Más de 7.000 simulaciones de Caltech y Google muestran que el aumento de la temperatura del océano y del CO2 reduce la cobertura nubosa que refleja la radiación solar
Redactor: Javier Morales O.
Editor: Karem Díaz S.
La disminución de las nubes bajas sobre los océanos podría intensificar el calentamiento global al permitir que una mayor cantidad de radiación solar alcance la superficie terrestre. Investigadores del Instituto de Tecnología de California y Google identificaron esta retroalimentación climática mediante más de 7.000 simulaciones atmosféricas de alta resolución.
El estudio, publicado en la revista Science Advances, examinó cómo responden las nubes marinas al calentamiento de la superficie oceánica y al aumento de la concentración de dióxido de carbono. Los resultados indican que las capas nubosas tienden a volverse más delgadas y a cubrir una superficie menor cuando el océano se calienta.
Esta reducción disminuye la cantidad de luz solar reflejada hacia el espacio. Como consecuencia, el océano y la atmósfera absorben más energía, lo que añade calentamiento al provocado directamente por los gases de efecto invernadero.
Las nubes bajas actúan como un reflector sobre los océanos
Las nubes situadas en los niveles inferiores de la atmósfera cubren extensas áreas de los mares subtropicales y desempeñan una función importante en el equilibrio energético de la Tierra. Su color claro permite devolver al espacio una parte de la radiación solar antes de que sea absorbida por la superficie.
Entre estas formaciones se encuentran los estratocúmulos, las capas costeras acompañadas de niebla y los cúmulos poco profundos. Aunque suelen encontrarse por debajo de los 1.800 metros de altitud, pueden extenderse sobre regiones oceánicas de gran tamaño.
Cuando la cobertura disminuye, queda expuesta una mayor superficie marina, que es más oscura y absorbe más radiación. Este mecanismo se relaciona con investigaciones anteriores sobre la reducción de la nubosidad y las temperaturas récord del planeta.
El efecto de las nubes sobre el clima depende de su altura, grosor, composición y ubicación. Las nubes bajas suelen ejercer un efecto neto de enfriamiento porque reflejan una cantidad considerable de luz solar, mientras que algunas nubes altas también pueden retener radiación térmica emitida por la superficie.
El Pacífico tropical fue analizado en 500 localizaciones
El equipo utilizó condiciones atmosféricas y oceánicas correspondientes a 500 puntos seleccionados aleatoriamente en el océano Pacífico tropical. Cada localización fue estudiada durante cuatro meses distintos para representar variaciones estacionales en la nubosidad y la circulación atmosférica.
Los científicos emplearon información de un modelo climático global desarrollado por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de Estados Unidos como base para ejecutar simulaciones de grandes remolinos, conocidas como LES por sus siglas en inglés.
Estos modelos reproducen con mayor detalle los movimientos turbulentos, los intercambios de calor y la formación de nubes que los modelos climáticos globales no pueden resolver directamente debido a sus escalas espaciales más amplias.
La dificultad para representar correctamente las nubes es una de las principales causas de las diferencias existentes entre las proyecciones climáticas. Este problema también aparece en estudios sobre la sensibilidad del calentamiento global a los cambios en la cobertura nubosa.
Cuatro escenarios combinaron calentamiento oceánico y más CO2
Las simulaciones evaluaron cuatro escenarios. El primero contempló un aumento de 4 grados Celsius en la temperatura de la superficie del mar respecto de las condiciones de referencia. El segundo cuadruplicó la concentración atmosférica de dióxido de carbono sin modificar artificialmente la temperatura.
Los otros dos escenarios combinaron un calentamiento oceánico de 4 grados Celsius con una duplicación o una cuadruplicación del CO2. Esta configuración permitió separar los efectos asociados con el calentamiento del mar de las respuestas provocadas directamente por el gas.
Los resultados mostraron que el aumento de la temperatura oceánica favorece la reducción de las nubes bajas. Con menos cobertura disponible para reflejar la radiación solar, el sistema absorbe más energía y refuerza el calentamiento inicial.
Este proceso se conoce como retroalimentación positiva porque una modificación del clima activa una respuesta que intensifica esa misma modificación. No significa que las nubes originen el aumento del CO2, sino que pueden amplificar parte del calentamiento producido por su acumulación.
Las nubes también responden directamente al dióxido de carbono
La investigación encontró que las nubes pueden reaccionar al incremento del CO2 incluso cuando la temperatura se mantiene constante dentro de una simulación. El gas modifica la forma en que la radiación infrarroja se desplaza por la atmósfera y altera las condiciones físicas que intervienen en la formación y disipación de las capas nubosas.
Según los investigadores, esta respuesta directa no aumenta de manera proporcional. El efecto se acelera cuando las concentraciones de dióxido de carbono alcanzan niveles más elevados, un comportamiento que podría influir en la sensibilidad climática estimada para escenarios de emisiones intensas.
Zhaoyi Shen, científico principal del Centro Ronald y Maxine Linde para la Ciencia Ambiental Global de Caltech, señaló que las modificaciones rápidas de las nubes ante concentraciones altas de CO2 sugieren que el clima podría ser más sensible de lo calculado por algunos modelos actuales.
Tapio Schneider, profesor de Ciencia e Ingeniería Ambiental en Caltech y científico principal de Google, indicó que los resultados permiten descartar que la respuesta de estas nubes sea inexistente o que reduzca el calentamiento global.
Procesadores diseñados para inteligencia artificial ampliaron el experimento
El volumen del estudio fue posible gracias al uso de unidades de procesamiento tensorial de Google. Estos componentes fueron desarrollados inicialmente para acelerar operaciones relacionadas con inteligencia artificial y aprendizaje automático, pero también pueden ejecutar cálculos científicos a gran escala.
La capacidad informática permitió elevar la muestra a más de 7.000 simulaciones. Investigaciones anteriores del mismo grupo habían trabajado con unos 500 experimentos, mientras que otros estudios utilizaban apenas decenas debido a los elevados requisitos computacionales.
El aumento del número de simulaciones permitió representar una mayor diversidad de estados nubosos, estaciones, localizaciones y combinaciones climáticas. Esta amplitud fortalece la evaluación estadística de la respuesta de las nubes, aunque los resultados continúan dependiendo de los escenarios y modelos empleados.
El uso de herramientas avanzadas para mejorar las proyecciones también forma parte de los esfuerzos destinados a desarrollar modelos climáticos de mayor resolución capaces de describir impactos regionales.
Un conjunto de datos abierto para mejorar los modelos climáticos
Los investigadores hicieron público el conjunto de simulaciones para que otros equipos puedan evaluar y desarrollar representaciones de turbulencia, convección y formación de nubes dentro de modelos climáticos globales.
La base de datos puede utilizarse sin necesidad de repetir las miles de simulaciones de alta resolución. Esto permite que instituciones con recursos informáticos más limitados entrenen modelos simplificados o sistemas de aprendizaje automático a partir de los resultados ya calculados.
El material está siendo empleado por la Climate Modeling Alliance, una colaboración científica de Caltech y el Instituto Tecnológico de Massachusetts. El grupo trabaja en un modelo climático que combina principios físicos con aprendizaje basado en datos.
Una representación más precisa de las nubes podría reducir el margen de incertidumbre en las proyecciones de temperatura. Los modelos actuales coinciden en que la acumulación de gases de efecto invernadero calienta el planeta, pero difieren en la magnitud exacta del aumento a largo plazo.
El conjunto también permite investigar climas del pasado
Además de analizar escenarios futuros, la base de datos puede utilizarse para estudiar periodos antiguos con concentraciones de dióxido de carbono superiores a las actuales. Los investigadores mencionaron el Eoceno, una época iniciada hace unos 56 millones de años y finalizada hace aproximadamente 33,9 millones.
Durante partes de ese periodo, las concentraciones de CO2 pudieron alcanzar niveles varias veces mayores que los actuales. Comprender la respuesta de las nubes bajo esas condiciones puede ayudar a interpretar el clima de la Tierra antigua y evaluar escenarios de concentración elevada.
Las simulaciones no constituyen una reproducción completa del planeta ni predicen por sí solas una temperatura futura concreta. Se concentran en procesos nubosos del Pacífico tropical y deben integrarse con otros componentes del sistema climático para mejorar las proyecciones globales.
Menos nubes implican un menor albedo planetario
La capacidad de una superficie para reflejar radiación recibe el nombre de albedo. Las nubes bajas, la nieve y el hielo poseen un albedo elevado, mientras que los océanos descubiertos absorben una proporción mayor de la energía solar.
Una reducción persistente de la nubosidad marina puede disminuir el albedo planetario y elevar el desequilibrio entre la energía que entra en el sistema terrestre y la que regresa al espacio.
Estudios anteriores han relacionado la disminución del albedo y de las nubes bajas con una aceleración del calentamiento. La nueva investigación aporta simulaciones detalladas sobre los procesos que podrían generar ese comportamiento.
Los resultados no indican que todas las nubes desaparecerán ni que la respuesta será idéntica en cada océano. La formación de nubosidad depende de la circulación atmosférica, la humedad, la estabilidad del aire, los aerosoles y las características regionales de la superficie marina.
La incertidumbre sobre las nubes sigue siendo decisiva
La investigación reduce algunas dudas sobre el signo de la respuesta de las nubes bajas del Pacífico: las simulaciones indican que su pérdida refuerza el calentamiento en lugar de compensarlo. Sin embargo, todavía es necesario trasladar estos avances a los modelos globales y comprobar su comportamiento en otras regiones.
Los científicos esperan que el conjunto abierto permita desarrollar nuevas formas de representar la turbulencia y la convección, dos procesos que determinan cuándo se forman, se mantienen o desaparecen las nubes.
Una mejora gradual de estas representaciones ayudaría a precisar la sensibilidad climática, estimar cambios regionales y evaluar con mayor fiabilidad la evolución del balance energético de la Tierra ante distintas trayectorias de emisiones.
Fuentes referenciales:
Phys.org
Instituto de Tecnología de California
Science Advances
