por Emilio Meneses

Durante los últimos 3 capítulos he mencionado continuamente reconstrucciones de temperatura paleoclimática obtenidas mediante proxy, ¡y muchos lo han confundido con el sistema para ver porno en el trabajo!  En este post planeo explicar los proxy de la manera más sencilla posible, para que hasta un político pueda entenderlo.

Explicando proxys con ranitas.

Cómo me comí todas las peras y manzanas tendré que usar ranas para explicar este concepto: muchos en el colegio y cuando niños nos contaron el cuento de qué se podía pronosticar la lluvia con una rana en un frasco con una escalera que sobresale del agua, si había chances de lluvia la rana estaría trepada en la escalera. Si asumimos que la rana vive para siempre y el dueño de la rana anota fidedignamente todos los días en que escalón la rana está apoyada tenemos un registro fiable de las precipitaciones.

Esta historia no tiene respaldo científico alguno, claro está. Pero nos ayuda a comprender el concepto de un indicador indirecto.

Un proxy es un indicador indirecto de un fenómeno que no podemos medir directamente dado que, o no estábamos ahí ya que ocurrió hace miles de años atrás, o no teníamos los instrumentos para medirlo, por ejemplo la temperatura o la precipitación en periodos de donde no se tienen registros. Pero tal medidor es alterado directamente por el fenómeno principal.

Para este post me voy a basar principalmente en el libro “The Holocene” de Neil Roberts [1]

Proxys más conocidos

Existen una buena cantidad de proxys, siendo los más conocidos los siguientes: polen, anillos de árboles y delta de Isotopo de Oxigeno 18. (d18O).

Polen

El polen es un medidor sumamente usual y  arroja una buena imagen de la flora de -una región, y su estudio se llama Palinología. Los granos de polen liberados por diversas plantas suelen acumularse principalmente en zonas lacustres y al sedimentar dejan un registro bastante estable. La edad de un registro puede determinarse mediante algún método de datación radiométrica.

Su mayor desventaja es que, al ser transportado por el viento, pueden depositarse granos provenientes de otra región, lo que ensucia el registro. Otra limitación es el bajo registro de plantas que dependen de insectos para polinizarse. También la erosión natural de una zona pantanosa o lacustre puede alterar o ensuciar una muestra.

Ejemplo de problemas en la reconstrucción de flora prehistoria mediante muestras de polen. Fuente „The Holocene“. Neil Roberts

Anillos de Árboles: Dendrocronología

Los arboles dejan un registro del tiempo con sus anillos.  Siendo estos un excelente indicador de precipitaciones anuales y para datar tiempo. Existen muy buenos registros históricos de diversos continentes y al comportarse  de igual se pueden generar registros bien fiables de precipitaciones. Existen sendos estudios que revisan mega sequías [2]

En casos excepcionales se pueden usar los árboles como indicador de temperatura pero solo asumiendo, claro está, precipitaciones constantes.  La mayor ventaja de los anillos de árboles es que estos tienen solo uno por año y además se pueden datar con carbono 14. Gracias a esto se tienen un registro casi completo del holoceno. Este proxy es importante explicarlo dado que en futuros post lo volveremos a mencionar para explicar varias controversias sobre predicciones climáticas.

Delta de isotopo de oxígeno 18.

No voy a entrar en el detalle de explicar que es exactamente un isótopo, pero se puede encontrar una excelente explicación aquí [3]. Este isotopo de oxigeno 18 (d18O), cuándo se mide en correlación con isótopo de oxígeno 16 es un muy buen indicador de la temperatura.   El d18O puede extraerse de varias partes, tales como estalactitas donde es atrapado mientras esta crece, una estalactita muy famosa DH-11 fue la extraída de la cueva de Devils Hole, mencionada en el primer post. Una segunda fuente de d18O son perforaciones de sedimentos marinos o perforación béntica, de donde se extraen conchas  y corales que atrapan el isotopo mientras aún están vivos, esta fuente es una de las más interesantes ya que tenemos más de cinco millones de años de registro de temperatura gracias a esto [4]. La tercera fuente son burbujas de aire atrapadas en el hielo, sendas perforaciones se hicieron en Antártica, EPICA y Vostok y dos en Groenlandia GRIP y GISP2.

Todos los gráficos de temperatura mostrados en mis publicaciones anteriores se basan en el d18O extraídos de EPICA.

Medición de d18O de perforaciones bénticas, Lisieki & Raymo 2005.

Lo fantástico de estás 3 fuentes de 18O totalmente distintas y de origen geográfico disímil es que todas arrojan las mismas tendencias de aumento y disminución de temperatura mundial. Las perforaciones Antárticas, DH-11 y las perforaciones bénticas son sumamente similares. Sólo las perforaciones de Groenlandia tienen mayores diferencias regionales, que veremos en un próximo post.

Determinando la edad exacta de un proxy

Una muy buena pregunta es cómo se sabe que cierto proxy tiene la edad que afirmamos que tiene. El  método que quizás todos conocen es el carbono 14, pero tiene la limitante de la baja vida media de este isotopo, apenas 5.730 años. No siendo muy útil para datar objetos anteriores a nuestro actual periodo interglaciar.

Otros métodos  son el Potasio 40 y  el “Espectometro Acelarador de Masas” o AMS en inglés, el cual es bastante preciso y no destruye las muestras a analizar. También existen el Uranio-Torio y Luminiscencia. En resumen, métodos para datar sobran.

Gracias a estos métodos se pudo determinar la edad de las muestras de DH-11, las perforaciones bénticas y luego calibrar la edad real con las muestras de hielo en Antártica. En Groenlandia no fue necesario ya que las capas de hielo mostraban los ciclos anuales con suficiente fiabilidad para determinar su antigüedad.

Conclusión

Existen buenos métodos para inferir la temperatura (18O), flora (polen) y precipitaciones (anillos de árboles) del clima pasado. Su metodología no es magia negra ni tampoco ingeniería de la NASA. Gracias a ella, unido a la arqueología, arqueobotanica y paleontología tenemos una imagen relativamente buena de cómo fue el medioambiente pasado, que es la clave para predecir el clima futuro.

[1]https://www.amazon.com/Holocene-Environmental-History-Neil-Roberts/dp/1405155213#

[2] http://iedro.org/articles/tree-rings/

[3] https://www.seas.harvard.edu/climate/eli/research/equable/isotope.html

[4] http://www.lorraine-lisiecki.com/LisieckiRaymo2005.pdf

por Emilio Meneses

En el capítulo anterior explicamos los principales puntos de la teoría de Milanković, la cuál es la más aceptada para explicar el ciclo glaciar-interglaciar. Adicionalmente evidenciamos sus problemas al ver que la Insolación no se corresponde directamente con los periodos interglaciares, dejando en evidencia que el ciclo más importante de los últimos 2,6 millones de años no es completamente comprendido.

Este punto es absolutamente crítico. Si no somos capaces todavía de comprender y menos predecir las variaciones climáticas del pasado, ¿cómo podemos entonces afirmar que somos capaces de predecir el clima futuro? Es importante traer al debate tales incógnitas a la hora de hacer predicciones del clima futuro e informar al público qué es lo que no se sabe y cuánto es aún incierto.

Por esto mismo debemos ver qué podemos inferir con el conocimiento existente y elucubrar sobre  factores qué no conocemos que quizás están jugando un rol crítico.

Qué NO produce un periodo interglaciar.

Cómo vimos en el post anterior los ciclos glaciar-interglaciar comienzan bruscamente con aumento de temperatura globales que  pueden superar 13 grados promedio a nivel mundial.

Ahora bien, no todos los aumentos de temperatura se traducen en un periodo cálido, existiendo pequeños y bruscos aumentos de temperatura que parecen interrumpirse y otros de tamaño intermedio. Para facilitar la interpretación hice el siguiente gráfico mostrándolos. Siendo los periodos “E” ciclos exitosos, “M” intermedios y “F” fallidos  La denominación usada es de elaboración propia y no está basada en la literatura científica. [1] En la práctica los periodos “F” son en pleno periodo glacial, pero al presentarse variaciones de temperatura es interesante saber porqué no se logra romper el ciclo frío en tal momento.

Fuente de Temperatura EPICA Core C, NASA.

 Si hacemos un corte en el tiempo cuando parte un periodo interglaciar y considerando el comienzo de aumento de temperatura como el momento  a revisar los datos tenemos lo siguiente:

Valores de Temperatura (Celsius), C02 (ppm) , Insolación( W/m2,) Polvo (ppm), Excentricidad, Oblicuidad (Radianes) y Precesión. En ROJO valores en decrecimiento, en AZUL valores en aumento. Fuente: Temp y C02, NAS; Polvo, Lambert 2008; Valores solares: http://vo.imcce.fr/. Gráfico elaboración propia

Periodos Fallidos F

Los cinco periodos F tienen presentan todos Excentricidad en disminución y Oblicuidad en aumento, pero los valores de ambas cifras no tienen correlación alguna. Esto es de por si interesante ya que ningún periodo cálido salvo uno presenta esta característica. Adicionalmente varios de estos periodos presentaban enormes concentraciones de polvo en la Antártica, lo que indica que el polvo de por sí no es capaz de gatillar un interglaciar.

Periodos Medios M

Los periodos M, aunque solo 2, son relevantes dado que presentan ambos Excentricidad muy baja y al alza, una oblicuidad muy alta y a la baja con similar insolación. Esta combinación no se presenta en los ciclos exitosos. La única variación que presentan es en el polvo, uno con 899 y el otro con 362, en ambos casos alto. Esto arroja otro indicio que el polvo no es condición suficiente para comenzar un interglaciar.

¿Y el C02 y la Precesión?, ¡están muy bien, gracias por preguntar!

Uno de los factores que más llama la atención es el valor promedio del C02 en el inicio de todos los periodos interglaciares. Para los periodos F: 198 ppm, periodos M: 189 ppm, y periodos E: 203 ppm. Pareciendo no tener ningún impacto o correlación con el resultado. La Precesión no se queda atrás, teniendo valores sumamente dispares para todas las agrupaciones de periodos excepto los M.

Que SÍ parece producir un interglaciar

Periodos Exitosos E

Los periodos interestadiales [2] que superan los -2 grados C° y se transforman en interglaciares son 11. Estos son bastante interesantes porque carecen a simple vista de un patrón en común. Algunos periodos parten con Excentricidad al máximo, otros en mínimo. El 6E, parece partir netamente empujado por el polvo al tener la excentricidad tan baja. En resumen, nada parece cuadrar a simple vista. Dada esta situación es útil volver a la literatura al respecto. Ahora, si se considera como punto de medida el peak de temperatura se observa una mejor alineación con la oblicuidad, esto hace sospechar una posible correlación y es corroborada por la literatura

La revancha de la oblicuidad

Varios papers del último tiempo apuntan a una correlación más fuerte de lo pensado hasta ahora entre la oblicuidad y temperatura. En varios análisis publicados en el blog de la prestigiosa científica Judith Curry se presenta un detallado estudio de los 7 interglaciares más grandes de los últimos 800 mil años  y su correlación con el máximo de oblicuidad.  Alineando los siete interglaciares, los peaks de temperatura parecen estar sincronizados con en valor máximo de la oblicuidad de la tierra (24.5°)

En la figura se ven los 7 interglaciares con la denominación MIS usada en paleoclima, fuente del gráfico https://judithcurry.com/2016/10/24/nature-unbound-i-the-glacial-cycle/, datos de EPICA Dome C, Jouzel, J., et al. 2007. Astronomical data, Laskar, J., et al. 2004.

Haciendo la misma correlación contra Insolación se muestra claramente que no está sincronizada con periodos interglaciares.

Fuente: Ídem anterior

Análisis estocástico y oblicuidad

Revisando otras fuentes, en su paper del 2005 Peter Huybers y Carl Wunsch realizaron un análisis con modelos estocásticos [3] donde lograron determinar que los ciclos interglaciares no eran definidos por la excentricidad o la precesión, pero no pudieron rechazar la hipótesis que la oblicuidad gatilla un interglaciar. En su modelo lograron reproducir los últimos 6 interglaciares donde estos se gatillan tras saltarse uno o dos máximos de oblicuidad.

Fuente del gráfico https://dash.harvard.edu/bitstream/handle/1/3382978/Huybers_ObliquityPacingTerminations.pdf?sequence=1  .Huybers & Wunsch, “Obliquity pacing of the late Pleistocene glacial terminations” 2005

Este ultimo gráfico alimenta la idea que una muy baja  temperatura mundial tiene un efecto gatillo en prescencia de un peak de oblicuidad. Pero eso es por el momento bastante especulativo.

Otros fenómenos poco estudiados

Ahora, si bien parece existir una correlación entre oblicuidad e inicio de periodos interglaciares, toda la data apunta a que no tenemos todas las piezas del puzle para resolver el misterio. Varios apuntan a inercia térmica de los océanos o a cambios de las corrientes marinas para explicarlos, pero hasta el momento no ha habido ninguna teoría o prueba que pueda explicar la totalidad de los fenómenos. Hoy se ha tratado de explicar el bajo aumento de temperatura pronosticado en para los últimos 20 años por modelos de circulación general por el efecto de los océanos. [4].

Otros fenómenos poco estudiados son los ciclos de variación solar. Se conocen varios ciclos solares, cómo el ciclo Bray de 2.400 años [5] y otros como fenómenos como los mínimos de Maunder [6], pero se tiene poca o nula evidencia de ciclos más largos que puedan ayudar a explicar el comienzo de un interglaciar. El calor atmosférico terrestre depende completamente de la energía que recibe del sol. Mi apuesta personal es que debe existir un ciclo solar que aún desconocemos.

Conclusión

Si bien la evidencia apunta a la oblicuidad para explicar el comienzo de los periodos interglaciares, la ciencia del clima y cambio climático no está todavía completamente descifrada, y demasiadas incógnitas siguen abiertas. Esto es de por si preocupante, ¿cómo pueden entonces científicos afirmar con tanta seguridad qué el aumento de temperatura actual es completamente antropogénico?, ¿cómo pueden afirmar que este periodo cálido es único o seguirá aumentando indefinidamente? Con tales incógnitas sin despejar simplemente parecen chamanes jugando con correlaciones espurias de temperatura y gases de los últimos 150 años, y realizando declaraciones grandilocuentes de fenómenos que no comprenden realmente.

[1] Los peaks interestadiales (Interstadial) tienen usualmente denominación MIS(Marine  Isotope Stage)  y no corresponden siempre a un periodo interglaciar, sino también a un evento D-O, que veremos en un próximo post. Estos además se cuentan de presente a pasado, al revés como estoy haciendo ahora. Así, el Holoceno se suele denominar MIS 1, y el Eemiano MIS 5

[2] En la literatura del Cuaternario se definen los estadiales e Interestadiales como las fases frías y calidas por las que atraviesa la tierra. No todos los interestadiales se consideran un periodo interglacial al poder ser más breves y de poco aumento de temperatura.

[3] modelos estocásticos son modelos donde hay aletoriedad en los resultados, son sumamente útiles para simular fenómenos reales con incerteza.  Para más detalles aquí un curso introductorio https://www.kent.ac.uk/smsas/personal/lb209/files/notes1.pdf

[4] https://www.scientificamerican.com/article/how-much-heat-does-the-ocean-trap-robots-find-out/

[5] https://judithcurry.com/2017/07/11/nature-unbound-iv-the-2400-year-bray-cycle-part-a/

[6] http://www.historicalclimatology.com/blog/what-was-the-maunder-minimum-new-perspectives-on-an-old-question 

*Fuente imagen portada: TED.com

por Emilio Meneses

En el primer capítulo expliqué brevemente el periodo cuaternario y sus principales características. En este voy a aclarar de la manera más sencilla posible la teoría que explica el inicio de los fenómenos interglaciares.

Nuestro actual periodo interglaciar, el Holoceno, tuvo un aumento de temperatura mundial de más de 12 grados en pocos milenios. El holoceno y los interglaciares anteriores están caracterizado por el aumento más rápido de temperatura que tenemos en el registro climatológico de los últimos millones de años, descontando quizás los eventos Dansgaard-Oeschger (Evento D-O) que veremos en un próximo post.

Hoy en día la teoría más en boga son los Ciclos de Milanković para explicar el ciclo glaciar-interglaciar, la teoría se llama así en honor a su proponente, Milutin Milanković, un matemático y astrónomo de origen serbio (1879-1958)

Milanković sostuvo que los cambios glaciares se deben la variación de radiación solar que  recibe la tierra debido a su propia posición respecto al sol. Los tres factores principales son los siguientes:

–Excentricidad: Es la figura de la órbita terrestre alrededor del sol. La órbita terrestre no es perfectamente circular porque, principalmente, planetas masivos como Júpiter o Saturno tienen influencia gravitacional sobre la tierra. La influencia de la excentricidad se puede resumir en qué: a mayor distancia del sol, menos calor recibe la tierra.

–Oblicuidad: es el grado de inclinación del eje de rotación de la tierra, este eje varía entre 22.1° y 24.5°. El grado de inclinación permite que una zona polar reciba más insolación en verano que la región ecuatorial.

–Precesión Axial: Este es más difícil de explicar de manera que se entienda la primera vez. Pero se puede traducir en el bamboleo del eje de rotación de la tierra. Este bamboleo se debe a que la tierra no es una esfera perfecta y el centro de gravedad no está en su centro. Les dejó un excelente video de laboratorio para explicarlo visualmente [1]. La precesión aumenta la cantidad de insolación que recibe un hemisferio en verano y disminuye la que recibe en invierno. Teniendo además el efecto inverso en el otro hemisferio.

De izquierda a derecha: excentricidad, oblicuidad, precesión. (Fuente Wikipedia)

Estos 3 factores influyen en la cantidad de insolación que recibe la tierra, usualmente se mide en un punto en particular, la latitud 65 Norte en el solsticio de verano.  Todos los periodos interglaciares están correlacionados con alta insolación en tal latitud. Milankovic concluyó correctamente que estos factores generaban el ciclo glaciar-interglaciar.

Problemas con la teoría de Milankovic

Ahora bien, la teoría de Milankovic presenta una serie de problemas estadísticos cuando se correlaciona periodo de alta insolación con el inicio de periodos interglaciares: todos los interglaciares se correlacionan con alta insolación, pero la mayor parte de los periodos de insolación alto no se traduce en un periodo interglaciar.

En naranjo la insolación, azul la temperatura. Origen de temperatura: NASA, data de muestra de hielo EPICA, Insolación Laskar 2004 [2]: gráfico es construcción propia.

Siendo el pasado más lejano a la izquierda y la derecha el presente. En la figura 2 podemos ver claramente que la mayor parte de los peaks de insolación no generan un periodo interglacial (sobre -2 grados de temperatura). Adicionalmente como se ve en la línea roja el Eemiano y el Holoceno  (los últimos dos periodos interglaciares de izquierda a derecha) comienzan antes que la insolación llegue a su máximo, esto significa que otra cosa gatillo tales interglaciares.

Otro misterio sin resolver es que los periodos interglaciares eran ciclos de 41 kyrs hasta hace 1000 kyrs correlacionando perfectamente con la oblicuidad, y desde 1000 kyrs a la fecha son ciclos de aproximadamente 100 kyrs, correlacionando mejor con la excentricidad y además mostrando una baja de las temperaturas promedio. Esto quiere decir que el peso de los factores cambia con el tiempo, añadiendo complejidad adicional a la simulación de los periodos glaciales.

Una excelente herramienta para probar la correlación de una variable con otra es realizar lo que se llama en estadística una regresión y comprobar si una variable determina a otra. El resultado siempre ser mide mediante un valor llamado R cuadrado (R2). Cuando R2 vale 1 la variable predice perfectamente la segunda, cuando R2 vale 0 no es capaz de predecirlo de manera alguna, pueden ver más detalles en el link [3]

Si realizamos una correlación estadística usando STATA, con regresiones OLS [4] para inferir temperatura de Insolación, los periodos de insolación sólo tienen R cuadrado de 0,15.  Es decir los periodos de insolación alta no predicen necesariamente el aumento de temperatura suficiente que gatille un interglaciar. Dado esta situación sería interesante revisar otras opciones aparte de la insolación

 

Posibles factores de forzamiento interno

Otra alternativa que podría explicar el aumento y disminución de temperatura podrían ser factores internos del planeta. El factor hoy en más en boga para justificar el aumento de temperatura desde 1870 a la fecha es el C02. La mayor intuición al respecto viene de la correlación entre temperatura con C02 y la capacidad de este gas de atrapar más radiación infrarroja que los otros gases en la atmósfera.

1- El C02 

En naranjo el C02 en ppm  Origen de data: NASA, data de muestra de hielo EPICA, gráfico es construcción propia.

Si hacemos una correlación estadística en STATA con el supuesto que C02 explica temperatura tenemos un R2 de 0.78, tremendamente alto y se podría inferir rápidamente que el C02 es la respuesta al misterio…pero aún queda pendiente de la hipótesis contraria. Si hacemos en mismo análisis en STATA, pero tomando que la temperatura explica el C02 obtenemos un R2 de 0.80. Esto quiere decir que es más probable que la temperatura explique el aumento de C02 durante los últimos 2,6 Myrs.

El gráfico nos deja inferir otra cosa más, tanto C02 como Temperatura son gatillados por un tercer factor o grupo de factores y la temperatura aumenta primero (nuevamente, que no los engañe la escala, están viendo 800 mil años de data). El efecto posterior que pueda tener el C02 en la temperatura sobre cierto umbral lo veremos en otro post.

2- Un polvo en la Antártica 

Jugando a los detectives con la data de NASA podemos además encontrar cosas interesantes, como por ejemplo el polvo en la antártica. El cual parece aumentar en grandes cantidades antes que comience un periodo interglaciar para luego caer completamente en el registro.

En naranjo el polvo  en ng/gm, origen de data, temp: NASA, data de muestra de hielo EPICA, data de polvo: Lambert et al (2008) “Dust-climate couplings over the past 800,000 years from the EPICA Dome C ice core”. Gráfico es construcción propia.

Algo ya mencionado en el post anterior es la generación de grandes zonas áridas o secas durante los periodos glaciares, tales zonas incluyendo hoy en día liberan grandes cantidades de polvo a la atmósfera. Este polvo es transportado por el viento a las zonas polares y se acumula sobre el hielo.

Ahora, cuando el polvo se acumula sobre el hielo puede absorber calor solar y  esto rompe el efecto de albedo, permitiendo derretir el hielo y aumentar las temperaturas. [5]

Quizás el polvo combinación con otro factor, como aumento de insolación,  puede sacarnos de un gélido periodo interglaciar y que comience un clima cálido….pero esa teoría la veremos en el siguiente post.

[1] https://www.youtube.com/watch?v=0qHjtp4cdCA&feature=youtu.be

[2] http://vo.imcce.fr/insola/earth/online/earth/online/index.php

[3] Una buena y corta explicación de correlación en el siguiente link en español http://elestadistico.blogspot.ae/2016/09/r-cuadrado-o-coeficiente-de.html

[3] Ordinary Least Square. Este tipo de regresión debe usarse con cuidado cuando tenemos funciones no lineares, pero por el momento nos bastarán para medir correlaciones directas.

[4] https://www.the-cryosphere.net/11/741/2017/