Módulo I: Motores de la Biosfera

Capítulo 8Variabilidad climática

Antonio García-OlivaresInstitut de Ciències del Mar, CSIC,

Barcelonaagarcia@icm.csic.es

3. Circulación Oceánica y Clima

8. Variabilidad climática

Respuestas y oscilaciones climáticas observadas en distintas escalas

temporales y sus posibles causas

Historia del clima terrestre

El clima en escalas geológicas

Clima precámbrico (-3000x106 a -542x106 a)

• Evidencias demasiado esporádicas. Alguna evidencia de que entre -3000 y -2000 millones b.p. pudo ser más frío y glaciado que en los últimos 500 millones. Radiationsolar 27% más baja.

• La inicialmente baja radiación solar, no hubiera permitido agua líquida, que se observa en -3500 millionb.p. (“faint young sun paradox”). Debió haber habido mucha mayor concentración de gases invernaderos que hoy.

Faint young sun paradox

• Qué mantiene la T sobre 0ºC?• Mayor tectónica de placas

• Alta emisión de CO 2

•¿Por qué se ajustó el CO 2 alcalentamiento solar?

• Wheatering feedback < 0•Baja T ���� bajo wheatering

����más CO2 en atm

Clima precámbrico tardío (1000x106 a 542x106 BP)

• De -1000 a -542 millones BP: evidencia de al menos dos y posiblemente más glaciaciones grandes. – La más reciente ~560 a ~650 millones BP, ha sido

propuesta como una “snowball Earth” con hielo marino llegando casi al ecuador. Mucho más severa que las dos que hubo luego en el Fanerozoico. Terminó sólo un poco antes de la “explosión cámbrica”.

– La primera (“Sturtian”) ~730 millones BP pudo haber sido tb una “snowball earth” pero no han quedado datos.

• Se ignora qué forzamientos pudieron llevar a la iniciación de una “snowball Earth”

Evidencias de ‘bola de hielo’

• Sedimentos que se depositan sólo en glaciares o icebergs se encuentranhasta en el ecuador

• Rocas con bandas de hierro dejan de formarse en -1800 Ma, por el alto O2 disuelto lo impide

• En -700 Ma vuelven a formarse, asociados a depósitos glaciares en todos sitios

• Como si el océano hubierapermanecido anóxico millones de años, y de repente, se hubiera vueltooxigenado

¿Cómo pudo enfriarse tanto pese al termostato CO2?

• Los continentes pudieron estar todosentre los trópicos

• Los dos polos relativamente aisladosde corrientes � alto feedback del albedo

• Casquetes polares que crecían no inhibían la formación de carbonatos, porque estos seguían formandose en los continentes libres de hielo

•Una vez los casquetes alcanzaron los 30º, el freno del CO2 fueincapaz de contrarrestar al albedo

•El hielo envolvió a la Tierra hasta el ecuador•El océano se congeló hasta una profundidad de 1000 m•El planeta podría no haber salido nunca de ahí

-No sólo salió, sino que a la salida se produce la‘Explosión Cámbrica’-¿Qué mecanismo salvó al planeta?-Los volcanes seguían emitiendo CO2-La bajísima evaporación, impedía que hubiera nubes de lluvia-Sin gotas de lluvia, no se forma ácido carbónico, no hay weathering de los silicatos y el CO2permanece en la atmósfera-Tras 10 millones de a, el CO2 habría subido 1000 veces su concentración !-Las comarcas sin hielo alrededor de las fuentes geotérmicas sufrirían un calentamtoque fundiría todo los hielos de sus alrededores-La bajada local del albedo, aumentaría las T en esos puntos, abriendo más y máslos huecos-Con la mayoría de la superficie liberada de hielo, el weathering habría bajado el nivel de CO2 a sus valores normales-El termostato de los carbonatos salvó al planeta

-¿Dónde sobrevivió la vida unicelular?-Probablemente, en las fuentes geotérmicas continentales y oceánicas y, algunas, en las grietas del hielo flotante-Especies supervivientes de esa catástrofe, pudieron ser muy adaptables

Escala del Fanerozoico

• 4 óptimos climáticos (O, D, P-Tr, K) • 4 mínimos, de ellos 3 glaciales

Devónico (-430 a -360 Ma)-Después del episodio glacial del Ordovícico de hace 450 Ma, las temperaturas se elevaron y se mantuvieron cálidas durante el Devónico y casi todo el Carbonífero, hasta hace unos 300 millones de años. -Estrecha franja tropical ecuatorial, amplias zonas áridas subtropicales hasta 35° de latitud y zonas templadas hasta los polos-El calor, la humedad y una atmósfera rica en CO2 facilitaron el desarrollo evolutivo y la colonización de los continentes por parte de la vegetación.-Hace 420 millones de años, aparecieron las plantas vasculares, con tallos rígidos y tejidos de lignina, que les permitía crecer en vertical. -La lignina es muy resistente a la degradación y a la oxidación, y el largo lapso que transcurrió entre su aparición y la evolución de los hongos descomponedores, permitió que grandes cantidades de esta materia orgánica quedasen enterradas y preservadas bajo otros sedimentos.-Secuestro de CO2 y subida del O2 máximos en -300 Ma

Hielo en Gondwana, al S, y grandes pantanos con las nuevas plantas leñosas en Pangea, en el centro

-Extensive rainforests covered the tropical regions of Pangea which was boundedto the north and south by deserts.-Casquete de hielo en Polo Sur, pero sin extenderse a todo el supercontinente. -CO2 parecido a hoy (bajo).

Inicio del secundario: Triásico (-245 Ma -208 Ma): aridez y calor

-La existencia de un continente único, Pangea y un único océano, Panthalasa, produjo un clima árido en vastas extensiones del interior de los continentes.-La lejanía del mar creaba condiciones de extrema aridez y las oscilaciones térmicas estacionales eran muy fuertes. -La probable ausencia de grandes cordilleras y un relieve erosionado y plano no favorecía la lluvia. -Los modelos de Pangea indican una oscilación térmica extrema en el sur y en el interior del continente, con veranos muy cálidos e inviernos muy rigurosos. -Algunas zonas tropicales de Pangea próximas al mar debieron estar sometidas a un clima de tipo monzónico, con lluvias estivales. Pero la ausencia de relieves importantes restaba fuerza al monzón y no facilitaba la formación de nubes. Por eso, en Pangea, fueron más extensas las regiones ocupadas por desiertos tropicales que por bosques de lluvia.

Final del triásico (-208 Ma)

-Pangea comenzó a fracturarse a lo largo de la línea de ruptura CAMP: Central AtlanticMagmatic Province. -Por allí salieron gigantescas coladas de basaltos. Se cree que lluvias ácidas provocadas por el SO2 repercutieron enormemente en la biología planetaria. -Se extinguen el 80% de las especies, hasta insectos. -Se ha pensado también como causa de la hecatombe una posible brusca fase muy cálida provocada por el aumento del CO2.-Se especula también con la posibilidad del choque de algún asteroide-Indicios de caída muy importante de la concentración de oxígeno: del 35 % de comienzos del Pérmico al 15% al final del período (Berner, 1999). Reducida presión parcial de oxígeno por encima de unos pocos centenares de metros de altitud � Extinciones

- <T> alcanza su más alto nivel de los últimos ~200 millones de años.- No hielo en los polos.- Dinosaurios migraban entre las zonas ‘Warm Temperate’ y ‘Cool Temperate’cuando las estaciones cambiaban.

- Reptiles de sangre fría en el círculo polar.

(-100 Ma)

100 Ma BP�Supercontinente Pangaea en disgregación�Alta actividad tectónica ���� alta emisión de CO 2�Intenso crecimiento de las dorsales ���� mares 100-200 m más altos

�Continentes con grandes zonas inundadas.�Separación ���� pocas zonas montañosas en los continentes ����

�menor radiación�Menor pérdida de CO 2 por weathering de silicatos

¿Por qué esa enorme acumulación de calor?

1. Muchos pasos de agua tropical hacia el ártico

And probably 2 other factors important:

(2) Higher CO 2 in atmosphere-- faster plate movement led to more

volcanic emission of CO 2

-- there was less removal of CO 2 fromatmosphere by weathering becausethere were few high mountains(no plate collisions)

(3) Heat was transported in oceans differently thantoday

- Salinidad alta en el mar de Tethys ���� probable generación alta de aguaprofunda salina y cálida

Today

Then

Escala del Cenozoico• Óptimo Eoceno: Alto CO2 (1000 ppm). - Los carbonatos sedimentados en el Mar de Thetys eran reciclados en las subducciones vecinas

• Continua tendencia al enfriamiento desde el Eoceno:- Bajada del CO2 (cierre del Mar de Thetys)- Aislamiento del ártico� mayor casquete de hielo ártico� mayor albedo- Subida del Plateau Tibetano y plegamientos continentales� mayor radiación- Plegamientos continentales� C02 + silicatos = carbonatos � secuestro de C

El desarrollo de laCorriente circumpolarAntártica debió impedirEl flujo de calor al SurEn -35 millones b.p. Fondo marino a 3ºC

- Series of continental collisions that has all but closed the ocean great Tethys Ocean: Spainwith France forming the Pyrenees mountains, Italy with France and Switzerland forming theAlps, Greece and Turkey with the Balkan States forming the Hellenide and Dinaridemountains, Arabia with Iran forming the Zagros mountains, India with Asia, and finally theyoungest collision, Australia with Indonesia.

Final del terciario y cuaternario

• Sigue la tendencia al enfriamiento• Se amplifica el ciclo de las glaciaciones

Escala de 10,000 a100,000 años

-Glaciaciones

Core de Vostok : 2000 m de hielo antártico

- La correlación T – CO2 es muy alta y también la correlación T – insolación a 65ºN - Hubertus Fischer (1999): "High resolution records from Antarctic ice cores show that carbon dioxide concentrations increased... 600 ± 400 years after the warming...“, esto es, el CO2 siguió al ascensotérmico tras las 3 últimas glaciaciones. - ¿Qué enlaza la T antártica con la insolación a 65ºN?: La sensibilidad del clima global al albedo N- Pero la insolación en S tb aumentó al final de la glaciación Wurm- L. Scott (2007), Science: 1. "The trigger for the initial deglacial warming around Antarctica was thechange in solar insolation over the Southern Ocean during austral spring that influenced the retreat ofsea ice." 2. "Retreating sea-ice would have led to enhanced Ekman transport in the Southern Oceanand decreased stratification due to stronger air-sea fluxes. 3. "These forcings promoted enhancedventilation of the deep sea and subsequent rise in atmospheric CO2."- El aumento de los flujos entre océano profundo y superficie libera CO2 a la atm- El efecto invernadero amplifica la subida térmica

Petit, 1999

700

600

500

400

300

ppbv

CH

4

250200150100500

Age (kyr)

280

260

240

220

200

180

ppm

v C

O2

250200150100500

-6

-4

-2

0

2

°C /présent

Vostok,température

CH4

CO2

Lorius, Jouzel, Raynaud, Hansen, Le Treut, 1990

- Otros GHG siguieron al ascenso de T

- Un 5% de variación de insolación anual

o un 10% de insolación en junio no da la

subida de potencia necesaria para el

calentamiento observado.

- El CO2 sí puede darla, pero responde a

T tras 500 años

- ¿De donde viene el DT a corto plazo?

Posiblemente de la bajada del albedo

Escala 1000 a 10,000 a

Joven Dryas y otros cambios

Hipótesis: el retroceso del frente del Manto Lauren tino hizo que el agua dulce del Lago Agassiz fuera a parar a través del Río San Lorenzo al norte del Atlántico, en vez de al Golfo de México, disminuyen do la densidad del agua superficial y frenando de esta manera la circulación termohalina (o circulación meridiana volteante , MOC).

Younger Dryas : enfriamiento agudo en N de Europa entre el 13.000 BP y el 11.500 BP

-Existían también desagües que iban directos al Artico y que procedían de los lagos del noroeste y del domo de hielo que aún resistía en Keewatin.

- Es muy posible que fueran estas aguas dulces de deshielo las que, tras atravesar el estrecho de Fram, salieran del Artico y frenaran la formación de agua profunda y lacirculación termohalina, por el endulzamiento de las aguas, en los Mares Nórdicos de Groenlandia, Islandia y Noruega (mares GIN)

Younger DryasHipótesis II

-Hace 8.200 años, se produjo otro episodio abrupto de enfriamiento, que duró unos 400 años, no tan agudo como el del Younger Dryas (Barber, 1999). Afectó especialmente a Groenlandia y a Europa, pero hay indicios de ese enfriamiento tb.en China y Africa tropical, en donde provocó también episodios secos y ventosos (Rohling, 2005; Morrill, 2005)

- Por el contrario, los sondeos en el hielo de la estación Vostok, en la Antártida, señalan que allí coincidió más bien con un episodio de calentamiento (Petit, 1999).

- Probablemente, una invasión de agua dulce en el Atlántico Norte, procedente de aguas retenidas en lo que quedaba de los lagos Agassiz y Ojibway, ralentizó la circulación termohalina, en un fenómeno parecido al del Younger Dryas, aunque de mucha menor intensidad (Clarke, 2003).

-La Corriente del Golfo se debilitó y durante unos siglos las temperaturas disminuyeron varios grados en Groenlandia y en el norte del Atlántico. La temperatura descendió en la costa del noroeste de Africa hasta un nivel casi semejante al de la glaciación.

- Posteriormente, en poco tiempo, agotado el aporte de agua dulce, las corrientes recuperaron su flujo normal y las temperaturas volvieron a ascender.

- En periodos glaciales, la producción de agua profunda en el Atlántico Norte es baja-En cambio, la corriente de agua procedente de la Antártida, AABW, llegaba en los momentos álgidos de la Ultima Glaciación bastante más al norte que hoy día- Los modelos informáticos sobre la circulación en el Atlántico se acomodan bien a las pruebas empíricas de este oscilante comportamiento de las corrientes termohalinas NADW y AABW (Fichefet, 1994).-Este desfase hemisférico puede estar en el origen del desfase existente en ciertos ciclos milenarios de la Ultima Glaciación, como el de los eventos Dangaard-Oescheger y eventos Heinrich

• Dansgaard-Oeschger events are rapid climate fluctuations occurring every ≈1470 (± 532) years throughout the last glacial period. Twenty-three such events have been identified between 110,000 and 23,000 years BP; the comparable climate cyclicity during the Holocene is referred to as Bond events.

• Heinrich events only occur in the cold spells immediately preceding D-O warmings, leading some to suggest that D-O cycles may cause the events (Bond & Lotti 1995).

• The course of a D-O event sees a rapid warming of temperature, followed by a cool period lasting a few hundred years. This cold period sees an expansion of the polar front, with ice floating further south across the North Atlantic ocean.

• The events appear to reflect changes in the North Atlantic ocean circulation, perhaps triggered by an influx of fresh water (Bond et al. 1999).

• The events may be caused by an amplification of solar forcings, or by a cause internal to the earth system - either a cycle of ice sheetsaccumulating so much mass they become unstable, as postulated forHeinrich events, or an oscillation in deep ocean currents (Maslin et al. 2001, p25)

• The little ice age of ~400 to 200 years ago has been interpreted as the cold part of a D-O cycle, putting us (even without the effects of anthropogenic global warming) in a period of warming climate (Bond et al. 1999).

-Eventos Dangaard-Oescheger y eventos Heinrich

Correlación con la actividad solarAutovariaciones internas del sistema climático (océanos)

Últimos 2 siglosCorrelación de T con:- Ciclo solar- CO2

-Parece existir un ciclo térmico de calentamiento y enfriamiento en las aguas superficiales del Atlántico Norte, entre 0 y 70ºN, denominado AMO (AtlanticMultidecadal Oscillation), con un período de 65/80 años y una amplitud de unos 0,5ºC.

-Esta oscilación parece estar relacionada con las variaciones en la intensidad de la circulación termohalina (Kerr, 2000; Knight, 2005).

-También hay estudios estadísticos que muestran que las temperaturas del norte del Atlántico están correlacionadas con la intensidad de los vientos alisios que recorren el Atlántico tropical.

-Estudios de las varvas sedimentarias de la cuenca de Cariaco, en Venezuela, permiten determinar los años en que los alisios son más intensos (mayor upwelling y abundancia de Globigerina bulloides).

-Vientos alisios en Atlántico tropical más intensos � mayor upwelling �temperaturas marinas en el norte del Atlántico decrecen.

-Existe así, probablemente, una relación entre lo que ocurre en el Atlántico Tropical y la variabilidad climática en el Atlántico Norte (Black,1999).

Otros ciclos en la escala secular

Escala decadal

Influencia de losVolcanes,Irradiancia solarY antropogénico

El Niño – Southern Oscillation

• Oscilación climática con periodo irregular frecuentemente entre 3 y 7 años• Influye en el clima global• El cambio climático parece afectar a su frecuencia

Sea surface temperature and tropical rainfall in the the equatorial PacificOcean during normal conditions

The dark arrows indicate air movement: upward arrows are associated with clouds andrainfall and downward-pointing arrows are associated with hight P and lack of rainfall.

-Typical warm waters are in the west, and coolerwaters in the east. -Heating, evaporation and convection occurspreferentially in the west, driving a thermally directcirculation cell that features rising motion in the west, subsidence motion further to the east over the coolerwaters, and westward low level trade winds in between.-The westward trade winds induce water upwelling in the east coast and also they "pile up" the warm waterlayer (deepen the equatorial thermocline) toward thewest, and shallow it toward the east. -This contrast is readily transferred to the surface, resulting in SST that is relatively warm in the west, andcool in the east. - Positive feedback: the westward trade winds reinforcethe east-west SST contrast, and the SST contrastreinforces the winds.

Sea surface temperature and tropical rainfall in the the equatorial PacificOcean during normal, El Niño, and La Niña conditions

Durante El Niño, una anomalía negativa en los vientos produce una anomalía positiva en la T oriental y central, que realimenta la anomalía negativa inicial

Efectos globales de unepisodio “El Niño”

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Efectos globales de un Episodio “La Niña”

Cambio climático y ENSO

• Observed tendency: more El Niño andfewer La Niña events since the late 1970s

Efectos antropogénicos: CO2 en la atmósfera durante las últimas décadas

150

200

250

300

350

400

GLACIAL

INTERGLACIAL

90 ppm

NIVELL ACTUAL

105 ppm

Contingutde CO

2a l’atmosfera (ppm)

INCREMENT DE TEMPERATURA

MITJANA ANUAL 2003

ESTIU 2003

INCREMENT DE TEMPERATURA

Lutherbacher et al. 2004, Science 303, 1499-1503

Lutherbacher et al. 2004, Science 303, 1499-1503