ACERCA DE LAS TENDENCIAS DE TEMPERATURA EN LA CAPA DE MEZCLA OCEÁNICA Y EL CAMBIO CLIMÁTICO

Transcripción

1 Abstract ACERCA DE LAS TENDENCIAS DE TEMPERATURA EN LA CAPA DE MEZCLA OCEÁNICA Y EL CAMBIO CLIMÁTICO Vicente Barros & Elizabeth Castañeda (eliza@felipe.at.fcen.uba.ar) Departamento de Ciencias de la Atmósfera Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Ciudad Universitaria Pabellón II. Piso 2. C.P Buenos Aires. Argentina Within the mixed layer of the ocean, temperature is almost constant with depth, so it mean value can be approximated by the sea surface temperature. This temperature, weighted by the maximum annual depth of the mixed layer, was integrated for both hemispheres and globally. A global positive trend of this weighted temperature during was detected, due to a Southern Hemisphere warming of about 0.07 C/10 years, while the Northern Hemisphere did not show any trend. In terms of the heat stored, the weighted temperature trend during is equivalent to an atmospheric warming of 4 C, indicating that the mixed layer weighted temperature evidences, more than the atmospheric temperature, an energy flow unbalance during the last decades. 1. Introducción La parte superior del océano afectada por los vientos mantiene sus propiedades verticales homogéneas debido a la mezcla, conformando la capa de mezcla, donde en particular la temperatura cambia poco o nada con la profundidad. Más debajo de la capa de mezcla, excepto en las regiones de convección profunda de latitudes altas, aparece una zona de fuerte disminución de la temperatura con la profundidad, la termoclina, que desacopla térmicamente el océano profundo de la capa superior a escalas de tiempo anual y posiblemente decádica. La temperatura de superficie de mar (SST) es representativa de la temperatura de la capa de mezcla y en gran medida condiciona el cambio de energía entre el océano y la atmósfera. A causa de la gran diferencia en la capacidad calorífica entre el aire y el agua, la temperatura de superficie del aire sobre los océanos tiende a ajustarse a la SST, no habiendo grandes diferencias con ella ni, en consecuencia, con la temperatura de la capa de mezcla. La profundidad de capa de mezcla (MLD) tiene un ciclo estacional forzado por el viento y el ciclo radiativo estacional. En latitudes medias y altas, la variación estacional de esta profundidad es más pronunciada. Por lo tanto, la parte del océano que interactúa térmicamente con la atmósfera varía geográficamente y a lo largo del año. Cada año, la capa de mezcla alcanza una profundidad máxima y es esta capa la que interactúa térmicamente con la atmósfera en la escala anual de tiempo. Namias y Born (1970,1974) consideraron que las anomalías de temperatura que se forman en superficie y se extienden en toda la capa de mezcla durante el invierno pueden permanecer casi intactas por debajo de la termoclina estacional durante el verano siguiente, reapareciendo en superficie cuando la capa de mezcla nuevamente se profundice en el siguiente otoño o invierno. Alexander y Deser (1995) analizaron datos y simulaciones en el Hemisferio Norte que confirman la hipótesis de Namias y Born. Estos resultados indican que la temperatura de la máxima profundidad de capa de mezcla (MMLD) que se observa generalmente al final del tiempo invernal en latitudes medias y altas presenta una continuidad en la escala interanual y parece ser un parámetro representativo de las tendencias térmicas globales en escalas de tiempo decádica a secular. Por lo tanto, en este trabajo el contenido anual de calor de la capa de océano limitada por la MMLD es aproximado por la SST que corresponde al mes de la MMLD, pesada en cada punto por el volumen correspondiente, por ejemplo, el producto entre MMLD, y la superficie asociado. La temperatura de la capa de mezcla pesada (MLWT) se integra luego para ambos hemisferios y globalmente. 2. Datos Las MLD medias mensuales para todo el océano fueron desarrolladas por Monterey y Levitus (1997). Computaron la profundidad de capa de mezcla de perfiles climatológicos medio mensuales de temperatura potencial y densidad potencial en base en dos criterios diferentes: un cambio de

2 temperatura desde la superficie del océano de 0.5 C y un cambio de densidad desde la superficie del océano de (sigma unidades), con una resolución de 1 x 1 En este estudio, las MLDS calculadas con el criterio de cambio de temperatura para las regiones entre 70 N y 70 S se combinan con las obtenidas por los mismos autores para latitudes más altas con el criterio de cambio de densidad. Los datos de SST pertenecen a dos grandes bases de datos: los COADS, una compilación extensiva de observaciones de datos de tiempo desde buques de mercantes (Woodruff et al, La cobertura de datos mejoró apreciablemente recién después de la Segunda Guerra Mundial, aunque la falta de datos persistió en muchas regiones especialmente al sur de 40 S. Por estas limitaciones en los datos, las tendencias calculadas en este estudio se limitaron al período La segunda base de son los análisis de SST globales mejorados por Reynolds (Reynolds y Smith, 1994). La técnica usa datos tomados in situ y derivados de satélite para producir análisis mensuales. Las anomalías de SST fueron obtenidas al restar la SST / Reynolds de los promedios de la serie mensual de SST / COADS del período Capacidad calorífica de la capa de océano limitada por la MMLD Las Figuras 1 y 2 muestran las distribuciones globales de MMLD y sus meses correspondientes. MMLD es menor de 100 metros para la mayoría del océano tropical. En latitudes altas, la MMLD aumenta, en particular en el Hemisferio Sur donde alcanza 900 metros. La MMLD se observa en ambos hemisferios en meses invernales y en unas pocas regiones ecuatoriales en octubre. La Figura 3 muestra la capacidad calorífica de la capa de océano por encima de la MMLD como una función de la latitud. La mayor parte de la capacidad calorífica está en el Hemisferio Sur, debido tanto a la mayor extensión oceánica como a la mayor MMLD. La capacidad calorífica global es de 3.97 * cal/ K, alrededor 29 veces más alta que el valor correspondiente a la atmósfera entera, 0.14 * cal/ K. Esto significa que la capacidad calorífica del sistema climático, definido para la escala anual de tiempo, es provista prácticamente por la capa de océano por encima de la MMLD y nos garantiza un análisis de sus tendencias de temperatura como una medio para comprender cuan bien el presente calentamiento observado en la temperatura de superficie de aire representa al sistema climático. La Figura 4 presenta la variabilidad interanual de la MLWT para cada hemisferio y para el globo. Puesto que los datos esporádicos y limitados hacen imposible calcular tendencias al sur de 50 S, nos referiremos como Hemisferio Sur a la porción al norte de esta latitud y por Global a esta región más el Hemisferio Norte. La tendencia positiva global en el período de 46 años es casi enteramente debida a la tendencia del Hemisferio Sur, de alrededor 0.07 C/10 años. El Hemisferio Norte no presenta indicios de calentamiento, mientras en el Hemisferio Sur la diferencia entre valores medios de la MLWT del último y del primer período de diez años es significativa (ver Tabla 2). La pronunciada tendencia de enfriamiento del Hemisferio Norte desde finales de los 50 hasta mediados de los 70 mostrada en la Figura 4 no es evidente en el Hemisferio Sur donde una tendencia constante de calentamiento con una notable frecuencia de 10 años es observada. La diferencia en la temperatura anual de superficie entre series hemisféricas es mucho menor que en la MLWT (ver Tabla II y Jones et al, 1998). Aunque el Hemisferio Sur nuevamente muestra el calentamiento mayor, el Hemisferio Norte tiene una apreciable tendencia positiva. Una posible explicación es que el desbalance de flujo de energía afectó las latitudes del sur y el calentamiento consiguiente que ha tenido lugar allí se propaga más rápido hacia el Hemisferio Norte mediante la atmósfera que a través del océano. Sin embargo, debido a la gran diferencia en la capacidad calorífica, un cambio relativamente pequeño en el transporte meridional podría producir una respuesta térmica más rápida en la atmósfera que en el océano superior. De hecho, la correlación interhemisférica entre los datos de temperatura del aire es mayor que la correspondiente a datos marinos, especialmente en las frecuencias más altas del espectro interanual mientras que en escalas decádicas o más largas los datos de tierra y mar muestran correlaciones comparables entre hemisferios. 4. Discusión El forzante radiativo de los gases invernadero desde el tiempo pre-industrial se estima en 2.45

3 W/m 2 con un error del 15% (IPCC, 1996), con una distribución uniforme sobre ambos hemisferios. Otras emisiones antropogénicas como los sulfatos atmosféricos, reflejan la radiación solar hacia el espacio; su contribución al forzante radiativo es negativa, en una magnitud que es incierta (Kiehl y Briegleb, 1993). Debido a la distribución desigual de las fuentes de sulfatos y al corto tiempo de residencia de estos sulfatos en la atmósfera, el forzante radiativo de los aerosoles debería ser apreciablemente más grande en el Hemisferio Norte. Alrededor del 70% de los forzantes radiativos son debido al incremento de los gases invernadero y los aerosoles desde el decenio de Por lo tanto, en ausencia de otros cambios inducidos por la variabilidad natural, la mayor parte del efecto antropogénico sobre el Clima debería aparecer en las tendencias desde aproximadamente ese período. Sin embargo, la temperatura de superficie media global exhibe su calentamiento más fuerte en la primera parte de este siglo, apoyando la idea que la mayor parte de ese calentamiento fue por causas naturales. Después de los 50, en el Hemisferio Sur, donde el efecto invernadero claramente supera el efecto aerosol, la MLWT tuvo una tendencia positiva importante. En el Hemisferio Norte, esta tendencia es pequeña y no significativa como puede esperarse por el efecto compensatorio de los gases de invernadero y los aerosoles. Este resultado concuerda cualitativamente con las simulaciones de modelos. Taylor y Penner (1994), con un forzante de sulfatos y CO 2 encontraron una diferencia notable en las respuestas de temperatura de superficie entre hemisferios: un aumento desde tiempo pre-industriales de 1.1 C en el Hemisferio Sur y de sólo 0.5 C en el Hemisferio Norte. Ellos usaron un modelo general de circulación para la atmósfera acoplado a una capa de mezcla de 50m en el océano; sin embargo,.la MMLD es en promedio más profunda. Considerando que esto cambia la capacidad calorífica, y suponiendo una aproximada correspondencia entre la temperatura media anual de superficie y la MLWT, hay un buen acuerdo especialmente en el Hemisferio Sur donde la presencia de los forzantes aerosoles juegan un papel menor. El desbalance del flujo de energía, producido por un aumento del efecto invernadero, almacenó calor en la capa de océano por encima de la MMLD en el Hemisferio Sur y en bajas latitudes en el Hemisferio Norte. El aumento de temperatura resultante en el océano superior del Hemisferio Sur se propagó hacia la troposfera. La correlación interanual entre la MLWT hemisférica y la temperatura de superficie fue de 0.90 en el Hemisferio Sur y solamente de 0.63 en el Hemisferio Norte. Esta diferencia podría atribuirse a la diferente proporción de mar y tierra de cada hemisferio, pero puede también ser debida a la influencia de la temperatura de superficie del Hemisferio Sur sobre la temperatura de superficie del Hemisferio Norte ya discutida. Por otra parte, la tendencia de la temperatura de superficie del Hemisferio Norte es menor que la tendencia de la temperatura de superficie del Hemisferio Sur y mayor que la tendencia de la MLWT del Hemisferio Norte, indicando que la temperatura de superficie del Hemisferio Norte podría ser controlada por tanto la temperatura del mar del Hemisferio Sur como la del Hemisferio Norte. 5.Conclusiones En la escala anual, los componentes principales del sistema climático son la atmósfera y el océano superior. La capacidad calorífica de este sistema es casi completamente provista por la capa de mezcla del océano; dos tercios de esta capacidad calorífica se encuentra en el Hemisferio Sur. La tendencia positiva significativa observada en la MLWT del Hemisferio Sur refleja, más que las tendencias atmosféricas, el desbalance del flujo de energía. Desde el punto de vista del calor almacenado, el calentamiento total de la capa de océano por encima de la MMLD desde 1948 a 1993 es equivalente a unos 4 C de la atmósfera entera. Debido a la falta de datos adecuados, los resultados presentados en este trabajo deberían considerarse únicamente como una aproximación de primer orden. No obstante, las tendencias de MLWT observadas corresponden a lo que parece ser una señal de los forzantes radiativos de origen antropogénicos de las últimas décadas, específicamente calentamiento del Hemisferio Sur y cambio nulo o tendencias negativas en latitudes altas y medias del Hemisferio Norte. Esto agrega una nueva evidencia de una tendencia global de calentamiento relacionado al aumento de los gases invernadero. En este contexto, el control de la capa de mezcla oceánica a escala global aparece como una parte

4 necesaria de un Sistema de Observación del Clima Global para la vigilancia del Clima. Referencias Alexander, M. A. y Deser C.: 1995, A Mechanism for the Recurrence of Wintertime Midlatitude SST Anomalies, J. Climate, 25, IPCC: 1996, Climate Change 1995, The Science of Climate Change, edited by J.T. Hougton, L. G. et. al. Cambridge University Press, 570 pp. Jones, P. D., Raper, S.C., Bradley, R.S., Díaz, H.F., Kelly, P.M., y Wigley, T.M.: 1986a, Northern Hemisphere Surface Air Temperature Variations: , J. of Clim. and Appl. Meteor. 25. Jones, P. D., Raper, S.C. y Wigley. T.M.:1986b, Southern Hemisphere Surface Air Temperature Variations , J. Clim. Appl. Meteorol. 21, Jones, P. D., Parker, D.E., Osborne, T.J. y Briffa, K.R.: 1998, Global and Hemispheric Temperature Anomalies--Land and Marine Instrumental Records, Trends: A Compendium of Data on Global Change, Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, USA. Kiehl, J. T. y Briegleb, B. P.: 1993 The Relative Role of Sulphate Aerosols and Greenhouse Gases in Climate Forcing, Science, 260, Monterey, G. y Levitus, S.: 1997, Seasonal Variability of Mixed Layer Depth for the World Ocean, NOAA Atlas NESDIS 14. U.S. Department of Commerce. NOAA. Namias, J. y Born, R.M.:1970, Temporal Coherence in North Pacific Sea-Surface Temperature Patterns, J. Geophys. Res. 75, Namias, J. y Born, R.M.: 1974, Further Studies of Temporal Coherence in North Pacific Sea-Surface Temperatures, J. Geophys. Res, 79, Taylor, K. E. y Penner. J. E.: 1994, Response of the Climate System to Atmospheric Aerosols and Greenhouse Gases, Nature, 369, Woodruff, S. D., Lubker, S. J., Wolter, K., Worley, S.J. y Elms, J. D.: 1993, Comprehensive Ocean- Atmosphere Data Set (COADS) Release 1a: , Earth System Monitor, Vol. 4, No. 1, September 1993, NOAA. Figura 1. Meses de mayor profundidad de capa Mezcla de mezcla. Figura 2. Máxima Profundidad de Capa de (MMLD, en metros)

5 1.20E E E+18 cal/( C km) 6.00E E E E E+18 Northern Hemisphere latitude Southern Hemisphere Figura 3. Capacidad Calorífica de la capa oceánica en función de la latitud anomalía de temperatura( C) 0.5 a) años Hemisferio Norte Hemisferio Sur anomalía de temperatura ( C) b) Todos los océanos years Figura 4. Anomalías Anomalías de la Temperatura Pesada en la Capa de Mezcla (MLWT). a)hemisfeerios Norte y Sur; b) Todos los océanos Tabla I Capacidades caloríficas hemisféricas y globales de la capa oceánica. (cal/ K) Todos los océanos 3.98*10 22 Hemisferio Norte 1.38*10 22 Hemisferio Sur 2.59*10 22 Tabla II. Tendencias de la Temperatura Pesada en la Capa de Mezcla (MLWT). Diferencia entre promedios Desviación de MLWT para los períodos Standard y ( C) Total ( C) MWLT Hemisferio Norte Hemisferio Sur * Todos los océanos * Temperatura Hemisferio Norte de superficie Hemisferio Sur * (Jones et al,1998) Global * * Significativa al nivel de confianza de 99% para un test t de Student. Tendencia Lineal ( C/año)