Según Organización Meteorológica Mundial (OMM), el Sistema Climáti- co es un sistema muy complejo que consta de cinco componentes principales: Atmósfera, hidrósfera, criósfera, litósfera y biósfera, y de las interacciones entre ellos. Si pensamos en los subsistemas como compartimientos contenedores, las preguntas entonces son: ¿Qué contienen y cómo se produce la circulación entre los compartimientos? ¿Qué energía mueve esta rueda? ¿Qué relación tiene esta dinámica con el clima? Veamos, la atmósfera comprende la masa gaseosa que cu- bre la superficie terrestre, la hidrósfera, las masas de agua, ríos, lagos, océanos, la
criósfera incluye los hielos continentales y marinos, nieve y permafrost, la litósfera
las masas continentales con sus accidentes y los primeros metros de la corteza, o sea el suelo, ya que los componentes más internos del planeta no participan directamente del sistema climático, salvo en el caso del vulcanismo, y la biósfera
comprende los organismos vivos de los ambientes aeroterrestres y acuáticos. Estos subsistemas se encuentran en permanente interacción e intercambio a través de flujos de materia (flujos de agua líquida o vapor, otros gases y par- tículas) y energía (radiación electromagnética, convexión, conducción, energía potencial, energía química), mediados por procesos físicos y químicos.
El sistema climático tiene directa relación con los grandes ciclos biogeoquí- micos del planeta, en los cuales la materia circula y se transforma entre los reser- vorios de sus subsistemas. Estos ciclos de retroalimentación de largo plazo son los responsables del equilibrio dinámico en las variables físico-químicas de nues- tro planeta, como por ejemplo: la composición de gases de la atmósfera, la con- centración de sales en el mar o la relación entre la cantidad de agua líquida y de hielo. La circulación de materiales entre los diferentes subsistemas, los procesos químicos que realizan los seres vivos, y la reactividad química de los diferentes elementos y compuestos son la cara visible de estos mecanismos homeostáticos que regulan la composición del planeta como si este fuera un gran organismo vivo, tal como lo propuso Lovelock en su hipótesis Gaia.
La hipótesis GAIA
Gaia (o Gea) es el nombre de la diosa griega de la Tierra. La hipótesis Gaia con- sidera al planeta Tierra como un ente u organismo viviente, como un sistema viviente autorregulado. Esto equivale a decir que la materia viviente de la Tierra, junto con su
DINÁMICA DEL SISTEMA CLIMÁTICO.
aire, océanos y superficie, forman un sistema complejo que puede considerarse como un organismo individual capaz de generar y mantener las condiciones que posibilitan la presencia, permanencia y evolución de todas sus formas de vida. El científico inglés, James Lovelock ideó esta teoría en 1969, aunque la publicó en 1979, y su cuerpo teórico está vinculado a toda una corriente de pensamiento que incluye la Teoría de Sistemas de Von Bertalanffy, la Teoría de la Endosimbiosis de Lynn Margulis, y la de la Autopo- yesis de Maturana y Varela, entre otras. Ciertamente, ubicándonos en los niveles de organización biológica, el sistema biológico más grande que conocemos se designa a menudo como biosfera o ecosfera, e incluye todos los ecosistemas, es decir, la totalidad de los organismos vivos y todos los ambientes físico-químicos o hábitats de la Tierra, es decir: Gaia.
Paradójicamente, la consecuencia de esta intrincada red de interrelaciones es que todos los componentes del planeta tienen relación y participación con y en el clima global. En particular, las interacciones de la atmósfera con el resto de los componentes del ambiente determinan el sistema climático terrestre. La climato- logía, una de las divisiones de la meteorología8, es la ciencia interdisciplinaria que
estudia el sistema climático.
A esta altura es necesario acordar con mayor detalle qué se entiende por Clima, el que se define en sentido amplio como el estado promedio del tiempo y, más rigurosamente, como una descripción estadística del tiempo9 atmosférico
en términos de los valores medios y de la variabilidad de las magnitudes corres- pondientes durante períodos que pueden abarcar desde meses hasta millares o millones de años. Las magnitudes son casi siempre variables de superficie (por ejemplo, temperatura, precipitación, presión o viento). En un sentido más amplio, el clima es el estado del sistema climático en términos tanto clásicos como esta- dísticos. El período de promediación habitual es de 30 años, según la definición de la Organización Meteorológica Mundial (OMM).
8 La Física y la Química de la atmósfera, integran básicamente a la ciencia interdisciplinaria de la Meteo- rología, la cual estudia la atmosfera, el estado del tiempo, el clima, las leyes que lo rigen y sus cambios y evolución.
9 Se entiende por Tiempo Atmosférico a las condiciones de temperatura, humedad, presión, etc. reinantes en un momento determinado. Estos valores suelen diferir de los valores estadísticos. Los pronósticos que se difunden por los medios de comunicación se refieren a los cambios del tiempo y no del clima.
CAMBIO CLIMÁTICO
La energía. El Sol
El motor que posibilita la compleja dinámica del clima es la radiación solar, fuente inagotable de energía de alta calidad en forma radiación electromagnética (REM).
Desde el punto de vista energético las interacciones que ocurren entre los subsistemas pueden analizarse como transferencias de energía entre un subsis- tema y otro, a menudo vehiculizada con la transferencia de materia, como en los ciclos del agua, del carbono y otros. Veremos algunos ejemplos significativos.
El suelo, incluyendo a los océanos, tiene un superávit radiativo, mientras que la atmósfera presenta un déficit. Existe por ello y para lograr un equilibrio, una transferencia de calor desde el suelo hacia la atmósfera que está dada por con- ducción, convección y principalmente por el efecto de calor latente. Asimismo todo el sistema presenta un superávit radiativo cerca del ecuador y déficit cerca de los polos, equilibrio que se establece por acción de la circulación general y da origen a las corrientes oceánicas. Hay transferencias de energía por conducción entre el suelo, la masa de agua y la atmósfera. Por convección se producen las co- rrientes oceánicas que transfieren energía desde las zonas cálidas del globo a las zonas frías, y de esta manera constituyen un factor importantísimo en la deter- minación del clima local en distintas partes del globo. La atmósfera y los océanos también intercambian energía por evaporación. Hay una transferencia de calor del océano hacia la atmosfera a través de la formación de vapor de agua. El vapor de agua es un reservorio de energía calórica, como calor latente, que se libera cuando se produce el cambio de estado de gas a líquido o sólido, formándose las precipitaciones o las nubes. Los océanos de la Tierra tienen una inercia térmica colosal debido al alto calor específico del agua (a igualdad de peso, para calentar el agua se necesita diez veces más energía que para calentar el hierro sólido). En síntesis los océanos son reservorios energéticos muchos más eficientes que la atmósfera, debido a las propiedades tan particulares del agua (su capacidad calo- rífica es 4,2 veces mayor que la del aire). Debido a esto, la capa de agua oceánica en contacto con la atmósfera almacena aproximadamente 30% más energía que la atmósfera. En consecuencia un cambio en la temperatura del océano redundará en una variación 30 veces mayor en la temperatura de la atmósfera.
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Mecanismos de transferencia de calor
¿Podemos hablar de una homeostasis10 en el planeta como ocurre en los animales?
Los principales procesos responsables de la regulación de la temperatura corporal en los animales homeotermos11 son la radiación, convexión y evaporación de agua. El termos-
tato que regula la temperatura es una glándula situada en el cerebro, el hipotálamo. Si se incrementa la temperatura, por ejercicio intenso, por ejemplo, el hipotálamo envía señales que inician la vasodilatación periférica y la transpiración, y la piel transfiere una mayor cantidad de calor fuera del organismo. Aunque parezca extraño, o poco habitual, los animales perdemos calor por radiación, y a pesar de que la diferencia de temperaturas entre los animales y su entorno no es usualmente muy grande, el proceso de radiación es el responsable del 54% de la transferencia de calor. El resto es respon- sabilidad de la convexión y la evaporación (Grünfeld, 1991). En el ejercicio intenso, la pérdida por radiación prácticamente no varía y el exceso de calor se intercambia por la transpiración, ya que el agua tiene un alto calor latente de vaporización, por ello el pa- saje del agua12 del estado líquido al gaseoso consume importantes cantidades de ener-
gía, lo que determina que se pierda gran cantidad de calor y no ascienda la temperatura corporal. El animal constituye en su ambiente un sistema abierto que intercambia una importante cantidad de energía, como radiación o junto con la materia, mediante la transpiración. Por su parte, nuestro planeta en su conjunto constituye un sistema ce- rrado, ya que sólo intercambia energía con su entorno: Ingresa energía de alta calidad de una fuente que se encuentra a alta temperatura (el Sol) y egresa energía degradada de baja calidad en forma de radiación infrarroja, calor. El mecanismo que opera es la radiación. Los otros mecanismos de transferencia de calor, la conducción, convexión y evaporación, permiten el mantenimiento de los ciclos internos del planeta. Atendiendo a todos estos procesos no es exagerado afirmar que el planeta tiene mecanismos de termorregulación sostenidos básicamente por la combinación del albedo (atmosférico y superficial) y los gases de efecto invernadero. ¡Pareciera que existen entonces sobrados argumentos para sostener que el planeta Tierra es un muy particular organismo auto- rregulado, al cual algunos llaman Gaia!
10 Homeostasis: (Gr. homos, mismo o similar + stasis, estar). Mantenimiento de un ambiente fisiológico interno o de un equilibrio interno relativamente estable en un organismo.
11 Homeotermos: Animales que mantienen relativamente constante su temperatura corporal mediante ajus- tes metabólicos. También llamados de sangre caliente, en oposición a los animales de sangre fría, que no poseen mecanismos internos de control de la temperatura y la regulan mediante ajustes de comportamiento. 12 El calor latente de vaporización del agua a 20ºC. es de 580 kcal/kg, esto quiere decir que al pasar una masa de un kg de estado líquido a estado gaseoso a esa temperatura, se consumen 580 kcal.
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