Una explicación de la disminución de la diferencia de temperatura del ecuador a los polos (EPTD) durante los climas ecuables examina la influencia de las nubes estratosféricas polares (PSCS) en la radiación de onda larga que sale de la Tierra en las latitudes altas y, como resultado,en las temperaturas cercanas a los polos. En contraste con las teorías que explican formas de transportar más carne a los polos, este concepto se centra en atrapar el calor en las latitudes altas.
Las nubes pueden formarse en la estratosfera polar durante la noche polar. (Foto de Lamont Poole)
Como punto de partida, un hecho importante a tener en cuenta es que las latitudes altas reciben la mayor cantidad de radiación solar del mundo durante el verano. Esta gran cantidad de radiación puede elevar sustancialmente las temperaturas polares, por lo que un mecanismo de calentamiento polar solo necesita aumentar las temperaturas durante el invierno para explicar climas ecuánimes. Este hecho hace que las PSC sean una explicación plausible para climas ecuánimes. Las PSC son nubes que se forman cuando el vapor de agua entra en la estratosfera y cuando las temperaturas son lo suficientemente frías como para que el agua se condense allí. Durante el invierno, las latitudes altas reciben muy poca o ninguna radiación solar, por lo que las temperaturas caen significativamente durante este período, conocido como noche polar. En estas condiciones, las ESP pueden desarrollarse. Atrapan la radiación de onda larga saliente (OLR) y emiten parte de ella hacia la superficie de la Tierra, por lo que dificultan el enfriamiento atmosférico. Las PSC actualmente son relativamente poco comunes; sin embargo, bajo diferentes condiciones atmosféricas que permitirían que más vapor de agua ingresara a la estratosfera, las PSC podrían desarrollarse con más frecuencia. Este cambio causaría calentamiento en las latitudes altas, ya que la radiación de onda larga no podría escapar de la atmósfera de la Tierra con tanta facilidad.
Los tejidos con alto contenido de leche reciben la mayor cantidad de radiación solar en el verano (Pidwirny, 2006)
La idea de que las PSC podrían haber causado los climas ecuánimes apareció en 1992 cuando Sloan et al. presentó la idea de que los niveles más altos de metano en la atmósfera durante el Eoceno podrían haber causado un aumento sustancial de la frecuencia y el grosor óptico de las ESP. De acuerdo con el artículo, este desarrollo habría causado que las regiones polares se calentaran y podría haber creado un clima estable durante el Eoceno y el Cretácico. Los autores basaron su argumento en el hecho de que durante el Paleoceno y el Eoceno existían grandes cantidades de humedales, que son fuentes de metano, que en la actualidad. Afirman que el » área de humedales posible en el Paleoceno-Eoceno habría sido de al menos 5, 6×106 km2, en comparación con 2×106 km2 en la actualidad. Por lo tanto, durante el Paleoceno-Eoceno, existiría el potencial de triplicar la producción moderna de metano solo de los ecosistemas de humedales» (Sloan et al., 1992). Si bien estas cifras son solo estimaciones, una cantidad de humedales del Paleoceno-Eoceno cercana a esta escala podría haber tenido un impacto significativo en el medio ambiente al producir grandes cantidades de metano. El metano se oxida para formar vapor de agua en la atmósfera, por lo que la cantidad de vapor de agua que ingresa a la estratosfera habría aumentado si la cantidad de metano en la atmósfera hubiera sido mayor. Como resultado del vapor de agua más estratosférico, las PSCS habrían podido formarse con más frecuencia y habrían sido ópticamente más gruesas. Las PSC más gruesas atrapan más radiación de onda larga, por lo que el desarrollo de PSC más gruesas ópticamente habría calentado las latitudes altas sin influir en las latitudes bajas.
Para probar esta hipótesis, Sloan y Pollard crearon en 1998 un experimento para examinar la influencia de las PSCS en las latitudes altas. Realizaron un experimento modelo con dos situaciones diferentes. El primer escenario no tenía PSC, mientras que el segundo caso tenía PSC. De lo contrario, las carreras eran las mismas y tenían condiciones establecidas para una Tierra similar al Eoceno, y tenían niveles de dióxido de carbono de 560 ppm y niveles de metano de 0.700 ppm. Sloan y Pollard prescribieron las PSC para que solo existieran durante la mitad del invierno del año por encima de los 66,5 ° de latitud, donde las temperaturas serían lo suficientemente frías para que se formaran las PSC. El experimento reveló que las ESP podían calentar las latitudes altas hasta 20°C más de lo que si no estaban presentes y que las ESP impedían que el hielo marino se desarrollara durante el invierno, por lo que los niveles de hielo marino disminuyeron significativamente en el caso de las ESP (Sloan y Pollard, 1998). A pesar de estos resultados, el experimento con PSCS aún producía temperaturas demasiado bajas en comparación con los datos indirectos del Paleoceno-Eoceno.
(Sloan y Pollard, 1998)
Además, este estudio solo investigó la influencia de las ESP en el clima y no examinó los efectos de los altos niveles de gases de efecto invernadero y las ESP en conjunto. Por lo tanto, Peters y Sloan presentaron en 2000 otro documento que investigaba el impacto de grandes cantidades de gases de efecto invernadero combinados con las PSC. En este estudio, realizaron dos experimentos modelo, al igual que Sloan y Pollard. Ambos escenarios tenían niveles de dióxido de carbono fijados en 560 ppm, que es 2 veces el nivel preindustrial. La primera situación, ECONTROL, tenía una concentración atmosférica de metano de 0,700 ppm, la cantidad preindustrial, y no tenía ninguna PSC. En el segundo caso, llamado PCLOUD, los niveles de metano fueron de 10 ppm, lo que es 14 veces la cantidad de niveles preindustriales, y se prescribieron PSCS como en el estudio Sloan y Pollard. Los resultados mostraron un aumento de la temperatura media anual (MAT)promediado globalmente de 3,4°C, y las MAT en PCLOUD fueron más cálidas que ECONTROL en 12°C en el Hemisferio Norte y en 9°C en el Hemisferio Sur. Sin embargo, en los trópicos, las esteras de PCLOUD solo eran más cálidas que las de ECONL en 2°C. Además, la temperatura media del mes frío aumentó en 25°C en el hemisferio Norte y en 18°C en el Hemisferio Sur. Como resultado, el estudio muestra que los efectos combinados de las ESP y los niveles más altos de gases de efecto invernadero podrían elevar las temperaturas polares sin afectar sustancialmente a los trópicos. Específicamente, revela el impacto de más metano y más PSC en el clima y demuestra que estos dos factores podrían haber causado climas ecuánimes.
(Peters y Sloan, 2000)
Aunque el estudio produjo resultados que apoyan la idea de que concentraciones más altas de metano y más PSC podrían haber causado climas ecuánimes, hay dos problemas principales con esta idea. En primer lugar, en la atmósfera moderna, el metano tiene una vida útil de aproximadamente 7 años, mientras que el calor polar del Eoceno existió durante aproximadamente 10 millones de años (Kirk-Davidoff, Schrag y Anderson, 2002). Este hecho hace que parezca poco probable que el metano haya persistido lo suficiente como para haber causado un clima estable. Incluso si la vida útil del metano aumentó durante el Eoceno, es dudoso que los niveles de metano se mantuvieran en las concentraciones sugeridas en el estudio de Peters y Sloan durante toda la duración del Eoceno. Además, Peters y Sloan no separan los impactos del metano de los de las PCS. Supone que las concentraciones de metano y la cantidad de partículas están directamente correlacionadas y no examina si se forman más partículas debido al metano. Por lo tanto, no se puede estar seguro de que represente con precisión la dinámica atmosférica. Al igual que en el escenario del estudio Sloan y Pollard, es posible que solo se necesiten niveles más altos de dióxido de carbono para causar más PSC y un clima estable. Como resultado, el metano puede no ser tan importante para la creación de Psc y de uniforme de climas como Sloan et al. originalmente postulado.
Siguiendo esta línea de pensamiento, David B. Kirk-Davidoff, Daniel P. Schrag, y James G. Anderson decidió investigar la importancia del dióxido de carbono en la formación de PSC y argumentó que solo los niveles más altos de dióxido de carbono son necesarios para causar climas ecuánimes (2002). En una forma simplificada, afirman que las concentraciones más altas de gases de efecto invernadero redujeron la cantidad de hielo en las latitudes altas, y este cambio redujo el EPTD. Cuando el EPTD disminuyó, la energía de las ondas, propagándose a la estratosfera desde la troposfera, también disminuyó, por lo que la circulación de vuelco estratosférico se desaceleró. Por lo tanto, la estratosfera tropical se calentó mientras que la estratosfera polar se enfrió porque la circulación no dispersó tanto calor. Como resultado, las PSC podrían formarse y hacer que los polos se calentaran aún más.
Sumergiéndose en más profundidad, la teoría comienza con la idea de que la concentración de dióxido de carbono aumentó durante el Eoceno. Debido a que el dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero, los niveles más altos de dióxido de carbono fortalecieron la capacidad de la atmósfera para transmitir la radiación de ondas largas que emite la Tierra. Por lo tanto, el calor no pudo escapar de la atmósfera de la Tierra, así que con el tiempo, la Tierra se calentó. Este cambio causó que el hielo en las latitudes altas se derritiera, por lo que el albedo en las latitudes altas disminuyó. El albedo es la reflectividad de una superficie, y las superficies de colores más claros tienen albedos más altos porque reflejan más superficies claras que oscuras. Por lo tanto, cuando el hielo se derritió en las latitudes altas, el océano y los continentes reflejaron menos luz que el hielo que los cubría previamente. Como resultado, las regiones polares absorbieron más radiación solar y, en consecuencia, se calentaron más. Sin embargo, los trópicos no experimentaron cambios importantes en el albedo, por lo que solo los niveles de dióxido de carbono afectaron a la región. Solo tener niveles más altos de dióxido de carbono habría aumentado las temperaturas globales por igual en todas las latitudes, pero el efecto adicional de la retroalimentación de albedo de hielo en las latitudes altas habría aumentado las temperaturas más allí. Este hecho explica por qué los niveles más altos de gases de efecto invernadero podrían haber causado un EPTD más bajo.
Debido a que tiene un alto albedo, el hielo refleja la mayor parte de la radiación solar que llega a las latitudes altas. (Imagen de la NASA)
La teoría entonces hace la suposición de que la disminución en el EPTD causó que» la energía de la gravedad y las ondas planetarias que se propagan desde la troposfera hacia la estratosfera se reduzcan » (Kirk-Davidoff, Schrag, and Anderson, 2002). Esta idea se deriva del hecho de que las tormentas en las latitudes medias se forman debido al gradiente de temperatura del meridionaly que estas tormentas crean ondas en la troposfera. Si el gradiente de temperatura disminuía, se desarrollarían menos tormentas porque la atmósfera estaría en un estado más estable, y como resultado, se formarían menos olas menos intensas. Por lo tanto, un EPTD más bajo habría causado una reducción en la cantidad de energía que entraba en la estratosfera. Este concepto no es descabellado como algunos estudios (Lindzen y Farrell, 1980; Rind, 1998; Shindell et al. 1998; y Fusco y Salby, 1999) apoyan la idea de que bajo una disminución del EPTD, la actividad y propagación de las ondas atmosféricas disminuye. Suponiendo que un EPTD más pequeño tenga este efecto, esta caída en la energía de las olas habría disminuido el impulso transferido a la estratosfera por estas ondas.
Esta reducción en el impulso habría alterado la velocidad de vuelco estratosférico porque este impulso impulsa la circulación Brewer-Dobson, la circulación de vuelco en la estratosfera. La circulación Brewer-Dobson se caracteriza por el aumento de aire caliente en las latitudes bajas y el hundimiento de aire frío en las latitudes altas. Debido a que el impulso de las ondas planetarias y de gravedad impulsa la circulación, si el impulso transferido a la estratosfera hubiera disminuido, la circulación se habría ralentizado. Por lo tanto, las latitudes bajas se habrían vuelto más calientes, mientras que las latitudes altas se habrían enfriado.
Generalmente, la parte superior de la troposfera es demasiado fría para permitir que el vapor de agua entre en la estratosfera. Las nubes típicamente se elevan en la troposfera debido a la convección, pero en un punto determinado, la atmósfera se vuelve demasiado fría para que las nubes se eleven más porque todo el vapor de agua en ellas se precipita. Este punto generalmente ocurre en la parte superior de la troposfera, por lo que muy poco vapor de agua ingresa a la estratosfera. Sin embargo, si la circulación de vuelco se desaceleró y si la estratosfera de baja latitud se calentó hasta la tropopausa, la parte superior de la troposfera podría haberse calentado lo suficiente como para permitir que la cantidad de vaporización de agua de la estratosfera aumentara. Este vapor de agua entonces se habría transportado a las latitudes altas, y las PSC habrían podido formarse con más frecuencia y habrían sido ópticamente más gruesas.
A medida que las PSC se desarrollaban en estas condiciones, la ventana a través de la cual la radiación de onda larga podría haber escapado de la atmósfera habría disminuido, y la atmósfera de alta latitud se habría calentado. Según Kirk-Davidoff, Schrag, andAnderson, el calentamiento debido a las PSC en el caso de las condiciones del Eoceno de su modelo es de 15 W/m2 en los polos, y el calentamiento en las regiones polares debido a las PSC es de 7 K. Estos resultados revelan que las PSC podrían haber tenido un impacto significativo en las temperaturas de latitudes altas. Como resultado, la teoría proporciona una explicación razonable de por qué los polos se habrían calentado durante los climas ecuánimes.
