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Dióxido de Carbono,
o Forzamiento Solar?

Por Nir J. Shaviv

¿Natural o Antropogénico? ¿Qué mecanismo es
responsable del calentamiento global durante el Siglo 20?

Según la percepción común, la temperatura durante el siglo 20 estuvo ascendiendo y el ascenso es causado en su mayor parte por las actividades humanas, siendo los “gases de invernadero” los factores dominantes. Otras personas, usualmente llamados “escépticos”, desafían esta visión del asunto y en su lugar afirman que las variaciones de temperatura son parte de la variabilidad natural de clima. Como trataré de demos-trar más abajo, la verdad esté probablemente en un punto intermedio, siendo las causas naturales más importantes durante el siglo 20, mientras que las causas antrópicas será probablemente más dominantes durante el próximo siglo. Siguiendo la evidencia empírica que describo abajo, alrededor de 2/3 (un tercio más o menos) el calentamiento debería ser atribuido al aumento de la actividad solar y el resto a las actividades humanas.

Como muchos otros, yo estaba personalmente seguro de que el CO2 era el malo de la historia del calenta-miento global. Pero después de profundizar en las evidencias me di cuenta de que las cosas eran mucho más complicadas que la historia contada por muchos científicos del clima, o regurgitadas por los medios de prensa. De hecho, hay mucho más de lo que el ojo puede ver.

¿Cuál es la evidencia de un efecto antrópico?

La primera cuestión que queremos enfrentar es si existe una evidencia fáctica que nos indique que los gases de invernadero (GDI) son los responsables de la mayor parte del calentamiento. Básicamente, observamos un aumento de la temperatura durante el siglo 20, y hemos medido un crecimiento en los niveles de CO2 y otros gases de GDI antrópicos en la atmósfera ¿Cuál es la evidencia que prueba que el aumento de los GDI es la causa del aumento de la temperatura?

La verdad? No hay una evidencia real para este nexo. La mayoría de las evidencias mencionadas a menudo por los medios, es evidencia de calentamiento global (por ej.: derretimiento de capas de hielo del Ártico). Pero, ¿quién dijo que este calentamiento, -que realmente tuvo lugar durante el siglo 20- es causado por los GDI? En verdad, no hay una evidencia sustancial que demuestre que el CO2 y otros GDI sean la causa primaria del calentamiento, y no algún otro mecanismo. Usted podrá haber visto artículos que dicen lo contrario, que hay una clara evidencia, pero si usted profundiza en ellos, se dará cuenta de que son simples sugestiones para un nexo climático para el CO2 y no una evidencia.

El IPCC escribe acerca de las huellas dactilares de las causas antropogénicas. En particular, su informe declara que (IPCC TAR §12.2.3):

“Modelos diferentes pueden dar patrones muy diferentes de respuesta para los mismos forzamientos, pero un modelo individual puede dar una respuesta sorprendentemente similar para diferentes forzamientos. El primer punto significa que podría ser mucho más difícil distinguir entre la respuesta a los diferentes factores que lo que se podría esperar, dadas las diferencias en forzamientos radiativos.”

En consecuencia, usar modelos para encontrar huellas digitales es difícil. Si uno lee el TAR (Tercer Informe de Evaluación, 2001), en particular el capítulo 12, se hallarán afirmaciones de que el distinto calentamiento entre las latitudes del nortes y el sur, y el calentamiento troposférico versus el estratosférico pueden ser explicados usando a los GDI antrópicos operando junto a los aerosoles sulfurosos, ozono estratosférico y aún el forzamiento solar (irradiancia total). En resumen, la combinación de los factores impulsores pueden hacer un decente trabajo para explicar el calentamiento (IPCC TAR §12.4.3.2).

“En resumen, los estudios de patrón fijo indican que el reciente calentamiento es poco probable (bordeando en muy improbable) a deberse a la variabilidad climática interna. Parece ser necesaria una sustancial respuesta a los gases de invernadero antrópicos para tomar cuenta de las recientes tendencias de la temperatura, pero la mayoría de los estudios indican que los gases de inverna-dero por sí solos no parecen ser capaces de proveer de una explicación com-pleta. La inclusión de la respuesta del efecto directo de los aerosoles de sulfa-tos usualmente conduce a una explicación más satisfactoria de los cambios observados, aunque la amplitud de la señal de sulfatos depende del modelo usado. Estos estudios proveen también alguna evidencia de que las variaciones del Sol pueden haber contribuido al calentamiento temprano del siglo.”

Pero en sí, ello no es una prueba de que los GDI son la causa mayor. Estos resultados consistentes sólo indican que el CO2 puede explicar el calentamiento, y no que sea la única explicación posible. Sin otros “sospechosos”, sería incriminar por medio de evidencias circunstanciales. Sin embargo, existe otro excelente candidato para explicar una gran porción del calentamiento, como lo explicaré más abajo.


Figura 1: Correlación entre el CO2 atosférico y el clima. No, no es prueba de que el CO2 es el principal impulsor del clima, dado que el CO2 puede ser modificado por los cambios de la temperatura. Específicamente, los océanos más cálidos requieren presiones atmosféricas parciales del CO2 más elevadas para contener al gas disuelto en ellos. Por supuesto, algo de la temperatura podría ser el resultado de la amplificación del CO2, pero no hay modo de conocer cuál es esa fracción.

Por supuesto, la bella correlación entre las reconstrucciones del CO2 y la temperatura en la Tierra a lo largo de una escala multi-milenios, como es aparente en la figura, a menudo es usada para demostrar la manera en que el CO2 juega un papel en las grandes variaciones climáticas. Esto a menudo confunde al lego y le hace creer que el CO2 es el impulsor del clima, cuando en realidad podría ser lo contrario, que las temperaturas globales afectan a los niveles de equilibrio del CO2. En realidad podría ser algo entre ambas cosas., que el CO2 es afectado por la temperatura y que, a su vez, cause variaciones más grandes de la temperatura. Pero por sí sola, sin embargo, esta correlación no puede ser usada para cuantificar el efecto del CO2 sobre el clima, que podría estar entre “ningún efecto” y “todo el efecto.” Esto no es prueba alguna de que el CO2 sea la causa principal de las variaciones a lo largo del siglo 20. No existe tal evidencia.

En cuanto a la manera en que yo lo veo, hay dos razones primarias por las que se culpa a los GDI de ser la causa del calentamiento global aún cuando no existe ninguna real evidencia incriminatoria:

  • Basados en la teoría, se espera que el aumento de los GDI aumente a su vez la temperatura global.

  • No hay otro mecanismo para culparlo del calentamiento. Sin otro candidato, el único sospechoso, es decir, los GDI, tienen que ser la causa.

Estas son reclamaciones válidas, excepto que no funcionan para el caso del calentamiento antrópico. Con relación al primer punto, veremos más abajo que hasta la señal de la contribución antrópica es desconocida, y ni hablar de su magnitud.

En cuanto al segundo punto, hay otro buen mecanismo al que culpar: el forzamiento solar indirecto. Este mecanismo puede hacer tan buen trabajo para explicar el calentamiento del siglo 20, si no uno mejor.

El empuje antrópico - ¿Cuánto?

Si queremos evaluar teóricamente la cantidad de contribución del hombre al calentamiento del siglo 20, tenemos que enfrentar dos cuestiones: (a) ¿Cuánto es la contribución humana a cambio del balance de radiación, y (b) ¿En qué medida los cambios del balance de radiación afectan a la temperatura global? Comenzaremos por la contribución humana.

En promedio, cada metro cuadrado de la superficie terrestre recibe un flujo de unos 240 watts. Por supues-to, las regiones ecuatoriales reciben más que las polares, por ello esta cifra del flujo radiativo es un promedio.

El efecto climático de los diferentes procesos globales se cuantifica normalmente con su contribución al cambio neto en el promedio del flujo radiativo. Por ejemplo, la duplicación de niveles de CO2 en la atmós-fera cambia el balance radiativo en unos 4 W/m² (3.8 W/m² para ser más exactos), como si el Sol fuese 4/240*100 = 1.7% más brillante.

El informe científico del Panel Intergubernamental para el Cambio Climático (IPCC) intenta resumir los efectos de todos los factores impulsores. Esto se muestra en el famoso gráfico de forzamientos siguiente:


Figura 2: Contribuciones antrópicas y naturales al forzamiento radiativo neto. La figura es tomada del sitio del IPCC. Si se suman sus cifras, que se supone que tienen el consenso de la comunidad científica, se encuentra uno con un forzamiento antrópico de 0.8 ± 1.3 W/m² (donde los errores fueron agregados en cuadratura, asumiendo independencia). En otras palabras, la enorme incerteza del efecto de los aerosoles implica que se desconoce el signo de la contribución antrópica! Puede ser positivo o negativo.

Hay varios puntos interesantes que uno debería notar. Primero: Existe una enorme incerteza o ignorancia acerca de la contribución humana llamada el “efecto indirecto de los aerosoles”. Este efecto surge del hecho que el aumento de pequeñas partículas en la atmósfera alterarán las características de las nubes. Esto se ve muy bien viento debajo de las chimeneas industriales o en las nubes marinas que toman la forma de la ruta de los barcos. Dado que la formación de las nubes y, en particular, las características de las nubes, no se comprenden muy bien, el efecto indirecto de los aerosoles es altamente incierto. El segundo punto es que forzamiento solar citado por el IPCC es 0.3 w/m2. Esto no incluye el efecto del flujo de rayos cósmicos modulados por el viento solar, que tiene amplia evidencia que la apoya, y ninguna verdadera evidencia que la refute. Si se incluyen los efectos de los rayos cósmicos, se debe añadir un extra 1 W/m2 causado por el aumento de la actividad solar –que reduce el flujo de rayos cósmicos que llegan hasta la Tierra, causando una reducción en la nubosidad que enfría al planeta. Esto se explica más bajo.

De manera evidente, no sabemos el total de la contribución humana. No conocemos su signo. Tampoco conocemos su magnitud. Todo lo que podemos decir es que debería estar entre -1 a +2 W/m2. Suena extraño, pero muy bien podríamos haber estado enfriando a la Tierra (aunque es menos probable que calentándola). Es por esa causa que en la década de los 70 se surgieron preocupaciones acerca de que la humanidad estaba enfriando a la temperatura global. La temperatura global parecía estar cayendo ente los 40 los 70, y algunos pensaron que los aerosoles antrópicos podrían ser la causa del observado enfriamiento global. Y que podríamos estar gatillando una nueva edad de hielo. (ver Wikipedia para un resumen).

Sensibilidad climática

Luego, si queremos traducir la contribución humana al balance radiativo (suponiendo que en realidad lo conocemos!) a un cambio de la temperatura, necesitamos conocer la sensibilidad climática global. Es decir, necesitamos saber el cambio en º C asociados con el forzamiento radiativo de 1 W/m2. También puede ser cuantificado con T x 2 que es el aumento de la temperatura asociado con una duplicación del CO2, por ejemplo, un cambio de 3,8 W/m2 en el balance radiativo. Si la tierra se comportase como un real cuerpo negro, su sensibilidad sería λ ¿0,3º C/W/m2), o T x 2 ¿ T x 2 ¿1,2º C. Sin embargo, la sensibilidad de la Tierra no necesariamente se comporta como un cuerpo negro ideal.

La razón es que a medida de que la temperatura cambia, también cambian otras variables que afectan al cambio de la temperatura. Por ejemplo, aumentando el balance radiativo, aumenta la temperatura. Esto aumentará la cantidad del vapor de agua en la atmósfera. Sin embargo, el vapor de agua es un gran GDI. De modo que esto tenderá a aumentar la temperatura un poco más, dando origen a una realimentación positiva, que aumenta la sensibilidad. Por el otro lado, las mayores cantidades de vapor de agua en la atmósfera implican una mayor cobertura nubosa. Ya que las nubes tienen una tendencia neta a enfriar, esto contrarrestará al aumento de la temperatura, dando origen a una realimentación negativa que disminuye la sensibilidad. Un termostato perfecto.

El problema con las simulaciones numéricas del clima es que las realimentaciones, especialmente las que se relacionan con la cobertura nubosa, son muy pobremente comprendidas. Como resultado, cualquier valor en el rango de Tx2?1.5-4.5°C se cree que es posible de acuerdo con el IPCC. En otras palabras, basados en la teoría, (en realidad, en las simulaciones numéricas del clima), el cambio de temperatura asociado con una duplicación del CO2 es desconocido por un factor de 3!

Entonces, ¿puede ser incriminado el CO2?

Evidentemente –según los científicos del Informe del IPCC, es decir, los que apoyan a Kioto.

  • No está claro la magnitud de la actual contribución humana al cambio de balance radiativo (otra vez: ni siquiera se conoce el signo de la variable que representa la contribución humana).

  • Aún si el forzamiento radiativo humano fuese conocido mejor, es teóricamente nada claro en cuánto la temperatura debería haber variado como respuesta.

Para obtener el cambio de temperatura debido a la actividad humana, se tienen que multiplicar estas cifras. Obviamente, la teoría no puede decirnos cuánto calentamiento global deberíamos haber presenciado, y cuánto deberíamos ver en el futuro. Está usted más que bienvenido para comprobar estos números en el Informe del IPCC, y darse cuenta de que esta es una conclusión inevitable.

Claramente, la incriminación del CO2 (y otros gases de invernadero) se debe primariamente a que espera-mos que caliente la atmósfera (ver Figura 4), y vemos calentamiento (ver Figura 3), pero resulta que hay otros sospechosos en el crimen.


Figura 3: El calentamiento global en el Siglo 20. La mitad del aumento ocurrió al comienzo del siglo pasado, mucho antes de que la influencia humana tuviese lugar. ¿Es este calentamiento antrópico o natural? (fuente de la imagen: Wikipedia).


Figura 4: El Dióxido de Carbono en la atmósfera. Lo mismo que la temperatura, aumentó durante el siglo 20. Dado que esperamos que teóricamente el gas caliente, a menudo es incriminado como el mayor culpable del calentamiento global. Pero no existe una evidencia directa que pruebe que es calentador primario y no otro mecanismo. (fuente de la imagen: Wikipedia).

Como una explicación alternativa al calentamiento global, o por lo menos parte de él, la actividad solar parece afectar al clima. Esto se pude ver a partir de mucha y diferentes correlaciones entre la actividad solar por un lado, y el clima por el otro. Estas correlaciones existen en escalas que varían de 100 años del ciclo solar y varios milenios (para los dos correlaciones más hermosas, ver Neff et al, y Bonf et al, en las referencias al final). Tal nexo es potencialmente importante para el calentamiento global puesto que durante el siglo 20 la actividad solar estuvo aumentando.

A causa de que las variaciones climáticas correlacionadas con la actividad solar son grandes, pero las variaciones de la irradiancia solar total son relativamente pequeñas (unos pocos 0,1%), estas últimas no son muy probables que expliquen la variabilidad del clima. En su lugar, se han sugerido diferentes mecanismos de amplificación que pueden amplificar los componentes no térmicos del sol (UV, rayos-X, viento solar) y que pueden variar de modo considerable entre un sol activo y uno quieto.

El principal mecanismo para explicar la gran variabilidad climática inducida por el sol es a través de la modulación de los rayos cósmicos por el viento solar, que afecta al clima a través de la modulación de la ionización atmosférica. Durante la década pasada, muchas piezas de evidencia diferentes se unieron para dar una imagen muy coherente.

La actividad del sol se manifiesta de muchas maneras. Una de ellas es a través del variable viento solar. Este flujo de enérgicas partículas y campos magnéticos fluyen del sol y actúan sobre el flujo de partículas más energéticas, los rayos cósmicos, que proviene de fuera del sistema solar. En concreto, un sol más activo son un viento solar más fuerte, atenuarán el flujo de rayos cósmicos que llegan hasta la Tierra. El punto clave en esta imagen es que los rayos cósmicos son el principal mecanismo físico que controla la ionización de la troposfera (los últimos 10 km de su parte inferior).

De tal manera un sol más activo reducirá el flujo de rayos cósmicos, y con ello la ionización de la troposfe-ra. Como resulta ser, esta cantidad de ionización afecta a la formación de núcleos de condensación reque-ridos para la formación de las nubes en el límpido ambiente marino. Un sol más activo, por consiguiente, inhibirá la formación de núcleos de condensación, y la reducción resultante de las nubes marinas de baja altura tendrán gotas más grandes que son menos blancas y tienen menos vida, pro consiguiente calentando a la Tierra.

Hoy existe amplia evidencia que apoya esta imagen (una sucinta introducción se puede hallar aquí). Por ejemplo, se descubrió que las variaciones del flujo de rayos cósmicos inducidas de manera independiente por factores galácticos, que no tienen nada que ver con la actividad solar, efectivamente afectan al clima como se debería de ese nexo. Hay muchos más ejemplos. Estos resultados experimentales publicados recientemente respaldan fuertemente la validez de esta relación, tal como se esperaba.)

¿Por qué es tan importante este nexo con el calentamiento global? Como se mencionó antes, la actividad solar se estuvo incrementando durante el siglo 20. Esto se ve claramente en la Figura 5. Por ende, espera-mos ver una reducción del flujo de rayos cósmicos. Además, dado que el flujo de rayos cósmicos en reali-dad tuvo un ligero aumento entre las décadas de 1940 y 1970 (como se puede ver en la información de la cámara de iones de la figura 6), este mecanismo, también explica naturalmente la disminución de la temperatura global que ocurrió durante el mismo período.

Usando las variaciones históricas del clima y del flujo de rayos cósmicos, se puede cuantificar empíricamen-te la relación entre las variaciones de los rayos cósmicos y los cambios de la temperatura media global, y estimar la contribución del sol al calentamiento del siglo 20. Esta contribución es del orden de 0.5±0.2°C de los 0.6±0.2°C observados en el calentamiento global. (Shaviv, 2005).


Figura 5: La actividad solar durante los últimos cientos de años se puede reconstruir usando diferentes proxys. Estas reconstrucciones demuestran que la actividad del siglo 20 no tiene paralelo a lo largo de los últimos 600 años. Anteriores elevada actividad solar ocurren alrede-dor de hace 1000 y 8000 años atrás. (fuente del gráfico: Wikipedia)

Específicamente, vemos manchas de sol y el isótopo 10Be. Este último se forma en la atmósfera por rayos cósmicos de ~1GeV, que son modulados por el viento solar (más viento solar à menos rayos cósmicos à menos producción de 10Be). Nótese que ambos proxys no capturan la disminución en los rayos cósmicos de alta energía que ocurrió desde la década del 70, pero que la información de la cámara de iones sí lo hace (ver Figura 6).


Figura 6: El flujo de rayos cósmicos que llegan al Tierra, medida por la cámara de iones. Línea roja: promedios anuales, Línea azul: promedio móvil de 100 años. Nótese que las cámaras de iones son sensibles a partículas a relativamente elevada energía (varias decenas de GeV, que es mucho más alta que las energías responsables de la producción del 10Be [~1 GeV ]). Ploteo rediseñado usando datos de Ahluwailia (1997).

Además, la disminución de los rayos cósmicos de alta energía desde los 70 es menos pronunciada en los proxys de baja energía de la actividad solar, implicando que los isótopos comsmogénicos (como el 10Be) o los proxys directos de la actividad solar (por ej.; manchas de sol, índice aa, etc) son menos precisos para la cuantificación del nexo entre los rayos cósmicos y actividad solar y su contribución al calentamiento del siglo 20.

Más material de lectura

  1. Una corta exposición acerca de la evidencia de los rayos cósmicos y el clima se puede hallar en este artículo no técnico. En poco tiempo más, un resumen de la evidencia que apunta al nexo entre los rayos cósmicos y el clima aparecerá publicado en este sitio web.

  2. Más sobre la determinación empírica de la sensibilidad climática de la Tierra y, en particular, el rol de los rayos cósmicos se puede hallar aquí. (Algo técnico).

  3. El mejor ejemplo de las variaciones del clima inducidas por los rayos cósmicos, que no están relacionadas con la actividad solar, son los pasajes del sistema solar a través de los brazos en espiral de la Vía Láctea y la clara señal paleoclimática observada.

Notas y Referencias

  1. Toda la información sobre la evidencia del calentamiento global, acerca de los impulsores antrópicos del clima, y acerca de los modelos numéricos se pueden encontrar en los informes del IPCC. Sus informes no incluyen los estudios que contradicen lo relacionado con el forzamiento solar.

  2. Quizás la correlación más hermosa entre la actividad solar y los proxys climáticos se pueden hallar en el trabajo de U. Neff et al., “Fuerte correlación entre la variabilidad solar y el monzón en Omán entre 9 y 6 kaños atrás.” Nature 411, 290 (2001).

  3. Otra hermosa correlación entre la actividad solar y el clima se puede ver en el trabajo de G. Bond et al., “Persistente Influencia solar en el Clima del Atlántico Norte Durante el Holocen,” Science, 294, 2130-2138, (2001).

  4. El análisis detallado detrás de la determinación empírica de la sensibilidad climática de la tierra, y en particular el rol de los rayos cósmicos, se puede hallar en Shaviv N., “Sobre Respuesta Climática a Cambios en el flujo de Rayos Cósmicos y el Balance Radiativo,” JGR-Space, vol. 110, A08105, 2005, (PDF).


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