranjas conducen a un aumento de la temperatura (debido a forzamientos radiativos positivos), mientras que los parámetros que se muestran con barras azules conducen a una disminución de la temperatura (debido a un forzamiento radiativo negativo).

El forzamiento radiativo (o forzamiento climático [2] ) es un concepto utilizado en la ciencia del clima para cuantificar el cambio en el balance energético en la atmósfera de la Tierra . Varios factores contribuyen a este cambio en el balance energético, como las concentraciones de gases de efecto invernadero y aerosoles , y los cambios en el albedo de la superficie y la irradiancia solar . En términos más técnicos, se define como "el cambio en el flujo radiativo neto, hacia abajo menos hacia arriba (expresado en W/m 2 ) debido a un cambio en un impulsor externo del cambio climático". [3] : 2245  Estos impulsores externos se distinguen de las retroalimentaciones y la variabilidad que son internas al sistema climático , y que influyen aún más en la dirección y magnitud del desequilibrio . El forzamiento radiativo en la Tierra se evalúa significativamente en la tropopausa y en la parte superior de la estratosfera . Se cuantifica en unidades de vatios por metro cuadrado y, a menudo, se resume como un promedio sobre la superficie total del globo.

Un planeta en equilibrio radiativo con su estrella madre y el resto del espacio puede caracterizarse por un forzamiento radiativo neto cero y por una temperatura de equilibrio planetario . [4]

El forzamiento radiativo no es una cosa en el sentido de que un solo instrumento pueda medirlo de forma independiente. Más bien, es un concepto y una entidad científica cuya intensidad puede estimarse a partir de principios físicos más fundamentales . Los científicos utilizan mediciones de cambios en los parámetros atmosféricos para calcular el forzamiento radiativo. [5] : 1–4 

El IPCC resumió el consenso científico actual sobre los cambios en el forzamiento radiativo de la siguiente manera: "El forzamiento radiativo causado por el hombre de 2,72 W/m2 en 2019 en relación con 1750 ha calentado el sistema climático. Este calentamiento se debe principalmente al aumento de las concentraciones de GEI, parcialmente reducidas por el enfriamiento debido al aumento de las concentraciones de aerosoles". [1] : 11 

La carga atmosférica de gases de efecto invernadero debido a la actividad humana ha crecido especialmente rápido durante las últimas décadas (desde aproximadamente el año 1950). Para el dióxido de carbono , el aumento del 50% ( C/C 0 = 1,5) realizado a partir del año 2020 desde 1750 corresponde a un cambio de forzamiento radiativo acumulado (ΔF) de +2,17 W/m 2 . [6] Suponiendo que no haya cambios en la trayectoria de crecimiento de las emisiones, una duplicación de las concentraciones ( C/C 0 = 2) en las próximas décadas correspondería a un cambio de forzamiento radiativo acumulado (ΔF) de +3,71 W/m 2 .

El forzamiento radiativo puede ser una forma útil de comparar la creciente influencia del calentamiento de los diferentes gases de efecto invernadero antropogénicos a lo largo del tiempo. El forzamiento radiativo de los gases de efecto invernadero de larga duración y bien mezclados ha ido aumentando en la atmósfera de la Tierra desde la revolución industrial. [6] El dióxido de carbono tiene el mayor impacto en el forzamiento total, mientras que el metano y los clorofluorocarbonos (CFC) desempeñan papeles más pequeños a medida que pasa el tiempo. [6] Los cinco principales gases de efecto invernadero representan alrededor del 96% del forzamiento radiativo directo por el aumento de los gases de efecto invernadero de larga duración desde 1750. El 4% restante es aportado por los 15 gases halogenados menores .

Definición y fundamentos

El forzamiento radiativo se define en el Sexto Informe de Evaluación del IPCC de la siguiente manera: "El cambio en el flujo radiativo neto, descendente menos ascendente (expresado en W/m 2 ) debido a un cambio en un factor externo del cambio climático, como un cambio en la concentración de dióxido de carbono (CO 2 ), la concentración de aerosoles volcánicos o la emisión de radiación solar". [3] : 2245 

Existen algunos tipos diferentes de forzamiento radiativo según se define en la literatura: [3] : 2245 

  • Forzamiento radiativo ajustado estratosférico: " cuando todas las propiedades troposféricas se mantienen fijas en sus valores no perturbados, y después de permitir que las temperaturas estratosféricas, si se perturban, se reajusten al equilibrio radiativo-dinámico".
  • Forzamiento radiativo instantáneo: "si no se tiene en cuenta ningún cambio en la temperatura estratosférica".
  • Forzamiento radiativo efectivo : "una vez que se tienen en cuenta los ajustes estratosféricos y troposféricos".

El balance de radiación de la Tierra (es decir, el equilibrio entre la energía absorbida y radiada) determina la temperatura media global . Este equilibrio también se denomina balance energético de la Tierra . Los cambios en este equilibrio se producen debido a factores como la intensidad de la energía solar , la reflectividad de las nubes o los gases, la absorción por diversos gases de efecto invernadero o superficies y la emisión de calor por diversos materiales. Cualquier alteración de este tipo es un forzamiento radiativo , que junto con sus retroalimentaciones climáticas , en última instancia cambia el equilibrio. Esto sucede continuamente a medida que la luz solar llega a la superficie de la Tierra, se forman nubes y aerosoles, las concentraciones de gases atmosféricos varían y las estaciones alteran la cubierta vegetal .

El forzamiento radiativo positivo significa que la Tierra recibe más energía de la luz solar que la que irradia al espacio. Esta ganancia neta de energía provocará el calentamiento global . Por el contrario, el forzamiento radiativo negativo significa que la Tierra pierde más energía al espacio de la que recibe del Sol, lo que produce enfriamiento ( oscurecimiento global ).

El concepto de forzamiento radiativo ha ido evolucionando desde la propuesta inicial, denominada actualmente forzamiento radiativo instantáneo (FRI), hasta otras propuestas que pretenden relacionar mejor el desequilibrio radiativo con el calentamiento global (temperatura media global en superficie). Por ejemplo, en 2003 se explicó cómo se pueden utilizar los forzamientos de la troposfera y la estratosfera ajustados en los modelos de circulación general . [7]

El forzamiento radiativo ajustado, en sus diferentes metodologías de cálculo, estima el desequilibrio una vez que las temperaturas de la estratosfera han sido modificadas para alcanzar un equilibrio radiativo en la estratosfera (en el sentido de tasas de calentamiento radiativo cero). Esta nueva metodología no estima ningún ajuste o retroalimentación que pueda producirse en la troposfera (además de los ajustes de temperatura estratosférica), para ese objetivo se ha introducido otra definición, llamada forzamiento radiativo efectivo . [8] En general, el ERF es la recomendación del análisis de forzamiento radiativo CMIP6 [9], aunque las metodologías ajustadas a la estratosfera aún se están aplicando en aquellos casos en los que los ajustes y las retroalimentaciones en la troposfera se consideran no críticos, como en los gases de efecto invernadero y el ozono bien mezclados. [10] [11] Una metodología llamada enfoque de núcleo radiativo permite estimar las retroalimentaciones climáticas dentro de un cálculo fuera de línea basado en una aproximación lineal [12]

Usos

Una evaluación de los forzamientos radiativos efectivos en 2022 utilizando como año de referencia 1750. [13]

Atribución del cambio climático

El forzamiento radiativo se utiliza para cuantificar la intensidad de los distintos factores naturales y artificiales que provocan el desequilibrio energético de la Tierra a lo largo del tiempo. Los mecanismos físicos detallados por los que estos factores provocan el calentamiento o el enfriamiento del planeta son variados. El forzamiento radiativo permite comparar la contribución de cualquier factor con otros.

Otra métrica, llamada forzamiento radiativo efectivo o ERF, elimina el efecto de los ajustes rápidos (los llamados "retroalimentaciones rápidas") dentro de la atmósfera que no están relacionados con las respuestas de la temperatura de la superficie a largo plazo. El ERF significa que los factores que impulsan el cambio climático pueden ser colocados en un campo de juego más parejo para permitir la comparación de sus efectos y una visión más consistente de cómo la temperatura de la superficie global responde a varios tipos de forzamiento humano. [14]

Sensibilidad climática

El forzamiento radiativo y las retroalimentaciones climáticas se pueden utilizar juntos para estimar un cambio posterior en la temperatura de la superficie en estado estacionario (a menudo denominado "equilibrio") (Δ T s ) a través de la ecuación:

Δ yo s =   la ~   Δ F {\displaystyle \Delta T_{s}=~{\tilde {\lambda }}~\Delta F}

donde se denota comúnmente el parámetro de sensibilidad climática , usualmente con unidades K/(W/m 2 ), y Δ F es el forzamiento radiativo en W/m 2 . [15] Se obtiene una estimación para a partir de la inversa del parámetro de retroalimentación climática que tiene unidades (W/m 2 )/K. Un valor estimado de da un aumento en la temperatura global de aproximadamente 1,6 K por encima de la temperatura de referencia de 1750 debido al aumento de CO 2 durante ese tiempo (278 a 405 ppm, para un forzamiento de 2,0 W/m 2 ), y predice un calentamiento adicional de 1,4 K por encima de las temperaturas actuales si la relación de mezcla de CO 2 en la atmósfera se duplicara su valor preindustrial. Ambos cálculos no suponen otros forzamientos. [16] la ~ {\displaystyle {\tilde {\lambda }}} la ~ {\displaystyle {\tilde {\lambda }}} la {\estilo de visualización \lambda} la ~ ≈ 0,8 {\displaystyle {\tilde {\lambda }}\aproximadamente 0,8}

Históricamente, el forzamiento radiativo muestra la mejor capacidad predictiva para tipos específicos de forzamiento, como los gases de efecto invernadero. Es menos eficaz para otras influencias antropogénicas, como el hollín . [14]

Cálculos y mediciones

Observación atmosférica

El balance de radiación global de la Tierra fluctúa a medida que el planeta rota y orbita alrededor del Sol, y a medida que surgen y se disipan anomalías térmicas a escala global dentro de los sistemas terrestres, oceánicos y atmosféricos (por ejemplo, ENSO ). [17] En consecuencia, el "forzamiento radiativo instantáneo" (FRI) del planeta también es dinámico y fluctúa naturalmente entre estados de calentamiento y enfriamiento generales. La combinación de procesos periódicos y complejos que dan lugar a estas variaciones naturales normalmente se revertirá en períodos que duran hasta unos pocos años para producir un FRI promedio neto cero. Estas fluctuaciones también ocultan las tendencias de forzamiento a más largo plazo (decenios) debidas a las actividades humanas y, por lo tanto, dificultan la observación directa de dichas tendencias. [18]

Misiones operativas de la División de Ciencias de la Tierra de la NASA [19]

El balance de radiación de la Tierra ha sido monitoreado continuamente por los instrumentos del Sistema de Energía Radiante de la Tierra y las Nubes (CERES) de la NASA desde el año 1998. [20] [21] Cada escaneo del globo proporciona una estimación del balance de radiación instantánea total (de todo el cielo). Este registro de datos captura tanto las fluctuaciones naturales como las influencias humanas en la radiación de fondo, incluidos los cambios en los gases de efecto invernadero, los aerosoles, la superficie terrestre, etc. El registro también incluye las respuestas radiativas retardadas a los desequilibrios radiativos, que ocurren principalmente a través de las retroalimentaciones del sistema terrestre en la temperatura, el albedo de la superficie, el vapor de agua atmosférico y las nubes. [22] [23]

Los investigadores han utilizado mediciones de CERES, AIRS , CloudSat y otros instrumentos basados ​​en satélites dentro del Sistema de Observación de la Tierra de la NASA para analizar las contribuciones de las fluctuaciones naturales y las retroalimentaciones del sistema. La eliminación de estas contribuciones dentro del registro de datos de varios años permite la observación de la tendencia antropogénica en el forzamiento radiativo de la parte superior de la atmósfera (TOA). El análisis de datos también se ha realizado de una manera que es computacionalmente eficiente e independiente de la mayoría de los métodos y resultados de modelado relacionados . Por lo tanto, se observó directamente que el forzamiento radiativo aumentó en +0,53 W m −2  (±0,11 W m −2 ) entre los años 2003 y 2018. Aproximadamente el 20% del aumento se asoció con una reducción en la carga de aerosoles atmosféricos, y la mayor parte del 80% restante se atribuyó a la creciente carga de gases de efecto invernadero. [18] [24] [25]

Anteriormente, los instrumentos terrestres habían observado una tendencia creciente en el desequilibrio radiativo debido al aumento del CO2 global . Por ejemplo, dichas mediciones se habían realizado por separado en condiciones de cielo despejado en dos sitios de medición de la radiación atmosférica (ARM) en Oklahoma y Alaska. [26] Cada observación directa encontró que el calentamiento radiativo (infrarrojo) asociado experimentado por los habitantes de la superficie aumentó en +0,2 W m −2  (±0,07 W m −2 ) durante la década que terminó en 2010. [27] [28] Además de centrarse únicamente en la radiación de onda larga y en el gas forzante más influyente (CO2 ) , este resultado es proporcionalmente menor que el forzante TOA debido a su amortiguación por la absorción atmosférica.

Estimaciones básicas

El forzamiento radiativo puede evaluarse en función de su dependencia de diferentes factores externos al sistema climático. [29] Las estimaciones básicas resumidas en las secciones siguientes se han derivado (recopilado) de acuerdo con los primeros principios de la física de la materia y la energía. Los forzamientos (ΔF) se expresan como cambios en la superficie total del planeta y durante un intervalo de tiempo especificado. Las estimaciones pueden ser significativas en el contexto del forzamiento climático global para períodos que abarcan décadas o más. [5] Las estimaciones de forzamiento de gas presentadas en el informe AR6 del IPCC se han ajustado para incluir las llamadas retroalimentaciones "rápidas" (positivas o negativas) que ocurren a través de respuestas atmosféricas (es decir, forzamiento radiativo efectivo ).

Forzamiento debido a cambios en los gases atmosféricos

En el caso de un gas de efecto invernadero bien mezclado, se pueden utilizar códigos de transferencia radiativa que examinan cada línea espectral en busca de condiciones atmosféricas para calcular el forzamiento ΔF en función de un cambio en su concentración. Estos cálculos se pueden simplificar en una formulación algebraica específica para ese gas.

Dióxido de carbono

Forzamiento radiativo para duplicar el CO 2 , calculado mediante el código de transferencia radiativa Modtran. Las líneas rojas son curvas de Planck .

Una expresión de aproximación de primer orden simplificada para el dióxido de carbono (CO 2 ) es: [30]

Δ F = 5.35 × En ⁡ ( do 0 + Δ do ) do 0     ( Yo   metro − 2 ) {\displaystyle \Delta F=5,35\times \ln {(C_{0}+\Delta C) \sobre C_{0}}~~(\mathrm {W} ~\mathrm {m} ^{-2})\,} ,

donde C 0 es una concentración de referencia en partes por millón (ppm) por volumen y ΔC es el cambio de concentración en ppm. Para el propósito de algunos estudios (por ejemplo, sensibilidad climática), C 0 se toma como la concentración antes de cambios antropogénicos sustanciales y tiene un valor de 278 ppm según lo estimado para el año 1750.

Forzamiento de CO 2 (cambios estimados en 10 años) [6]
Concentración basal, C 0Cambio de concentración, ΔCCambio del forzamiento radiativo, ΔF (W m −2 )
1979-1989336,8+16.0+0,248
1989-1999352,8+15.0+0,222
1999-2009367,8+18,7+0,266
2009-2019386,5+23,6+0,316

La carga atmosférica de gases de efecto invernadero debida a la actividad humana ha crecido especialmente rápido durante las últimas décadas (desde aproximadamente el año 1950). En el caso del dióxido de carbono, el aumento del 50% ( C/C 0 = 1,5) registrado a partir del año 2020 desde 1750 corresponde a un cambio de forzamiento radiativo acumulado (delta F) de +2,17 W/m 2 . [6] Suponiendo que no haya cambios en la trayectoria de crecimiento de las emisiones, una duplicación de las concentraciones ( C/C 0 = 2) en las próximas décadas correspondería a un cambio de forzamiento radiativo acumulado (delta F) de +3,71 W/m 2 .

La relación entre el CO 2 y el forzamiento radiativo es logarítmica en concentraciones de hasta aproximadamente ocho veces el valor actual. [31] Por lo tanto, los aumentos de concentración constantes tienen un efecto de calentamiento progresivamente menor. Sin embargo, la aproximación de primer orden es inexacta en concentraciones más altas y no hay saturación en la absorción de radiación infrarroja por el CO 2 . [32] Se han propuesto varios mecanismos detrás de la escala logarítmica, pero la distribución del espectro del dióxido de carbono parece ser esencial, [33] particularmente un ensanchamiento en la banda relevante de 15 μm que proviene de una resonancia de Fermi presente en la molécula. [34] [35] [36]

Otros gases traza

Se aplican fórmulas algo diferentes para otros gases de efecto invernadero traza, como el metano y el N
2O (dependencia de raíz cuadrada) o CFC (lineal), con coeficientes que pueden encontrarse, por ejemplo, en losinformes del IPCC . [37] Un estudio del año 2016 sugiere una revisión significativa de la fórmula del IPCC para el metano. [38] Los forzamientos de los gases traza más influyentes en la atmósfera de la Tierra se incluyen en la sección que describe las tendencias de crecimiento recientes y en la lista del IPCC de gases de efecto invernadero .

Vapor de agua

El vapor de agua es el principal gas de efecto invernadero de la Tierra, responsable actualmente de aproximadamente la mitad de todo el forzamiento de gases atmosféricos. Su concentración atmosférica total depende casi por completo de la temperatura media planetaria y tiene el potencial de aumentar hasta un 7% con cada grado (°C) de aumento de temperatura (véase también: relación de Clausius-Clapeyron ). [39] Por lo tanto, en escalas de tiempo largas, el vapor de agua se comporta como una retroalimentación del sistema que amplifica el forzamiento radiativo impulsado por el crecimiento del dióxido de carbono y otros gases traza. [40] [41]

Forzamiento debido a cambios en la irradiancia solar

Variaciones en la irradiancia solar total (ITS)

La intensidad de la irradiancia solar , incluidas todas las longitudes de onda, es la irradiancia solar total (TSI) y, en promedio, es la constante solar . Es igual a aproximadamente 1361 W m −2 a la distancia del radio orbital medio anual de la Tierra de una unidad astronómica y medida en la parte superior de la atmósfera. [42] La TSI de la Tierra varía tanto con la actividad solar como con la dinámica orbital planetaria. Múltiples instrumentos basados ​​en satélites, incluidos ERB , ACRIM 1-3 , VIRGO y TIM [43] [44], han medido continuamente la TSI con una precisión y exactitud cada vez mayores desde 1978. [45]

Si consideramos la Tierra como una esfera , el área de la sección transversal expuesta al Sol ( ) es igual a una cuarta parte del área de la superficie del planeta ( ). Por lo tanto, la cantidad promedio global y anual de irradiancia solar por metro cuadrado de la superficie atmosférica de la Tierra ( ) es igual a una cuarta parte de la TSI y tiene un valor casi constante de . π a 2 {\textstyle \pi r^{2}} 4 π a 2 {\textstyle 4\pi r^{2}} I 0 {\textstyle I_{0}} I 0 = 340     Yo   metro − 2 {\textstyle I_{0}=340~~\mathrm {W} ~\mathrm {m} ^{-2}}

La Tierra sigue una órbita elíptica alrededor del Sol, de modo que la TSI recibida en cualquier instante fluctúa entre aproximadamente 1321 W m −2 (en el afelio a principios de julio) y 1412 W m −2 (en el perihelio a principios de enero), y por lo tanto en aproximadamente ±3,4% a lo largo de cada año. [46] Este cambio en la irradiancia tiene influencias menores en los patrones climáticos estacionales de la Tierra y sus zonas climáticas , que resultan principalmente del ciclo anual en la dirección de inclinación relativa de la Tierra. [47] Estos ciclos repetitivos contribuyen a un forzamiento neto cero (por definición) en el contexto de cambios climáticos que duran décadas.

Actividad de manchas solares

Gráfico de líneas que muestra el recuento histórico de manchas solares, los mínimos de Maunder y Dalton y el máximo moderno
400 años de historia de las manchas solares, incluido el Mínimo de Maunder

La TSI anual promedio varía entre aproximadamente 1360 W m −2 y 1362 W m −2 (±0,05 %) a lo largo de un ciclo típico de actividad de manchas solares de 11 años . [48] Las observaciones de manchas solares se han registrado desde aproximadamente el año 1600 y muestran evidencia de oscilaciones más prolongadas (ciclo de Gleissberg, ciclo de Devries/Seuss, etc.) que modulan el ciclo de 11 años (ciclo de Schwabe). A pesar de un comportamiento tan complejo, la amplitud del ciclo de 11 años ha sido la variación más destacada a lo largo de este registro de observaciones a largo plazo. [49]

Las variaciones del TSI asociadas con las manchas solares contribuyen a un forzamiento neto pequeño pero no nulo en el contexto de los cambios climáticos decenales. [45] Algunas investigaciones sugieren que pueden haber influido parcialmente en los cambios climáticos durante la Pequeña Edad de Hielo , junto con cambios concurrentes en la actividad volcánica y la deforestación. [50] Desde finales del siglo XX, el TSI promedio ha tendido a ser ligeramente inferior junto con una tendencia a la baja en la actividad de las manchas solares . [51]

Cambios en Milankovitch

El forzamiento climático causado por variaciones en la irradiancia solar ha ocurrido durante los ciclos de Milankovitch, que abarcan períodos de aproximadamente 40.000 a 100.000 años. Los ciclos de Milankovitch consisten en ciclos de larga duración en la excentricidad orbital de la Tierra (o elipticidad ), ciclos en su oblicuidad orbital (o inclinación axial ) y precesión de su dirección de inclinación relativa. [52] Entre estos, el ciclo de 100.000 años en excentricidad hace que el TSI fluctúe alrededor de ±0,2%. [53] Actualmente, la excentricidad de la Tierra se está acercando a su nivel menos elíptico (más circular), lo que hace que el TSI anual promedio disminuya muy lentamente. [52] Las simulaciones también indican que la dinámica orbital de la Tierra permanecerá estable, incluidas estas variaciones, durante al menos los próximos 10 millones de años. [54]

Envejecimiento solar

El Sol ha consumido aproximadamente la mitad de su combustible de hidrógeno desde que se formó hace aproximadamente 4.500 millones de años. [55] La TSI seguirá aumentando lentamente durante el proceso de envejecimiento a un ritmo de aproximadamente el 1% cada 100 millones de años. Esta tasa de cambio es demasiado pequeña para ser detectable en las mediciones y es insignificante en escalas de tiempo humanas.

Resumen del forzamiento de la irradiación solar total (TSI)

Forzamiento TSI (cambio estimado en 10 años)
Δτ​Cambio del forzamiento radiativo Δ F (W m −2 )
Ciclo anual±0,034 [46]0 (neto)
Actividad de manchas solares±5 × 10−4 [48]±0,1 [51] [56]
Desplazamiento orbital−4 × 10 −7 [53]−1 × 10 −4
Envejecimiento solar+1 × 10−9 [55]+2 × 10-7

Las variaciones fraccionarias máximas (Δτ) de la irradiancia solar de la Tierra durante la última década se resumen en la tabla adjunta. Cada variación analizada anteriormente contribuye a un forzamiento de:

Δ F =   I 0 × ( 1 − R ) × Δ τ     =   238 × Δ τ     ( Yo   metro − 2 ) {\displaystyle \Delta F=~I_{0}\times (1-R)\times \Delta \tau ~~=~238\times \Delta \tau ~~(\mathrm {W} ~\mathrm {m} ^{-2})\,} ,

donde R=0,30 es la reflectividad de la Tierra. Se espera que los forzamientos radiativos y climáticos que surgen de los cambios en la insolación del Sol sigan siendo menores, a pesar de algunos aspectos de la física solar aún no descubiertos . [51] [57]

Forzamiento debido a cambios en el albedo y aerosoles

Variaciones del albedo de la Tierra

Una fracción de la radiación solar incidente se refleja en las nubes y aerosoles, océanos y accidentes geográficos, nieve y hielo, vegetación y otras características naturales y artificiales de la superficie. La fracción reflejada se conoce como albedo de enlace de la Tierra (R), se evalúa en la parte superior de la atmósfera y tiene un valor global anual promedio de aproximadamente 0,30 (30%). La fracción total de energía solar absorbida por la Tierra es entonces (1−R) o 0,70 (70%). [58]

Los componentes atmosféricos contribuyen con aproximadamente tres cuartas partes del albedo de la Tierra, y las nubes por sí solas son responsables de la mitad. Los papeles principales de las nubes y el vapor de agua están relacionados con la presencia mayoritaria de agua líquida que cubre la corteza del planeta . Los patrones globales en la formación y circulación de las nubes son altamente complejos, con acoplamientos a los flujos de calor oceánicos y con corrientes en chorro que ayudan a su rápido transporte. Además, se ha observado que los albedos de los hemisferios norte y sur de la Tierra son esencialmente iguales (con una diferencia de 0,2%). Esto es digno de mención ya que más de dos tercios de la tierra y el 85% de la población humana se encuentran en el norte. [59]

Varios instrumentos basados ​​en satélites, incluidos MODIS , VIIRs y CERES , han monitoreado continuamente el albedo de la Tierra desde 1998. [60] Las imágenes Landsat , disponibles desde 1972, también se han utilizado en algunos estudios. [61] La precisión de las mediciones ha mejorado y los resultados han convergido en los últimos años, lo que permite una evaluación más confiable de la reciente influencia del forzamiento decenal del albedo planetario. [59] Sin embargo, el registro de datos existente aún es demasiado corto para respaldar predicciones a largo plazo o para abordar otras preguntas relacionadas.

Las variaciones estacionales del albedo planetario pueden entenderse como un conjunto de retroalimentaciones del sistema que ocurren en gran medida en respuesta al ciclo anual de la dirección de inclinación relativa de la Tierra. Junto con las respuestas atmosféricas, los cambios en la vegetación, la nieve y la cobertura de hielo marino que resultan más evidentes para los habitantes de la superficie son los cambios en la cobertura de vegetación, nieve y hielo marino. Se han observado variaciones intraanuales de aproximadamente ±0,02 (±7 %) alrededor del albedo medio de la Tierra a lo largo de un año, con máximos que ocurren dos veces al año cerca del momento de cada equinoccio solar. [59] Este ciclo repetitivo contribuye al forzamiento neto cero en el contexto de cambios climáticos que duran décadas.

Variabilidad interanual

Anomalía del albedo global medida por CERES (2000-2011).

Los albedos regionales cambian de un año a otro debido a los cambios que surgen de los procesos naturales, las acciones humanas y las retroalimentaciones del sistema. Por ejemplo, las acciones humanas de deforestación suelen aumentar la reflectividad de la Tierra, mientras que la introducción de almacenamiento de agua y riego en tierras áridas puede reducirla. Asimismo, si se consideran las retroalimentaciones, la pérdida de hielo en las regiones árticas disminuye el albedo, mientras que la expansión de la desertificación en latitudes bajas y medias lo aumenta.

Durante los años 2000-2012, no se pudo discernir ninguna tendencia general en el albedo de la Tierra dentro de la desviación estándar del 0,1% de los valores medidos por CERES. [59] Junto con la equivalencia hemisférica, algunos investigadores interpretan las diferencias interanuales notablemente pequeñas como evidencia de que el albedo planetario puede estar limitado actualmente por la acción de retroalimentaciones de sistemas complejos. Sin embargo, la evidencia histórica también sugiere que eventos poco frecuentes, como erupciones volcánicas importantes , pueden perturbar significativamente el albedo planetario durante varios años o más. [62]

Resumen del forzamiento del albedo

Forzamiento de albedo (cambio estimado en 10 años)
Variaciones fraccionarias (Δ α ) en el albedo de la TierraCambio del forzamiento radiativo Δ F (W m −2 )
Ciclo anual± 0,07 [59]0 (neto)
Variación interanual± 0,001 [59]∓ 0,1

Las variaciones fraccionarias medidas (Δ α ) en el albedo de la Tierra durante la primera década del siglo XXI se resumen en la tabla adjunta. De manera similar a la TSI, el forzamiento radiativo debido a un cambio fraccionario en el albedo planetario (Δ α ) es:

Δ F =   − I 0 × R × Δ alfa     =   − 102 × Δ alfa     ( Yo   metro − 2 ) {\displaystyle \Delta F=~-I_{0}\times R\times \Delta \alpha ~~=~-102\times \Delta \alpha ~~(\mathrm {W} ~\mathrm {m} ^{ -2})\,} .

Las observaciones satelitales muestran que varias retroalimentaciones del sistema Tierra han estabilizado el albedo planetario a pesar de los recientes cambios naturales y provocados por el hombre. [60] En escalas de tiempo más largas, es más incierto si el forzamiento neto que resulta de tales cambios externos seguirá siendo menor.

El IPCC resumió el consenso científico actual sobre los cambios en el forzamiento radiativo de la siguiente manera: "El forzamiento radiativo causado por el hombre de 2,72 [1,96 a 3,48] W/m2 en 2019 en relación con 1750 ha calentado el sistema climático. Este calentamiento se debe principalmente al aumento de las concentraciones de GEI, parcialmente reducidas por el enfriamiento debido al aumento de las concentraciones de aerosoles". [1] : 11 

El forzamiento radiativo puede ser una forma útil de comparar la creciente influencia del calentamiento de diferentes gases de efecto invernadero antropogénicos a lo largo del tiempo.

El forzamiento radiativo de los gases de efecto invernadero de larga duración y bien mezclados ha ido aumentando en la atmósfera terrestre desde la revolución industrial. [6] La tabla incluye las contribuciones directas del forzamiento del dióxido de carbono (CO 2 ), el metano ( CH
4), óxido nitroso ( N
2O ); clorofluorocarbonos (CFC) 12 y 11 ; [ verificación fallida ] y otros quince gases halogenados . [65] Estos datos no incluyen las contribuciones significativas de forzamiento de gases o aerosoles de vida más corta y menos bien mezclados; incluidos los forzamientos indirectos de la descomposición del metano y algunos halógenos. Tampoco tienen en cuenta los cambios en el uso de la tierra o la actividad solar.

Haga clic a la derecha para mostrar/ocultar la tabla


Forzamiento radiativo global (en relación con 1750, en ), relación de mezcla equivalente de CO 2 e índice anual de gases de efecto invernadero (AGGI) desde 1979 [6]   Yo   metro − 2 {\displaystyle ~\mathrm {W} ~\mathrm {m} ^{-2}}
AñoCO2​es
4		norte
2Oh		CFCHCFCHFCTotalppm de CO2 equivalente
AGGI
1990 = 1
% de variación del AGGI
19791.0250,5000,0880,1750,0080,0011.7983880,787
19801.0580,5090,0880,1850,0090,0011.8503920.8102.3
19811.0760,5170,0910,1950,0100,0011.8903950,8271.8
19821.0880,5250,0950,2050,0110,0011.9243970,8421.5
19831.1140,5280,0970,2150,0120,0011.9674000,8611.9
19841.1380,5320,1000,2250,0130,0022.0094030,8791.8
19851.1610,5380,1010,2360,0140,0022.0514070,8981.8
19861.1820,5440,1050,2470,0150,0022.0954100,9171.9
19871.2080,5500,1040,2600,0160,0022.1404130,9372.0
19881.2470,5550,1060,2750,0170,0022.2014180,9632.7
19891.2710,5600,1100,2870,0180,0032.2484220,9842.0
19901.2900,5640,1120,2960,0200,0032.2854251.0001.6
19911.3100,5690,1140,3040,0210,0032.3214281.0161.6
19921.3210,5740,1160,3110,0220,0032.3484301.0271.2
19931.3320,5740,1170,3140,0240,0042.3644311.0340,7
19941.3540,5770,1190,3150,0250,0042.3944341.0481.3
19951.3810,5800,1190,3170,0270,0052.4284361.0631.5
19961.4080,5810,1220,3170,0280,0052.4614391.0771.5
19971.4240,5820,1250,3170,0300,0062.4844411.0871.0
19981.4620,5870,1270,3170,0310,0072.5314451.1082.1
19991.4930,5900,1290,3170,0330,0082.5704481.1251.7
20001.5110,5910,1330,3160,0350,0082.5934501.1351.0
20011.5330,5900,1350,3150,0360,0102.6194521.1461.1
20021.5620,5900,1370,3140,0380,0112.6524551.1611.5
20031.5990,5920,1390,3120,0390,0122.6944591.1791.8
20041.6250,5920,1410,3110.0400,0132.7234611.1921.3
20051.6540,5910,1430,3090,0420,0152.7534641.2051.3
20061.6840,5910,1460,3080,0430,0162.7894671.2201.5
20071.7090,5940,1480,3060,0450,0182.8204691.2341.4
20081.7390,5970,1510,3040,0480,0192.8574731.2501.6
20091.7590,5990,1530,3020,0490,0212.8844751.2621.2
20101.7910,6020,1560,2990,0510,0232.9214781.2781.6
20111.8160,6040,1590,2970,0530,0242.9544811.2931.4
20121.8450,6060,1610,2950,0540,0262.9874841.3071.5
20131.8820,6080,1640,2930,0560,0283.0314881.3261.9
20141.9080,6120,1680,2910,0570,0303.0664921.3421.5
20151.9390,6170,1710,2890,0580,0323.1074951.3591.8
20161.9860,6210,1730,2880,0590,0343.1615001.3832.4
20172.0140,6240,1750,2860,0600,0373.1955041.3981.5
20182.0460,6270,1790,2840,0600,0393.2355071.4161.7
20192.0790,6310,1820,2820,0610,0413.2755111.4331.7
20202.1100,6360,1850,2790,0610,0443.3165151.4511.8
20212.1400,6430,1890,2760,0610,0463.3565191.4691.8
20222.1700.6500,1930,2740,0610,0493.3985231.4871.8

Estos datos muestran que el CO 2 domina el forzamiento total, y que el metano y los clorofluorocarbonos (CFC) se convierten en contribuyentes relativamente menores al forzamiento total con el tiempo. [6] Los cinco principales gases de efecto invernadero representan aproximadamente el 96% del forzamiento radiativo directo por los aumentos de gases de efecto invernadero de larga duración desde 1750. El 4% restante es aportado por los 15 gases halogenados menores .

Se puede observar que el forzamiento total para el año 2016, 3,027 W m −2 , junto con el valor comúnmente aceptado del parámetro de sensibilidad climática λ, 0,8 K /(W m −2 ), da como resultado un aumento de la temperatura global de 2,4 K, mucho mayor que el aumento observado, alrededor de 1,2 K. [66] [ verificación fallida ] Parte de esta diferencia se debe al desfase en la temperatura global que alcanza el estado estable con el forzamiento. El resto de la diferencia se debe al forzamiento negativo de los aerosoles (compárense los efectos climáticos de las partículas ), a que la sensibilidad climática es menor que el valor comúnmente aceptado, o a alguna combinación de ambos. [67]

La tabla también incluye un "Índice Anual de Gases de Efecto Invernadero" (AGGI), que se define como la relación entre el forzamiento radiativo directo total debido a los gases de efecto invernadero de larga duración para cualquier año para el que existan mediciones globales adecuadas y el que estaba presente en 1990. [6] Se eligió 1990 porque es el año de referencia para el Protocolo de Kyoto . Este índice es una medida de los cambios interanuales en las condiciones que afectan la emisión y absorción de dióxido de carbono , las fuentes y sumideros de metano y óxido nitroso, la disminución en la abundancia atmosférica de sustancias químicas que agotan la capa de ozono relacionadas con el Protocolo de Montreal . y el aumento de sus sustitutos (CFC hidrogenados (HCFC) e hidrofluorocarbonos (HFC). La mayor parte de este aumento está relacionado con el CO 2 . Para 2013, el AGGI fue 1,34 (lo que representa un aumento en el forzamiento radiativo directo total del 34% desde 1990). El aumento solo del forzamiento de CO 2 desde 1990 fue de alrededor del 46%. La disminución de los CFC moderó considerablemente el aumento del forzamiento radiativo neto.

Una tabla alternativa preparada para su uso en intercomparaciones de modelos climáticos realizadas bajo los auspicios del IPCC y que incluye todos los forzamientos, no sólo los de los gases de efecto invernadero. [68]

Véase también

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