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Las simulaciones de los últimos modelos climáticos han sugerido que el clima de la Tierra podría ser más sensible al aumento del CO2 atmosférico de lo que se pensaba anteriormente.

A medida que los científicos de todo el mundo profundizan en sus modelos para investigar por qué, nuestro nuevo estudio - publicado en Nature Geoscience - sugiere que la evolución de la composición de las nubes podría ser un factor decisivo.

Nuestra investigación se centra en las nubes que contienen partículas de agua y cristales de hielo. Hasta ahora, debido al calentamiento, el hielo de las nubes está siendo gradualmente sustituido por agua, un cambio que tiene un efecto general de enfriamiento.

¿Pero qué sucedería cuando no queda hielo en la nube? Nuestras simulaciones del modelo climático sugieren que para entonces alcanzaremos un estado en el que el calentamiento se intensifique. Este mecanismo por sí solo sería suficiente para obtener valores altos de "sensibilidad climática".

Sensibilidad climática

Las proyecciones del cambio climático son vitales para los gobernantes. Para ello, se compara los resultados de las simulaciones de la respuesta climática obtenida con diferentes modelos climáticos mundiales utilizando una medida estándar: la sensibilidad climática de equilibrio (ECS).

La ECS mide la variación de la temperatura media mundial del aire superficial por una aumento del doble de las concentraciones atmosféricas de CO2 o, en otras palabras: cuánto aumenta la temperatura debido a una variación determinada de la concentración de CO2. Este factor nos ayudará a estimar el incremento de CO2 para cumplir el  Acuerdo de París (los límites de calentamiento de 1,5ºC y 2ºC).

Durante décadas los modelos climáticos han sugerido que el ECS se encuentra en un rango probable de 2,0 - 4,5ºC. Pero la última generación de modelos climáticos indica que el ECS podría ser aún mayor.

El sexto Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados, conocido como CMIP6, es la iteración más reciente de un esfuerzo en curso para coordinar y comparar las simulaciones de modelos de diferentes centros de investigación climática en todo el mundo.

Los modelos del CMIP6 sugieren una amplitud superior de las estimaciones de ECS que en el CMIP5, indican una ECS superior a 5ºC. Esta gran dispersión en ECS en el CMIP6 a su vez lleva a una gran dispersión en las temperaturas estimadas para el siglo XXI.

Pero, ¿son posibles las estimaciones más elevadas en el modelo ECS, y el futuro caliente, qué conllevan? Estudios recientes han señalado avances en la representación de las nubes en los modelos como la razón dominante para la subida de los valores en  ECS en el CMIP6. ¿Pero qué ha cambiado exactamente en estos últimos modelos?

Líquido y hielo

Las nubes se clasifican en diferentes tipos y tienen unas propiedades muy variadas: como su cantidad, altitud y su composición en cuanto a gotas de agua, hielo o una mezcla de ambos.

La variedad de las nubes afecta directamente a la forma en que reaccionan ante el calentamiento del planeta.

Por ejemplo, los científicos suponen que la cantidad de nubes bajas subtropicales disminuirán a medida que se produzca el calentamiento. Esto reducirá la cantidad de radiación solar que se refleja hacia el espacio desde esta zona y, por tanto, nos llevará a un mayor calentamiento global. A esto lo llamamos "retroalimentación positiva", es decir, en un calentamiento del planeta, estas nubes cambiarían de tal manera que amplificarían aún más el calentamiento inicial.

Pero aunque la retroalimentación positiva de las nubes ha sido el tema de una extensa investigación y está apoyada por la teoría, las observaciones y las simulaciones de los modelos, son sólo una parte de la historia.

Aquí, la composición de las fases de las nubes entra en juego. En principio, las nubes pueden consistir en gotas de líquido, cristales de hielo, o una mezcla de ambos. Las últimas de ellas, conocidas como nubes de "fase mixta", se encuentran a temperaturas entre 0ºC y - 38º C. La fracción de gotitas líquidas que se convierte en cristales de hielo dentro de estas nubes está directamente relacionada con la cantidad de luz solar que reflejan.

Para la misma cantidad de agua, las gotitas líquidas son más pequeñas y más numerosas que los cristales de hielo. Como resultado, las nubes líquidas reflejan más luz solar hacia el espacio que las nubes de hielo.

Para entender las repercusiones en el clima futuro, hagamos un experimento: si el planeta se calienta, la proporción de gotitas líquidas aumentará, lo que provocará que las nubes reflejen más luz solar y que la superficie se enfríe. En consecuencia, esta retroalimentación de la fase de nubes es lo que llamamos una retroalimentación negativa: es decir, limita el calentamiento inicial.

¿Pero qué pasa cuando ya no queda hielo y las nubes son todas líquidas?

Retroalimentación óptica de profundidad

Para investigar esto, probamos las respuestas de las nubes en simulaciones con datos de 150 años usando la versión 2 del Modelo del Sistema Terrestre Comunitario (CESM2), que estima un ECS alto de 5,3ºC.

Nuestras simulaciones muestran de hecho que una retroalimentación de nubes positiva en general es responsable del alto ECS. Pero, en particular, muestran que la retroalimentación positiva de la nube se incrementa con el tiempo.

Para entender esto, tenemos que examinar las diferentes contribuciones a la retroalimentación de la nube. En nuestras simulaciones, los cambios en la altitud de las nubes (21%) y la cantidad de nubes (16%) sólo pueden explicar una pequeña parte del cambio de retroalimentación. El principal contribuyente es el cambio en la cantidad de luz solar que refleja la nube, que también se conoce como "profundidad óptica" de las nubes (63%).

La profundidad óptica de las nubes está influenciada principalmente por la cantidad de agua total de las nubes y su fase. Pudimos identificar el Océano Austral como la región en la que se produciría la mayor parte de este cambio en la profundidad óptica.

En la primera década de la simulación, la retroalimentación de la profundidad óptica en el Océano Austral es marcadamente negativa. Puedes observarlo en el sombreado azul oscuro sobre la región en el mapa superior de abajo. Esto no es una sorpresa, ya que se sabe que el Océano Austral tiene una abundancia de nubes de fase mixta. Si recordamos nuestro anterior experimento, hay mucho hielo en las nubes que se transforma en líquido por el calentamiento, aumentando así la profundidad óptica de las nubes y enfriando la superficie.

Sin embargo, al final del período de simulación de 150 años - mostrado en el mapa inferior - la retroalimentación negativa casi ha desaparecido en el Océano Austral.

La distribución espacial de la retroalimentación óptica neta de profundidad (en Watts por metro cuadrado por grado Kelvin) para los a) primeros, y b) últimos 15 años de la simulación de 150 años después de una cuadruplicación del CO2 con el CESM2. El sombreado indica una retroalimentación positiva (rojo) y negativa (azul). Fuente: Bjordal y otros (2020).

Entonces, ¿por qué ocurre esto? A medida que la temperatura aumenta, un mayor número de los cristales de hielo en las nubes de fase mixta sobre el Océano Austral se convierten en líquido, hasta que prácticamente no queda hielo en las nubes. (En la MCE2, esto ocurre cuando el aumento de la temperatura media global del aire en la superficie alcanza los 3-4 ºC, pero depende en gran medida de los modelos). Cuando no queda hielo, la retroalimentación negativa de la fase de nubes desaparece.

Así, la retroalimentación global de las nubes se vuelve más y más positiva con el tiempo, llevando a un estado climático de alta sensibilidad.

Otras investigaciones

¿Pero hasta qué extremo podemos confiar en estas simulaciones y en el propio modelo?

Primero, las simulaciones del CESM2 revelan que el modelo puede reproducir bien el clima del pasado. Esto es posible porque, con un calentamiento moderado, la CESM2 se comporta como un modelo moderadamente sensible y, por lo tanto, su simulación histórica no se sobrecalienta. 

En segundo lugar, se muestra que los perfiles verticales del agua de las nubes -líquida y de hielo- en el Océano Austral en nuestras simulaciones son consistentes con las observaciones de los satélites.

Aunque el CESM2 es sólo un ejemplo de modelos con alta ECS, el mecanismo descrito anteriormente debe funcionar tanto en la realidad como en otros modelos climáticos globales. Sin embargo, la importancia del efecto depende del propio modelo, de la cantidad de hielo que simule en las nubes de fase mixta en primer lugar, y de la rapidez con que el Océano Austral se caliente en relación con el promedio mundial. Como se mencionó anteriormente, el CESM2 ha simulado correctamente una fracción relativamente baja de hielo de nubes en las nubes de fase mixta del Océano Austral. Sin embargo, es bien sabido que la mayoría de los modelos climáticos estiman demasiado hielo en las nubes en comparación con las observaciones de los satélites y, por lo tanto, retendrían su retroalimentación de fase de nubes negativa durante más tiempo que la CESM2.

En cuanto a si las sensibilidades climáticas por encima de 5ºC son probables, la respuesta exacta a esta pregunta exige más pruebas con estos modelos. Sin embargo, se ha demostrado que conseguir el punto de partida correcto en la fase de las nubes para tales simulaciones es crítico, hasta ahora, la mayoría de los modelos climáticos no lo han conseguido.

En resumen, para responder a la pregunta de qué sucedería si no quedara hielo y las nubes estuvieran totalmente líquidas: Significaría que el sistema climático perdería respuesta natural de enfriamiento. En ese momento entraría en un estado de alta sensibilidad, lo que haría aún más difícil frenar el ritmo del calentamiento global.

Fuente: Bjordal, J. et al. (2020). Equilibrium climate sensitivity above 5C plausible due to state-dependent cloud feedback, Nature Geoscience, doi:10.1038/s41561-020-00649-1y