Introducción al Cambio Climático 2: Inicio de periodos interglaciares

Este artículo es el segundo de una serie, el primero se puede leer aquí.

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, 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 geométrico. 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 Climate NCSU ²

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. Milanković concluyó correctamente que estos factores generaban el ciclo glaciar-interglaciar.

Gráficamente se pueden ver estos 3 ciclos en la siguiente figura:

Los tres factores descritos, más la insolación en la latitud 65 norte y las glaciaciones del último millón de años. Pasado a la derecha, presente a la izquierda. El resto de los gráficos será en dirección opuesta. Fuente Wikipedia³

Problemas con la teoría de Milanković

Ahora bien, la teoría de Milanković presenta una serie de problemas estadísticos cuando se correlacionan periodos 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.

Últimos 800 mil años de registro. Pasado a la izquierda. En naranjo la insolación. En azul la temperatura en C° con valor cero temperatura promedio 1950. Data de muestra de hielo EPICA: fuente base de datos: Climate Data⁴ y National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)⁵, Fuente Insolación: Laskar 2004⁶. Gráfico es construcción propia.

Siendo el pasado más lejano a la izquierda y la derecha el presente. En la figura de arriba podemos ver claramente que la mayor parte de los peaks de insolación no generan un periodo interglaciar (sobre -2 grados de temperatura). Adicionalmente, como se ve en las varios 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 mil años desde el comienzo del Pleistoceno entre 2,6 millones y 1 millón de años atrás, correlacionando perfectamente con la oblicuidad. Pero desde hace 800 mil años a la fecha son ciclos de aproximadamente 100 mil años, correlacionando mejor con la excentricidad y además mostrando una baja de las temperaturas promedio. Esto quiere decir que el peso de los factores cambió con el tiempo, añadiendo complejidad adicional a la simulación de los periodos glaciales.

Correlación de máximos de oblicuidad y periodos interglaciares, notar como los peaks de oblicuidad dejan de implicar el inicio de periodos interglaciares (amarillo). Fuente: Peter Huybers 2008, Quaternary Science Reviews 26 (2007) ⁷

Una excelente herramienta para probar la correlación de una variable con otra es realizar lo que se llama en estadística una Regresión⁸ y comprobar si una variable determina a otra. El resultado siempre se 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.

Cuando realizamos una correlación estadística usando el programa STATA, con regresiones OLS⁹ 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 CO₂. La mayor intuición al respecto viene de la correlación entre temperatura con CO₂ y la capacidad de este gas de atrapar más radiación infrarroja que los otros gases en la atmósfera.

1.- El CO₂

En los últimos 800 mil años las variaciones de CO₂ no han provocado aumentos de temperatura, tampoco la hipótesis contraria es correcta. Tanto el CO₂ como la temperatura fueron gatillados simultáneamente por un factor externo

En naranjo el CO₂ en Partes por millón (ppm). Data de muestra de hielo EPICA: fuente base de datos: Climate Data¹⁰ y National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)¹¹

Si hacemos otra correlación estadística en STATA, con el supuesto que CO₂ explica temperatura, tenemos un R2 de 0.78, tremendamente alto y se podría inferir rápidamente que el CO₂ es la respuesta al misterio…pero aún queda pendiente de la hipótesis contraria. Si hacemos en mismo análisis, pero asumiendo que la temperatura explica el CO₂ obtenemos un R2 de 0.80. Esto quiere decir que sería más probable que la temperatura explique el aumento de CO₂ durante los últimos 2,6 millones de años.

La regresión en STATA y el gráfico nos hace inferir lo siguiente: en los últimos 800 mil años las variaciones de CO₂ no han provocado cambios de temperatura, tampoco la hipótesis contraria es correcta. Tanto el CO₂ como la temperatura son gatillados simultáneamente por un factor externo. Adicionalmente: la temperatura siempre comienza el aumento, siendo seguido posteriormente por el CO₂. Que no los engañe la escala, en la figura de arriba están viendo 800 mil años de data) El efecto posterior que pueda tener el CO₂ en la temperatura sobre cierto umbral lo veremos en otro post.

2.- Un polvo en la Antártica

Revisando diversos papers y comparándolos con los datos de NOAA encontramos cosas interesantes, como por ejemplo, el polvo en la antártica. Este parece aumentar en grandes cantidades antes que comience un periodo interglaciar para luego caer completamente.

En naranjo el polvo en ng/gm, Data de muestra de hielo EPICA: fuente base de datos: Climate Data¹² y National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)¹³. 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 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, este si puede absorber calor solar y esto rompe el efecto de albedo, permitiendo derretir el hielo y aumentar las temperaturas¹⁴.

Quizás el polvo en combinación con otro factor, como un 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.

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Fuentes

1. [Volver] – Explicación de Precesión Axial en video de la Universidad of Nebraska-Lincoln link
2. [Volver] – North Carolina Climate Office link
3. [Volver] – Wikipedia
4. [Volver] – Climate Data
5. [Volver] – NOAA, data sets de hielo
6. [Volver] – Insolacion Laskar
7. [Volver] – Peter Huybers 2008, Quaternary Science Reviews 26 (2007), Glacial variability over the last two million years. link
8. [Volver] – Una buena y corta explicación de Correlación Estadística se puede ver en el siguiente link en español
9. [Volver] – 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.
10. [Volver] – Íbid 4
11. [Volver] – Íbid 5
12. [Volver] – Íbid 4
13. [Volver] – Íbid 5
14. [Volver] – Wittmann et al 2016, “Impact of dust deposition on the albedo of Vatnajökull ice cap, Iceland” link

Nota del autor: Artículo original publicado en agosto del 2017, reeditado y actualizado en diciembre del 2019.