La variabilidad del tiempo atmosférico y del clima

La variabilidad del Tiempo Atmosférico y del CLa variabilidad del Tiempo Atmosférico y del Cllimaima

ÍNDICE

1.- Introducción2.- ¿Aumenta la temperatura media global?3.- El tiempo meteorológico y el clima4.- Una analogía útil: las mareas y las olas5.- Una explicación sencilla de los fenómenos caóticos6.- El tiempo evoluciona de forma caótica

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¿Hasta que punto se conocen en España las causas y consecuencias del cambio climático?.

El enlace siguiente muestra un estudio estadístico realizado en 2008 por la Universidad de Santiago de Compostela, en colaboración con la Fundación MAPFRE, sobre una muestra de 1200 personas de toda España. La incertidumbre de los resultados es ± 2,89 % para un grado de confianza del 95,5 %.

http://www.mma.es/portal/secciones/formacion_educacion/grupos_ceneam/respuestas_educ_cc/pdf/1sociedad_ante-cc.pdf

Hemos seleccionado algunos resultados, que mostramos en las figuras siguientes:


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La variabilidad del Tiempo Atmosférico y del CLa variabilidad del Tiempo Atmosférico y del Cllima ima

1.- Introducción 1.- Introducción

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http://www.mma.es/portal/secciones/formacion_educacion/grupos_ceneam/respuestas_educ_cc/pdf/1sociedad_ante-cc.pdf


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No se percibe el cambio climático como causa de graves problemas económicos y sociales.


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Una mayoría significativa identifica correctamente una de las causas principales del cambio climático, pero acepta causas erróneas.


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Una mayoría significativa atribuye al cambio climático unas “percepciones” subjetivas.

En otros países, a pesar de la insistencia de Naciones Unidas, Gobiernos, Universidades, científicos, etc, en avisar de los peligros de un Cambio Climático ya declarado, la proporción de personas que opinan que se trata de una falsa alarma o el fruto de una conspiración, no disminuye.

En algunos países importantes, esta opinión no deja de crecer (en 2008, en USA, el 53 % creía que se trata de una conspiración, pero en 2010 la proporción ha subido al 64%).

¿Qué origen puede tener esta aparente paradoja?.


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Fuente: www.skepticalscience.com Encuesta realizada en EEUU en 2009. Muestra: 3146 científicos de Ciencias de la Tierra

Pregunta: ¿Cree Ud. que la actividad humana contribuye de forma significativa al aumento de la temperatura global?

Los datos del público general son de una encuesta de Gallup de 2008


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Página 6 de 10 Página 6 de 10 Es evidente que los conocimientos sobre las Ciencias de la Tierra son un buen predictor de la respuesta.

1.- Nos enfrentamos a fenómenos de una escala global, algo que no tiene precedentes en la Historia de la Humanidad.

2.- Aunque el conocimiento científico de los fenómenos involucrados se conoce desde hace unos 175 años, los riesgos se han hecho “patentes” solo hace una generación. No obstante, los fundamentos científicos que explican el efecto invernadero se conocen perfectamente, y no puede discutirse su validez.

3.- En la actualidad, lo que sabemos del clima y de la influencia de las actividades humanas es el resultado del trabajo coordinado de varios miles de científicos de todo el mundo.

Este trabajo de investigación es muy complejo, y hasta ahora los resultados han sido incompletos y con una incertidumbre significativa, por lo que respecta a las magnitudes, las escalas temporales, y los peligros concretos.


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Esto hace que no sea nada fácil explicar la esencia del cambio climático, sus causas y sus consecuencias. A esta dificultad se viene a añadir el bajo nivel cultural y de conocimientos científicos de la población en general en muchos países.

4.- Los problemas son globales, pero las acciones políticas tienen que ser locales, lo que supone un gran obstáculo para conseguir cualquier objetivo global y/o a largo plazo.

5.- Los problemas que enfrentamos son a largo plazo, pero la visión de los políticos es a corto plazo (las próximas elecciones), y la visión del público también es a corto plazo. Realmente, nos enfrentamos con un dilema ético:

¿Por qué tengo que preocuparme por los nietos de los nietos de mis vecinos?


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6.- Las implicaciones económicas de las medidas para la lucha contra el cambio climático son inmensas. Por ello, los intereses particulares de algunas grandes Empresas han influido de manera desproporcionada en el debate científico y social.

En el mejor de los casos, se acepta la realidad del cambio climático, pero se achaca a causas naturales.

7.- Por las razones anteriores, se hace muy difícil que los poderes públicos establezcan, y mantengan a largo plazo, políticas eficaces para la lucha contra el cambio climático.


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En resumen, la situación es muy compleja, de difícil explicación.

Pero la Universidad Popular de Tres Cantos tiene una responsabilidad social que nos impulsa a intervenir de alguna forma. Dadas nuestras capacidades y limitaciones, nos concentramos en explicar las causas y consecuencias del cambio climático lo mejor que podemos, al mayor número posible de personas.

En esta charla queremos mostrar y explicar la fuerza de las evidencias, y la fuerza de las explicaciones científicas que avalan el cambio climático de origen humano.


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Evolución de la Evolución de la temperatura global anual temperatura global anual desde 1880 hasta 2011. desde 1880 hasta 2011. Fuente: NASA (el valor 0 corresponde a la media del período de Fuente: NASA (el valor 0 corresponde a la media del período de 1951 a 1980, cuyo valor absoluto fue 14ºC)1951 a 1980, cuyo valor absoluto fue 14ºC) Volver a ÍndiceVolver a Índice

A simple vista, en los períodos : 1910-1944 y 1970-2011 aumenta la temperatura

En los períodos 1880-1922 y 1938-1970 se frena el aumento de temperatura

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22.- ¿Aumenta l.- ¿Aumenta la temperatura media global?a temperatura media global?


Evolución de la Evolución de la temperatura anual media de España temperatura anual media de España desde 1961 hasta 2009. Fuente: AEMETdesde 1961 hasta 2009. Fuente: AEMET Volver a ÍndiceVolver a Índice

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El primer, y más grave, error que solemos cometer al estudiar la evolución del clima consiste en pretender obtener información “a simple vista” de los gráficos de evolución de la temperatura global.

Un gráfico de temperaturas, considerado de forma independiente de otro tipo de conocimiento, no puede dar respuesta a preguntas como: -¿Está realmente aumentando la temperatura global?- Si realmente la temperatura aumenta ¿es irreversible el aumento?

La temperatura de cualquier sistema es un resultado del balance total entre las entradas y salidas de energía.

Por lo tanto, dicho balance total de energías debe ser nuestro punto de apoyo para cualquier estudio acerca de la evolución de la temperatura global.

¡Lo fundamental es el balance de energía¡ – La temperatura es una consecuencia


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Mecanismo de Mecanismo de absorción de la absorción de la energía emitida por la energía emitida por la Tierra hacia el Tierra hacia el espacio. La absorción espacio. La absorción se hace en la porción se hace en la porción de la energía emitida de la energía emitida en el infrarrojo, por en el infrarrojo, por los GEIlos GEI

Forzamientos radiativos Volver a ÍndiceVolver a Índice

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En la figura podemos En la figura podemos ver que el forzamiento ver que el forzamiento máximo está máximo está producido por el COproducido por el CO22, ,

aunque no es aunque no es despreciable ninguno despreciable ninguno de los otros GEI de los otros GEI antropogénicos. antropogénicos.


En el gráfico anterior hemos visto que el GEI más importante es el CO2.

En el período 1900-2010, la proporción de CO2 en la atmósfera se ha incrementado de forma creciente, excepto en el período 1940-1950

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Los gráficos de evolución de la temperatura global muestran que el aumento no sigue un patrón de crecimiento uniforme, sino que se alternan de forma aparentemente aleatoria períodos de aumento con períodos de estabilización, e incluso con períodos de disminución de temperatura.

A simple vista, este comportamiento es contrario a la lógica: si la principal causa de aumento de temperatura crece uniformemente, sus efectos debieran crecer también de forma uniforme.

Este comportamiento errático constituye uno de los puntos de discusión más frecuentes, y suele servir como punto de apoyo para numerosas teorías que pretenden negar la existencia real del efecto invernadero, y sus consecuencias naturales: el calentamiento global, y el cambio climático consiguiente.

Nuestro objetivo principal es explicar que este comportamiento errático es compatible con un crecimiento constante de la energía absorbida por la atmósfera por efecto del Efecto Invernadero Intensificado.


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En períodos de tiempo muy cortos, se pueden ver períodos como el de 2005-2008, con descenso de la temperatura.La temperatura media de 1998 no se ve superada hasta 2005, y la de ese año no se volvió a alcanzar hasta 2010


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Datos de Temperatura Global (fuente NASA)


En períodos de tiempo muy cortos, la variabilidad no nos deja ver la tendencia a largo plazo.

Es un error muy común intentar deducir la tendencia de evolución de la temperatura basándonos exclusivamente en gráficos a corto plazo

Queda claro que la temperatura global tiene una variabilidad muy elevada, cuando consideramos períodos de tiempo corto (1 año o menos).

Esto hace que muchas personas, al intentar obtener información exclusivamente de los gráficos, confundan además el tiempo con el clima.

Esperan obtener el comportamiento a largo plazo, partiendo de los datos (muy variables) a corto plazo.

El tiempo meteorológico y el clima son dos conceptos diferentes, aunque están íntimamente relacionados.


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Podemos agrupar los numerosos factores que conforman el climaen los grupos siguientes:

Radiación Radiación solarsolar

Geometría Sol- Geometría Sol- TierraTierra

Polvo Polvo interestelarinterestelar

Emisiones Emisiones volcánicasvolcánicas

Química Química atmosféricaatmosférica

Reflectividad Reflectividad atmosféricaatmosférica

OrogeniaOrogenia

Reflectividad Reflectividad terrenoterreno

Deriva Deriva continentalcontinental

Intercambio calor Intercambio calor Atmósfera / OcéanosAtmósfera / Océanos

Factores de los océanos, atmósfera y terrenoFactores de los océanos, atmósfera y terreno

Clima de Clima de la Tierrala Tierra

Factores externos a la TierraFactores externos a la Tierra


En este apartado se incluye el efecto de invernadero, provocado por el aumento del CO2 y otros gases

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El clima de cualquier región de la Tierra se caracteriza por la acción simultánea de numerosos factores que interaccionan entre sí


33.- .- El tiempo meteorológico y el climaEl tiempo meteorológico y el clima


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La evolución del clima a lo largo del tiempo está condicionada en gran medida por las denominadas retroalimentaciones, positivas o negativas, que explicamos mediante algunos ejemplos.

Ejemplos de retroalimentación positiva:

1.- Un aumento de temperatura global origina un aumento del vapor de agua en la atmósfera, lo cual a su vez da lugar a un aumento de la energía absorbida por la atmósfera, que da como resultado un aumento de la temperatura global.

2.- Un aumento de temperatura global origina un aumento de la fusión del permafrost. Esta fusión libera cantidades mayores de metano a la atmósfera, lo cual a su vez da lugar a un aumento de la energía absorbida por la atmósfera, que da como resultado un aumento de la temperatura global.


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Una retroalimentación positiva muy importante es la denominada “retroalimentación del albedo”.

1.- Un aumento de CO2 produce un aumento constante de la temperatura global

2.- Al aumentar la temperatura global, aumenta la fusión de la nieve y del hielo existentes en los polos

3.- Esto hace que la reflectividad de los terrenos disminuya, aumentando con ello la absorción de energía por la Tierra

4.- Este aumento de energía absorbida conduce a un aumento de la temperatura global


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En los procesos del clima se pueden dar muchas interacciones con retroalimentación, como muestra el gráfico adjunto

El concepto de “Interacción”, en este contexto, tiene un carácter estadístico, y significa que el efecto de dos o más variables, que actúan en un modelo estadístico, no es simplemente aditivo.


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Un elemento importante en la evolución del clima a corto plazo es el fenómeno ENSO “Niño-Niña”.

Temperaturas de la superficie de los océanos durante “La Niña” (Noviem. 2007)



Situación normal Situación “El Niño”

Situación “La Niña”

El clima se nos manifiesta a corto plazo (como máximo 3-4 días) en la forma habitual del tiempo meteorológico. En realidad, lo que observamos y medimos es el tiempo meteorológico.

La variabilidad del tiempo meteorológico, tan familiar, está originada por los factores del clima, junto con sus interacciones y retroalimentaciones, cuando lo consideramos en una escala temporal desde unas pocas horas hasta unos pocos días.

Pero esa visión a cortísimo plazo no es suficiente; hace falta caracterizar el tiempo meteorológico en escalas temporales mucho mayores: por ejemplo, las medias anuales.

Por las razones anteriores, y por amplio acuerdo entre especialistas, el clima se considera como el promedio de los parámetros del tiempo meteorológico a lo largo de 30 años (temperatura, precipitaciones, etc).

Tomamos la media de 30 años para compensar y nivelar los puntos extremos


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El comportamiento de los gráficos de temperatura global no nos debiera sorprender, aunque no veamos de forma patente una tendencia constante al aumento de temperatura global.

Los gráficos de temperatura global no muestran la evolución del clima, sino una visión a corto plazo, que corresponde a un período de tiempo mucho más corto que el necesario para definir el clima (¡30 años!).

El gráfico siguiente muestra los valores de la media móvil de períodos de 20 años. No vemos la variabilidad anual (a corto plazo), pero si la tendencia a largo plazo.


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Este gráfico se ha elaborado tomado la media móvil de períodos de 20 años, con lo cual perdemos los detalles anuales, pero ganamos la perspectiva a largo plazo.

Este gráfico muestra la evolución de una característica del clima: la temperatura global


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A pesar de que este gráfico muestra a simple vista un aumento de la temperatura global de unos 0,7 º C desde 1880, no podemos asegurar que el clima no vuelva a evolucionar en sentido contrario en los próximos 50 -100 años.

Los conocimientos científicos que aseguran que el clima no va a volver a enfriarse en el futuro se basan en la física de la absorción de la energía por los GEI en el rango del infrarrojo (efecto de invernadero intensificado).

Por lo tanto, los gráficos, por si solos, no nos pueden asegurar la tendencia futura del clima, ni que la causa del calentamiento reciente se deba a las actividades humanas.


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¿Por qué el Servicio Meteorológico solo puede informar por TV del tiempo, para los próximos 3-4 días como máximo?.

Porque la naturaleza de los fenómenos involucrados no nos permite conocer de forma segura la evolución futura de la meteorología más allá de 3-4 días.

Pero incluso dentro de esos períodos de tiempo, solo podemos conocer lo que va a ocurrir con una cierta probabilidad. Esto quiere decir que no podemos asegurar que se cumpla el pronóstico en el 100 de las predicciones.

¿Hasta que punto podemos predecir las medias anuales de temperatura global?. Son predecibles solamente de forma limitada, mediante un intervalo de confianza, para una cierta probabilidad. Por ejemplo: la temperatura media de España en 2011 será de 14,7 ºC (±0,5ºC, para un 90% de confianza)


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44.- Una analogía útil: las mareas y las olas.- Una analogía útil: las mareas y las olas


En la Naturaleza hay muchos fenómenos que comparten con el tiempo atmosférico y con el clima la propiedad de predecibilidad limitada.

Ejemplo de comportamiento no predecible a corto plazo (menos de 30 minutos): La evolución del nivel del mar por efecto combinado de las mareas y las olas.

Vamos a emplear este ejemplo simplemente como una analogía para explicar intuitivamente el comportamiento del calentamiento global causado por el efecto de invernadero, y la influencia de otros factores del clima.


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Las mareas se producen fundamentalmente por la atracción gravitatoria de la Luna, y se suceden con una elevada regularidad, debido a la estabilidad a corto plazo (unos meses) de las órbitas de la Luna y de la Tierra.

Regularidad no significa que la frecuencia sea constante, sino que es posible predecir con mucha precisión las horas de bajamar y pleamar.


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Pero la presencia de olas en la superficie del mar es un proceso aleatorio, que depende de los vientos (velocidad, dirección), etc.

En un período de tiempo corto (menos de 30 minutos), los efectos de las mareas y de las olas son de magnitud comparable. Por lo tanto, no se puede determinar si la marea sube, o por el contrario baja, mediante la mera observación del nivel del agua en una playa.


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Calentamiento Global Mareas + olasCalentamiento Global Mareas + olas

Elemento predecible Aumento COElemento predecible Aumento CO22 Marea Marea

Elemento impredecible Resto de factores clima Olas por el vientoElemento impredecible Resto de factores clima Olas por el viento


La analogía que hemos establecido entre el calentamiento global y el sistema marea+olas se caracteriza porque ambos fenómenos contienen un elemento predecible, y uno o más elementos impredecibles.

Es necesario que transcurra un cierto período de tiempo para poder identificar los efectos del aumento de CO2

Debemos evitar el error de intentar deducir la tendencia de evolución de la temperatura basándonos exclusivamente en el aspecto de los gráficos.

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En una playa En una playa cualquiera, ecualquiera, en períodos de tiempo inferiores a 30 minutos, no es posible determinar a simple vista si la marea sube o baja


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Playa de “El Playa de “El Socorro”, (Tenerife).Socorro”, (Tenerife).Día 25-6-09, a las Día 25-6-09, a las 16,15 pm (hora de 16,15 pm (hora de Tenerife).Tenerife).

La pleamar ha sido a las 16,00 aprox., luego la marea está bajando.

En períodos de tiempo inferiores a 30 minutos, no es posible determinar a simple vista si la marea sube o baja


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Playa de “El Socorro”, Playa de “El Socorro”, (Tenerife).(Tenerife).Día 25-6-09, a las Día 25-6-09, a las 16,55 pm (hora de 16,55 pm (hora de Tenerife).Tenerife).

Han transcurrido unos 40 minutos desde la pleamar, y aún se confunde fácilmente el efecto de la marea con el de las olas


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Playa de “El Playa de “El Socorro”, Socorro”, (Tenerife).(Tenerife).Día 25-6-09, a las Día 25-6-09, a las 19,45 pm (hora de 19,45 pm (hora de Tenerife).Tenerife).

El descenso de la marea ha sido ya muy superior a la magnitud del efecto de las olas, y es posible distinguir a simple vista ambos efectos..


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Los trabajos realizados a finales del siglo XIX, especialmente por Poincaré, conducen al desarrollo de la teoría de los sistemas dinámicos.

Ya desde esas fechas se conocía que los factores que intervienen en los sistemas dinámicos pueden presentar interacciones, con dos rasgos especiales:

a) El efecto de una causa no es lineal (el efecto no es proporcional a la causa).

b) La evolución en el tiempo de los efectos es extraordinariamente sensible a las condiciones iniciales. Diferencias extraordinariamente pequeñas en las condiciones de inicio divergen rápidamente y conducen a resultados totalmente diferentes en poco tiempo.

Se considera que los sistemas que tienen estas propiedades, entre otras condiciones, son sistemas caóticos.

Un sistema caótico no es aleatorio, aunque en períodos de tiempo corto lo parezca


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55.- .- Una explicación sencilla de los fenómenos caóticosUna explicación sencilla de los fenómenos caóticos


El sistema es caótico, porque en poco tiempo la trayectoria diverge de forma importante.


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En un sistema dinámico formado por un péndulo suspendido de otro péndulo (péndulo doble) se da una interacción entre ambos péndulos: El estado de movimiento de uno de ellos (y su energía cinética) condiciona el estado de movimiento del otro péndulo.

Se modifican muy ligeramente los puntos de inicio del movimiento, y se produce la divergencia de la trayectoria, a los pocos segundos de evolución.


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Este ejemplo de péndulo doble se puede aplicar, solo como una analogía, para explicar de forma no rigurosa la evolución a lo largo del tiempo de los fenómenos meteorológicos

Los sistemas caóticos no son aleatorios, es decir, su evolución en el tiempo se puede describir mediante expresiones matemáticas más o menos complejas, pero se hacen impredecibles más allá de un cierto período de tiempo.


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Durante los años sesenta, Edward Lorenz aplicó la teoría de los sistemas dinámicos a la meteorología, y demostró que muchas de las interacciones que se dan en los procesos del clima tienen los rasgos que hacen caóticos a los sistemas.

La conclusión es que el tiempo meteorológico constituye un sistema caótico, por lo cual, a pesar de que sus procesos son deterministas (están gobernados por sistemas de ecuaciones), no es predecible más allá de un cierto período de tiempo.


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66.- .- El tiempo evoluciona de forma caóticaEl tiempo evoluciona de forma caótica


El ejemplo que sigue fue desarrollado por Edward Lorenz, basándose en la evolución temporal de la convección atmosférica.

Se basó en las ecuaciones de Navier-Stokes de la dinámica de fluidos, con unos parámetros principales a, b y c que se refieren al gradiente de temperatura entre las caras de la capa en cuestión, y otras características de la convección.

dX/dt = -c(X-Y)dY/dt = aX-Y-XZdZ/dt = b(XY-Z)

Las ecuaciones diferenciales son aparentemente sencillas, pero no son lineales. No existe una solución analítica, y se requieren métodos matemáticos avanzados (Kutta-Runge) para hallar una solución numérica


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El denominado atractor de Lorenz muestra la divergencia que sufre la trayectoria de un sistema, al modificar muy ligeramente las condiciones iniciales (dX0, dY0 y dZ0)


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La evolución futura del tiempo meteorológico depende de forma crítica del conocimiento que se tenga de las condiciones iniciales.

Los errores que podamos cometer en la medida de los parámetros iniciales de temperatura, presión, etc., por más pequeños que sean, generan unas desviaciones exponenciales en cortos períodos de tiempo, que hacen que el tiempo sea imprevisible más allá de unos pocos días.

Por otro lado, los efectos de los procesos del clima no son lineales, y dependen de forma crítica de las interacciones y retroalimentaciones. Por lo tanto, tienen un comportamiento complejo, y su evolución se puede calcular solo con una elevada incertidumbre.

Una consecuencia directa de los anterior: Un suceso climático aislado no se puede asignar con seguridad total a una causa determinada


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La estimación de la evolución futura del tiempo y del clima no se realiza estadísticamente (basada en la historia pasada), sino que se basa en los modelos matemáticos de cálculo de las interacciones y retroalimentaciones.

El tiempo meteorológico tiene un comportamiento caótico, extremadamente sensible a las condiciones iniciales, y por lo tanto no es predecible con exactitud más allá de unos pocos días.

El clima (promedio del tiempo durante períodos largos, 30 años) se ve afectado por las interacciones y retroalimentaciones, que hacen que su comportamiento a largo plazo no se pueda predecir con exactitud.

Por lo tanto, en ambos casos no se pueden obtener conclusiones fiables basándonos exclusivamente en los gráficos de comportamiento a lo largo del tiempo.Hay que recurrir a cálculos


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En la actualidad, los efectos térmicos (aumento de temperatura) son del mismo orden que los efectos de otros factores, tales como por ejemplo, los aerosoles antropogénicos, fenómenos geofísicos tales como “El Niño-la Niña”, etc.

Esto hace que los efectos estén confundidos en un sentido estadístico, y que a corto plazo no sea posible una percepción tangible de las consecuencias del “efecto de invernadero intensificado”

En principio, hay dos formas para separar las consecuencias debidas a los GEI de las debidas a otras causas:- Esperar un período de tiempo muy largo (30-50 años)- Emplear métodos matemáticos de modelización del clima (recordar: interacciones y retroalimentaciones). Los resultados siempre se ofrecen para una cierta probabilidad estadística.

El IPCC sigue el segundo método, y muestra los resultados de estos análisis con frases como “con el 90 % de probabilidad, el aumento de temperatura observado se debe a ……….), debido a las incertidumbres inherentes a los procesos del clima.


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La variabilidad del CLa variabilidad del Cllimaima


Modelo de la transmisión del calor por una tubería de calefacciónModelo de la transmisión del calor por una tubería de calefacción

El calor ha avanzado hasta algunas habitaciones, pero el aumento de El calor ha avanzado hasta algunas habitaciones, pero el aumento de temperatura en el otro extremo es tan bajo, que se confunde con la temperatura en el otro extremo es tan bajo, que se confunde con la temperatura propia de la habitación, que está afectada por las temperatura propia de la habitación, que está afectada por las fluctuaciones propias de todo el edificio.fluctuaciones propias de todo el edificio.

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La variabilidad del CLa variabilidad del Cllimaima


Modelo de la transmisión del calor por una tubería de calefacciónModelo de la transmisión del calor por una tubería de calefacción

Los cambios que se producen aleatoriamente en punto aislados afectan Los cambios que se producen aleatoriamente en punto aislados afectan a la temperatura en el otro extremo, pero no llegan a producir un efecto a la temperatura en el otro extremo, pero no llegan a producir un efecto muy intenso. Podemos decir que el aumento de temperatura es patente, muy intenso. Podemos decir que el aumento de temperatura es patente, porque no hacen falta técnicas matemáticas especiales para detectarloporque no hacen falta técnicas matemáticas especiales para detectarlo

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