CAUSAS ASTRONÓMICAS DEL CAMBIO CLIMÁTICO Arreola Hernández J. F. CAUSAS ASTRONÓMICAS DEL CAMBIO CLIMÁTICO José Fernando Arreola Hernández Laboratorio de Ecología, Departamento de Zoología, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas. Carpio y Plan de Ayala. Col. Santo Tomas. Del. Miguel Hidalgo. México D. F. CP 11340. e-mail: jfarreolah@yahoo.com.mx RESUMEN La discusión actual sobre el cambio climático, más específicamente el calentamiento global, se ha centrado casi exclusivamente en la presencia de una mayor cantidad de bióxido de carbono en la atmósfera debido al incremento en el uso de los combustibles fósiles a partir de la revolución industrial. Sin embargo hay fuertes razones para dudar que el cambio en el clima pueda ser ocasionado exclusivamente por este incremento en la atmósfera de los llamados gases invernadero. A pesar de que la controversia continua, se han presentado teorías basadas en las variaciones de la energía solar que ingresa al planeta, las cuales tienen una corroboración experimental, que explican de una manera más precisa los cambios climáticos a través del tiempo geológico y del tiempo actual. En este artículo se presentan diferentes aspectos relacionados con el ingreso de radiación solar y su distribución en la nuestro planeta, cuyas características se deban a causas astronómicas, es decir debidas a ciclos solares y a la relación que guarda el sol con la Tierra. Primeramente se presentan los ciclos de Milankovitch los cuales se basan en las variaciones de los movimientos de rotación y de traslación de la Tierra, que son: el grado de inclinación del eje de rotación, que cambia de 24º 30´ a 21º 30´ en un ciclo de 41 000 años, la variación en la excentricidad de la orbita que varía de ser más elíptica a casi circular en periodos de 100 000 años y el ciclo del movimiento de bamboleo o nutación que tiene un periodo de 23 000 años. Uno de los ciclos que ha sido determinado con precisión recientemente es el ciclo de manchas solares que se presenta con una periodicidad de 11 años con un ciclo conjunto cada 22 años. Otro ciclo, menos evidente y de menor repercusión, es el ciclo Gleissberg, el cual es ocasionado por el cambio en la relación de las distancias entre los planetas y el sol cuando los planetas jovianos (Júpiter, Saturno y Urano) se encuentran alineados al sol, este ciclo tiene una duración aproximada de 88 años. Finalmente se presenta el Ciclo Bond, que se considera relacionado a la circulación termohalina que rodea al planeta y que atempera el clima, llevando agua caliente a lugares fríos y agua fría a lugares cálidos. Un ciclo de la circulación termohalina dura aproximadamente 1500 años. ABSTRACT The global climate change and their influence in the increase of natural disasters, such as floods, hurricanes, landslides, etc., are mainly focus in the rise of CO2 in the last century, since the industrial revolution. However have been determined several warming and cooling during the same time. Thus the causes of these climate changes must be looking in other items. Is more reasonable think in the different aspects in the income of solar energy. Thereby in this article analyzed the astronomic causes of warming climate change. solar cycles and their astronomic are in this article. Milutin Milankovitch, astronomer and climatologist propose in 1920´s an astronomic theory about the Earth´s orbital elements such as the eccentricity, obliquity and precession. In 1975 the analysis applied to deep sea cores, with oxygen isotopes show strong cycles with periods near 100 000 years, 41 000 years and 23 000 years. These are the periods proposed by Milankovitch. Another solar cycle is the sun spots cycle. Sunspots are huge magnetic storms that show up as darker regions on the sun’s surface. They tend to occur in cycles, with the number and size reaching a maximum approximately every 11 years. During periods of maximum sunspots the sun emits more energy (about 0.1 percent more) than during periods of sunspot minimums. Apparently bright sunspots that form around the sunspots radiate more energy, thus offsetting the effect of the dark spots. Gleissberg in 1958 detected a cycle of 88 years related with solar activity, analyzing both height and length of sun spots cycle. Finally Gerard Bond of Columbia University in New York in a Science paper published in 2001, and nine other authors documented a close connection between North Atlantic drift ice and changes in the cosmogenic nuclides beryllium-10 and carbon-14. Bond find in the North Pacific not only strongly corroborate the sun-climate connection, but they also imply that the response to solar variations may have involved much if not all of the Northern Hemisphere. Palabras clave: Cambio climático Revista electrónica “El Ambiente y los Sistemas Ambientales” INTRODUCCIÓN El clima es un tema siempre presente en nuestras pláticas diarias, es incluso una forma de iniciar alguna conversación, por ello es de esperar que casi toda persona tenga algún grado de conocimiento del tema. En nuestra apreciación cotidiana sabemos que el tiempo atmosférico es cambiante e incluso de difícil predicción, sin embargo es común iniciar el día escuchando los reportes del clima, esto es porque las condiciones del tiempo atmosférico, comúnmente llamado solo el tiempo, repercuten en casi todas nuestras actividades y planes. Es conocido por la ciencia que nuestro planeta a experimentado a través de su historia diversos cambios climáticos, incluso es más conocido que La Tierra ha pasado por varios periodos de enfriamiento muy severo, llamados glaciaciones, en los últimos 2 millones de años. La última de estas glaciaciones terminó hace apenas 10, 000 años, iniciando así esta época interglaciar que ahora vivimos denominado por los geólogos como Holoceno. Cambios en las características del clima han sucedido más recientemente, ya en tiempos históricos y de nuestra era moderna, como el ocurrido entre los años 1100 y 1300 dC, conocido como el periodo cálido medieval y el que le siguió de los años 1300 a 1800 que se conoce como la Pequeña Edad de Hielo. Sin embargo a pesar de este conocimiento acerca de lo cambiante del clima de La Tierra, es a partir de los años 1980´s que se habla con insistencia de un calentamiento global provocado por la influencia de la especie humana y su uso constante y en aumento de combustibles fósiles, lo cual conlleva a un aumento en la cantidad de CO2 en la atmósfera, incremento que se hace notable a partir de la revolución industrial. La preocupación de que la industrialización y su consecuente uso de carbón, gas natural y petróleo, sean la causa de este calentamiento ha hecho que la ciencia aborde este tema de manera objetiva para precisar si este cambio climático es de un calentamiento global y de ser así, en que medida y que es lo que debemos esperar para los próximos años. Incluso los gobiernos de casi todo el mundo se han organizado para que no solo algunos especialistas en el tema analicen lo referente a este tema, sino que instituciones completas dediquen sus esfuerzos a lograr un consenso sobre el cambio climático. Es así que se han Vol. 1 No. 1, p. 62-67 formado por ejemplo, el Protocolo de Montreal, la Cumbre de Río, la Cumbre de Kyoto, el Panel Intergubernamental para el Cambio Climático (IPCC) y otras cuyas resultados han concluido en algunas recomendaciones, las cuales sin embargo no han logrado un consenso entre todas las naciones para su aplicación y han encontrado un desacuerdo con la mayoría de los países más industrializados. Las recomendaciones de estas agrupaciones estudiosas del clima han suscitado un enfrentamiento entre diversos países ya que afecta el consumo de combustibles y por lo mismo afecta una de las principales industrias a nivel mundial. Por otra parte, dado que a partir de la revolución industrial (1850 aproximadamente) el CO2 se ha venido incrementando hasta nuestros días y que en ese mismo lapso de tiempo se han registrado cambios climáticos de diferentes escalas, llegando a tenerse climas fríos y cálidos en varias ocasiones, es necesario buscar las causas del cambio climático en otros factores además del CO2, que por si solo no explica este fenómeno. Es claro que antes que ver como se distribuye el calor en la atmósfera se debe analizar como es que se da el ingreso de la energía en nuestro planeta y determinar como se da la variación de radiación solar en la Tierra, esto es llegar a saber y cuantificar en que grado la energía solar cambia a través del día, los años, los siglos, los milenios y los millones de años. CICLOS CAUSADOS POR LOS MOVIMIENTOS DE LA TIERRA Aun cuando los movimientos de La tierra son conocidos de tiempos muy antiguos, su efecto en el tiempo atmosférico y en el clima son frecuentemente olvidados, también son ignoradas las evidencias de que sus características han cambiado y continúan cambiando a través del tiempo. Los movimientos siderales de nuestro planeta son los siguientes: de rotación, de traslación, de nutación, intragaláctico e intergaláctico. El primero de ellos, el movimiento de rotación, es el que realiza la Tierra cuando gira sobre si misma, este giro lo realiza a una velocidad de 1, 660 km / hr (en el ecuador, al nivel del mar) y un giro completo es llamado por nosotros un día. Este movimiento provoca un cambio de ingreso de radiación solar a través del día, afectando las funciones de los seres vivos, en 63 CAUSAS ASTRONÓMICAS DEL CAMBIO CLIMÁTICO especial los ciclos del día y la noche que son conocidos como ciclos circadianos. El segundo movimiento de la Tierra, el movimiento de traslación, es el giro que hace el planeta al girar alrededor del sol (a una velocidad de 107 182 km/h), este giro tiene una orbita ligeramente elíptica y en esta orbita el sol esta colocado en uno de los focos de la elipse. Esta situación provoca que en su giro La Tierra esta en un punto mas cerca del sol (el perihelio, aproximadamente a 148 millones de km) y otro punto en el que esta más alejado del sol (el afelio, aproximadamente a 151 km) lo cual afecta la cantidad de radiación que ingresa al planeta a lo largo del año. Aunado a esto, la Tierra gira alrededor del sol con una inclinación, con respecto al plano de la orbita alrededor del sol, de 270 27´, lo que marca cuatro momentos singulares en este moviendo y que son llamadas las estaciones del año. En las estaciones de año se presenta un momento, generalmente el 21 de marzo, en el que el día y noche tienen una misma duración conocido este momento como el equinoccio de primavera, el cual marca un momento en el que las horas de radiación solar son iguales en número a las horas en que no se recibe esta radiación. Posteriormente (el 21 de junio generalmente) el planeta inicia una estación del año en el que las horas de día (insolación) son más que las horas de noche, este momento se conoce como el solsticio de verano. Al concluir el verano, inicia nuevamente un periodo de tiempo (el 23 de septiembre) en el que nuevamente las horas de día y de noche son iguales, el equinoccio de otoño. Finalmente el 21 de diciembre, generalmente, inicia el solsticio de invierno, en el que las horas de noche son más que las horas de día. Estas características de las estaciones y sus fechas están mencionadas para el hemisferio norte, ya que por la inclinación del eje de rotación terrestre las estaciones se manifiestan en condiciones opuestas para cada hemisferio. Algo que también adiciona circunstancias especiales para cada lugar y su clima (en relación a las estaciones del año), es la situación de la latitud, es decir su distancia al ecuador, pues mientras en las latitudes bajas las estaciones del año casi no existen, en las latitudes altas su efecto es más notables hasta llegar el caso en que por arriba del paralelo 60º se tienen seis meses de verano y seis meses de invierno. Un tercer movimiento que presenta la Tierra es el de Nutación, que es un movimiento de bamboleo ocasionado por la combinación del movimiento de rotación y de traslación, y que el Arreola Hernández J. F. eje de rotación esta inclinado, dando como resultado este movimiento que se ejemplifica como un movimiento de peonza o trompo cuando va perdiendo velocidad. Este movimiento origina que a través del tiempo tengamos una orientación estelar diferente y que nuestra percepción del lugar que ocupan las estrellas en el cielo sea diferente (en periodos muy largos de tiempo). El movimiento intragaláctico es debido a que el sol y el resto del sistema solar (planetas, satélites, cometas, asteroides, etc.) se mueven girando en torno al centro de la Vía Láctea, en la cual el sol ocupa un lugar en las orillas de la galaxia. Por último el movimiento intergaláctico es el que tiene toda nuestra galaxia como resultado de la expansión del universo y en el que la Vía Láctea se mueve proveniente de donde se encuentra la estrella Sirio en la constelación del Can Mayor y se dirige hacia la estrella Vega en la constelación de la Lira cercana a la de Hércules. Todos estos movimientos tienen un efecto en nuestra relación con las estrellas y los tres primeros con nuestra relación con el sol, que es nuestra principal fuente de energía, por lo que son la principal causa de la dinámica atmosférica y por ende del clima. CICLOS DE MILANKOVITCH El astrónomo y climatólogo yugoslavo Milutin Milankovitch calculó en los años 1920´s y 1930 ´s las variaciones en la cantidad de radiación solar que recibe la Tierra debidas los movimientos de rotación y de traslación del planeta y propuso una teoría astronómica para explicar los ciclos glaciares que se presentaron en el Periodo Cuaternario basandose en tres aspectos de los movimientos de rotación y traslación que se modifican a través del tiempo. Un primer aspecto es el ángulo de inclinación del eje de rotación terrestre. Milankovitch propuso que el eje de rotación presentaba variaciones en el grado de inclinación, actualmente, el eje de la Tierra está desviado 23º 27´, con respecto a la vertical; esta inclinación fluctúa entre 21º 30´ y 24º 30´ a lo largo de un periodo de 41.000 años. Al aumentar su inclinación, las estaciones del año resultan más extremas en ambos hemisferios (inviernos más fríos y veranos más cálidos). El segundo aspecto que presento fueron las variaciones en la forma de la órbita terrestre, la Revista electrónica “El Ambiente y los Sistemas Ambientales” Vol. 1 No. 1, p. 62-67 órbita se hace más elíptica y más circular alarga y acorta, lo que provoca que su elipse sea más excéntrica y luego retorne a una forma más circular, en períodos de aproximadamente 100.000 años. Esta variación en la llamada excentricidad de la órbita terrestre varía desde un 0,5%, correspondiente a una órbita prácticamente circular; a un 6% en su máxima elongación. Milankovitch explicó que cuando se alcanza la excentricidad máxima, se intensifican las estaciones en un hemisferio y se moderan en el otro. solares pueden alcanzar gran tamaño y duran varios meses. Otras no pasan de algunos centenares de kilómetros y desaparecen a los pocos días. Los ciclos de variación en el número de manchas solares en de aproximadamente 11 años. El tercer aspecto es el movimiento de nutación, llamado también la precesión de los equinoccios o bamboleo de la Tierra, que describe una circunferencia completa, cada 23.000 años aproximadamente. La precesión determina si el verano en un hemisferio dado cae en un punto de la órbita cercano o lejano al Sol. El resultado de esto es el refuerzo de las estaciones, cuando la máxima inclinación del eje terrestre coincide con la máxima distancia al Sol. Cuando esos dos factores tienen el mismo efecto en uno de los hemisferios, se tienen efectos contrarios entre si en el hemisferio opuesto. Existe una clara relación entre el número de manchas solares y la intensidad del flujo de radiación solar que llega a la Tierra. Ese flujo, en la actualidad es de unos 1,370 W/m2 en un plano de intercepción perpendicular situado en el tope superior de la atmósfera terrestre (insolación solar total, llamada tradicionalmente constante solar). Y oscila aproximadamente en 1,2 W/m2 entre el máximo y el mínimo del ciclo. Milutin Milankovitch incorpora en su teoría la idea del climatólogo alemán Vladimir Koppen de que la causa inmediata de una glaciación se debe a la reducción de la irradiación solar en verano, con la consiguiente disminución de la fusión de los hielos formados en el invierno, y no a una sucesión de inviernos rigurosos. En la década de los 1960´s el paleoceanógrafo italiano Cesare Emiliani, confirmo experimentalmente los ciclos expuestos por Milankovitch utilizando el oxígeno presente en el carbonato de calcio de las testas de foraminíferos y otros microfósiles del fondo oceánico para calcular las temperaturas del último millón de años de la vida de la Tierra. CICLOS DE MANCHAS SOLARES Las manchas solares fueron detectadas por un astrónomo aficionado cuando tomaba fotografías en su intención por descubrir un planeta localizado entre mercurio y el sol, son zonas oscuras y relativamente más frías de la superficie del Sol. Corresponden a zonas en que fuertes campos magnéticos retienen temporalmente el calor que fluye del interior del Sol hacia la fotosfera, emitiendo menos energía de la normal, pero las áreas que las rodean, las fáculas solares, aparecen, por el contrario, más brillantes. En su conjunto, el Sol emite más energía cuantas más manchas solares haya en un momento determinado. Algunas manchas Las primeras manchas de un ciclo aparecen junto a los polos. En los años siguientes surgen otras, cada vez más cercanas al ecuador solar, hasta completar el denominado máximo solar. Después van desapareciendo otra vez. La radiación solar que llega a la Tierra ha cambiado ligeramente en los últimos mil años. Esta variación del número de manchas solares y de la actividad solar, deducida de la concentración del 14 C en la madera de los anillos de árboles y del 10 Be en los núcleos de los hielos, muestra que han existido períodos de mínima incidencia de manchas solares. Estos son los períodos de Wolf (hacia el año 1300), Sporer (hacia el año 1500), Maunder (entre 1645 y 1715) y Dalton (hacia 1800). Probablemente fueron precedidos por un período de máxima actividad solar, el Máximo Solar Medieval (entre el 1100 y el 1250), semejante para algunos autores a un Máximo Solar Contemporáneo. El más anómalo y mejor conocido de los períodos anteriormente citados, es el que ocurrió entre 1645 y 1715, llamado Mínimo de Maunder. Durante ese tiempo las manchas solares casi desaparecieron por completo. Esta etapa coincidió, por lo menos en Europa, con algunos inviernos muy crudos, como el de 1694-1695, durante el cual, según tres diferentes escritores de diarios particulares, el Támesis permaneció helado durante varias semanas. Calculos de la constante solar durante el Mínimo de Maunder indican que fue unos 3,5 W/m2 menor que la actual, es decir, un 0,24 % más baja. El enfriamiento global provocado por esta disminución de insolación, sería en la superficie terrestre de entre 0,2 y 0,6 ºC. Aunque en algunas regiones el enfriamiento fue mayor (entre 1 ºC y 2 ºC). 65 CAUSAS ASTRONÓMICAS DEL CAMBIO CLIMÁTICO Puede apreciarse que las variaciones de radiación son demasiado pequeñas como para explicar por sí solas los cambios térmicos ocurridos en los últimos siglos. En el caso de la Pequeña Edad de Hielo, el enfriamiento invernal que afectó sobre todo al norte de Europa pudo amplificarse por un aumento de la frecuencia de los anticiclones de bloqueo en el Atlántico Norte. Así mismo, este cambio en la circulación de la tropósfera estaría ligado a una disminución del ozono estratosférico, provocado por la disminución de la radiación ultravioleta. Se sabe que las variaciones del flujo energético solar repercuten más en la parte del espectro correspondiente a las radiaciones ultravioletas, creadoras de ozono. La disminución de ozono durante las épocas de debilidad solar, debido a la baja intensidad de las radiaciones ultravioletas, sería lo suficientemente importante como para enfriar la temperatura estratosférica y modificar directamente la circulación estratosférica e, indirectamente, la circulación de la tropósfera. CICLOS GLEISSBERG El movimiento de los planetas alrededor del sol presenta cíclicamente momentos en que las masas de los planetas jovianos o planetas exteriores se encuentran alineados, lo cual produce cambios en la actividad solar que a su vez afecta la cantidad de irradiación que llega a nuestro planeta. Gleissberg en 1958, detecto este ciclo ligandolo a un cambio de la fuerza rotatoria que impulsa la rotación del sol alrededor del centro de masas del sitema solar a través de estudios astronómicos de manchas solares. Muchos estudios se han realizado sobre todo estudios en en núcleos sedimentarios y núcleos de hielo de Groenlandia y la Antártida utilizando isótopos cosmogénicos ( 14C y 10Be ) los cuales muestran un persistente ciclo de 88 años relacionado directamente a actividad solar. Arreola Hernández J. F. por los océanos de nuestro planeta. Gerard Bond y nueve colegas de la Universidad de Columbia estudio la presencia de isótopos cosmogénicos (Berilio 10 y carbono 14) en núcleos sedimentarios marinos del Océano tlántico, confrontandolos co núcleos de hielo de Groenlandia y el análisis espectral muestra fuertemente la presencia de este ciclo. CONCLUSIONES Contrario a los informes hechos por el Panel Intergubernamental para el Cambio Climático (IPCC) acerca de un calentamiento global inducido por el hombre, los resultados de la mayoría de los científicos que estudian el clima, muestran que son los factores astronómicos los aspectos que más influyen en las fluctuaciones climáticas y no es el incremento del bióxido de carbono atmosférico, ni el único ni el principal factor a considerar en el cambio climático. Aunado al problema de estudiar un teme en si mismo muy complejo, existe el problema económico y político que involucra la industria petrolera que tiene una gran influencia en el mundo y que atrae intencionalmente atención tanto de investigadores que opinen a favor, como investigadores que opinan en contra, complicando el entendimiento de este problema. Es necesario que la ciencia y los científicos participen de una manera honesta para no inducir a una explicación simplista que no permita tomar decisiones adecuadas a este problema que afecta significativamente a la sociedad. BIBLIOGRAFÍA La bibliografía relacionada con el tema es sumamente abundante y mucha de ella esta disponible en la red, es por esta razón que se presentan algunas citas de artículos que son especialmente ilustrativos de las ideas presentadas aquí. CICLOS BOND Uno de los ciclos que afectan el clima que no son explicados por las variaciones en los tres parámetros orbitales: precesión, oblicuidad y excentricidad (Teoría Astronómica de Milankovitch) son los ciclos de duración de casi 1500 años que se observaron al estudiar los sedimentos oceánicos y particularmente en ellos las descargas de icebergs que dejan caer su contenido una vez que son disueltos en el agua de mar. La hipótesis más aceptada para explicar estas variaciones a escala de cientos de años se basa en la inestabilidad propia de la circulación termohalina, que provoca importantes alteraciones en el transporte de calor realizado Alley, R. B., and Bender, M. L. 1998. Testigos de hielo de Groenlandia. Investigación y Ciencia, abril: 60-65. Barnola, J. M., Raynaud, D., Korotkevich, Y. S., and Lorius, C. 1987. Vostok ice core proviles 160,000-year record of atmospheric CO2. Nature 329: 408-414. 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