Modelo climático

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Los modelos climáticos son sistemas de ecuaciones diferenciales basados en las leyes básicas de la física, la dinámica de fluidos y la química. Para realizar un modelo, los científicos dividen el planeta en una parrilla tridimensional, aplican las ecuaciones y evalúan los resultados. Los modelos atmosféricos calculan vientos, transferencia de calor, radiación, humedad relativa e hidrología superficial en cada cuadrado de la parrilla y evalúan las interacciones entre puntos contiguos.

Los modelos climáticos usan métodos de investigación cuantitativa para simular las interacciones de la atmósfera terrestre, los océanos, el relieve terrestre, y el hielo. Se utilizan para el estudio de la dinámica del sistema meteorológico y climático para las proyecciones del clima futuro.

Todos los modelos climáticos tienen en cuenta la energía entrante como las radiaciones electromagnéticas de onda corta (que en este contexto significa visible y ultravioleta) a la tierra, así como la energía saliente de onda larga (infrarrojo) proveniente de la radiación electromagnética de la tierra.

Los modelos más populares de estos años son los relacionados con la temperatura del aire por emisiones de CO2 (ver gas de efecto invernadero). Estos modelos predicen una tendencia ascendente en los registros de Tº superficial, y un rápido incremento de la temperatura en altitudes altas.

Los modelos pueden oscilar desde relativamente simples a muy complejos:

  • Simples cálculos de la Tº radiativa tratando a la Tierra como un punto más
  • Esto puede expandirse verticalmente (modelos radiativo-convectivo), u horizontalmente (modelos de balance de energía)
  • finalmente, modelos climáticos globales acoplados atmósfera–océano–banquisa (hielo del mar) discretizan, resuelven las ecuaciones para movimiento de fluidos.

Ésta no es una lista completa; el ejemplo "modelo de caja" puede ser escrito para tratar flujos a través y dentro de mesetas oceánicas.

Modelos adimensionales[editar]

Es posible obtener modelos climáticos relativamente simples. Un modelo particularmente simple para el equilibrio radiactivo de la Tierra que relaciona la energía recibida del sol con la energía re emitida por la tierra al espacio está basado en la igualdad entre radiación entrante y saliente:

(1-a)S \pi r^2 = 4 \pi r^2 \sigma T^4

donde

El lado izquierdo de la ecuación, representa la energía de entrada desde el Sol
y el lado derecho, representa la energía de salida de la Tierra, calculado de la ley de Stefan-Boltzmann asumiendo una Tº radiactiva constante, T, que debe ser hallada,

Más específicamente:

S es la intensidad de la radiación solar irradiancia de entrada por unidad de área ó constante solar, esta es aproximadamente igual a 1370 W·m-2
a es el promedio de albedo de la Tierra, aproximadamente 0,37 a 0,39
r es el radio de la Tierra — aproximadamente 6,371×106m
π es aproximadamente 3,14159
σ es la constante de Stefan-Boltzmann — aproximadamente 5,67×10-8 J·K-4·m-2·s-1

A partir de la relación anterior, cancelando el factor común, πr2 y buscando la temperatura de equilibrio se llega a:

T = \left[\frac{S}{4\sigma}(1-a)\right]^{1/4}

que da un valor de 246 a 248 K — cerca de -27 a -25 °C — para los promedios de Tº de la Tierra T: es aproximadamente de 35 K más frías que las Tº superficiales de 282 K. Esto se debe primariamente a que la ecuación de arriba intenta representar la Tº radiactiva de la tierra, y el nivel radiactivo promedio es conocido por encima de la superficie. La diferencia entre las Tº radiactivas y superficiales es el efecto invernadero natural.

Este modelo muy simple es bien instructivo, y el modelo único puede ajustar en una página. Pero produce un resultado del que no se está interesado en Tº radiactiva; más que la más usada Tº superficial, que también tiene al albedo como una constante, sin caminos para "predecirlo" dentro del modelo.

Utilizando esta simple fórmula, el cambio porcentual de la cantidad media de cada parámetro, considerados independientes, para provocar un cambio de un grado Celsius en la temperatura media de la Tierra en estado de equilibrio es de la siguiente manera:

  • Constante solar 1,4%
  • Albedo 3,3%
  • Eficiencia de emisión 1,4%

El promedio de la emisividad de la tierra es fácil estimar a partir de los datos disponibles. Las emisiones de la superficie terrestre se encuentran en el rango de 0,96 a 0,99 (con excepción de algunas pequeñas zonas del desierto que pueden ser tan bajas como 0.7). Las nubes, sin embargo, que cubren aproximadamente la mitad de la superficie de la tierra, tienen un promedio de emisiones de aproximadamente 0,5 (que debe ser reducido por la cuarta potencia de la relación de la temperatura absoluta a la nube con la temperatura media absoluta de la) y una temperatura media de las nubes de alrededor de 258 K (-15 °C, 5 °F). Teniendo en cuenta todo esto adecuadamente resulta una eficiencia de emisión terrestre alrededor de 0,64 (temperatura media terrestre de 285 K (12 °C, 53 °F)).

Este simple modelo determina fácilmente el efecto de los cambios en la energía solar de salida o cambios en el albedo de la tierra o la eficiencia de emisión de la temperatura de la Tierra. Los modelos adimensionales no tratan la distribución de temperatura en la tierra o los factores que mueven la energía sobre la tierra.

Modelos radiativos-convectivos[editar]

El modelo adimensional anterior, utilizando la constante solar y de temperatura media dada de la tierra, determina la eficiencia de emisión de onda larga al espacio de la tierra. Esto puede ser refinado en vertical a un modelo radiativos-convectivos adimensional, que considera dos procesos de transporte de energía:

  • Transferencia radiativa subiendo y bajando a través de las capas de la atmósfera, absorbiendo y emitiendo radiación infrarroja en ambos casos.
  • Transporte subida de calor por convección (especialmente importante en la parte baja de la troposfera).

Los modelos de radiación-convección tienen ventajas con respecto al modelo simple: pueden determinar los efectos de las variaciones en la concentración de gases de efecto invernadero sobre la eficacia de la emisión y por tanto la temperatura de la superficie. Pero los parámetros añadidos son necesarios para determinar la emisividad, el albedo y localizar los factores que mueven la energía sobre la tierra.[1] [2]

Modelos de Balance de Energía[editar]

Alternativamente, el modelo adimensional puede expandirse horizontalmente para considerar la energía transportada horizontalmente en la atmósfera. Esta clase de modelo puede promediarse zonalmente. Este modelo tiene la ventaja de tener dependencia del albedo sobre la temperatura - los polos pueden tener hielo y el ecuador torridez - pero la pérdida de la verdadera dinámica significa que los transportes horizontales tienen que ser especificados.[3]

Modelos de sistema terráqueo de complejidad intermedia[editar]

Dependiendo de la naturaleza de las cuestiones preguntadas y las escalas de tiempo pertinentes, hay, por un lado modelos conceptuales (inductivos) y por el otro lado modelos de circulación generales (que funcionen a la máxima resolución espacial y temporal). Los modelos de complejidad intermedia, de sus siglas en inglés EMIC, reducen el salto entre ambos. Un ejemplo es el modelo Climber-3. Este modelo atmosférico es un modelo de 2,5 dimensiones estático-dinámico con 7,5º por 22,5º de resolución y un periodo de medio día; el océano es modelado con MOM3 con una malla de 3,75º por 3,75º con 24 niveles verticales.[4]

Modelos de Clima Global[editar]

Los MCGs (en inglés GCM) en tres dimensiones (más bien en cuatro dimensiones) discretizan las ecuaciones para movimiento de fluidos y las integran en el tiempo. También contienen parametrizaciones de procesos - tales como convección - que se producen en escalas demasiado pequeñas para ser resueltas directamente.

El MCG atmosférico (MCGA) modela la atmósfera e impone la temperatura de la superficie del mar. Los modelos conjuntos atmosférico-oceánico (MCGAO, por ejemplo HadCM3, EdGCM, GFDL CM2.X, ARPEGE-Climat) combinan los dos tipos de modelos. El primer modelo de circulación general que combina los procesos atmosféricos y oceánicos fue desarrollado a finales de los 60 en el Laboratorio De Fluidos Geofísicos de Administración Nacional Oceánica y Atmosférica. Los MCGAOs representan el pináculo de la complejidad en los modelos climáticos y los procesos de internacionalización de tantos como sea posible. Son las únicas herramientas que podrían proporcionar las predicciones regionales del cambio climático futuro. Sin embargo, están todavía en desarrollo. Los modelos más sencillos son generalmente susceptibles a simples análisis y sus resultados son generalmente fáciles de entender. Los MCGAOs, por el contrario, suelen ser casi tan difícil de analizar como el verdadero sistema climático.

Las simulaciones más recientes muestran la “verosimilitud” de las mediciones de las anomalías de la temperatura durante los últimos 150 años, observando los cambios en los gases de efecto invernadero y los aerosoles, pero se logran mejores resultados cuando los efectos naturales también se incluyen.[5] [6]

Modeladores climáticos[editar]

Un modelador climático es una persona que diseña, desarrolla, implementa, prueba o explota modelos climáticos. Existen tres grandes tipos de instituciones en las que se puede encontrar un modelador climático:

  • En el servicio meteorológico local: la mayoría de los servicios meteorológicos nacionales tienen por lo menos una sección de la climatología.
  • En la universidad local, si existe un departamento que se ocupa de alguna de las siguientes áreas: ciencias de la atmósfera, la meteorología, la climatología, o la geografía, entre otros.
  • En laboratorios nacionales o internacional en los de investigación especializados en este ámbito, tales como el Centro Nacional de Investigación Atmosférica (NCAR en Boulder, Colorado, EEUU), Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos (GFDL, en Princeton, Nueva Jersey, EE.UU.), el Centro Hadley para la Predicción del Clima y la Investigación (en Exeter, Reino Unido), o el Instituto Max Planck de Meteorología en Hamburgo, Alemania, por citar sólo algunos. El Programa Mundial de Investigaciones Climáticas (PMIC), ayudada por la Organización Meteorológica Mundial (OMM), coordina las actividades de investigación sobre la modelización del clima en todo el mundo.

Véase también[editar]

Referencias[editar]

Enlaces externos[editar]

Modelos climáticos en la web[editar]