Contenido de la página: Objeto de criticas recurrentes, la modelización es el eje de la climatología La modelízación ha progresado más debido al aumento de la potencia informática que a nuevos conocimientos físicos Pese a las incertidumbres propias del sistema cismático, la capacidad de predicción de este sistema ha aumentado considerablemente. Las dificultades que se presentan en los modelos traducen simplemente la increíble complejidad del medio natural Pequeña historia de la modelización del clima

De "MUNDO CIENTIFICO" n. 181 Julio/Agosto 1997 Artículo de Hervé Le Treut (Director de Investigación en el Laboratorio de Meteorología Dinámica del CNRS)

 "Objeto de criticas recurrentes, la modelización es el eje de la climatología"

 Se siguen haciendo oír voces discordantes sobre el tema del calentamiento del planeta. Periódicamente se cuestiona la credibilidad de los modelos numéricos sobre los que se edifican los escenarios.

¿Cómo es entonces que ningún modelo serio predice un enfriamiento, ni siquiera un mantenimiento de la situación?. Esto se debe a que los focos de incertidumbre, que son numerosos, están bien identificados y no invalidan la calidad creciente de la experiencia acumulada. Las mallas de la red numérica se estrechan alrededor de la Tierra.

El aumento entrópico de los gases de efecto invernadero en la atmósfera, susceptible de provocar un calentamiento del planeta de varios grados en el próximo siglo, constituye un riesgo que ya nadie ignora. Sin embargo la complejidad del problema científico planteado, conjugado sin duda con la importancia de las medidas económicas y políticas que sería o será necesario adoptar para estabilizar la composición química de nuestra atmósfera, llevan periódicamente a cuestionar la realidad de este problema. Aunque. el aumento atmosférico de los gases de efecto - invernadero es un hecho probado, innegable, y que todo hace pensar que continuará, algunas dudas se centran en el impacto real de este aumento. En efecto, pese al consenso, muy amplio de, la comunidad científica y pese a la acción que se empieza a emprender a nivel político, recurrentemente se hacen oír voces discordantes, que van desde algunos científicos hasta militantes ecologistas sin duda más sensibles a los peligros de la energía nuclear que a los del cambio climático, pasando por industriales que se sienten amenazados, como los de las minas y el petróleo en Estados Unidos.(1) Los modelos numéricos, que constituyen las principales herramientas en las que se basan los científicos para evaluar estos efectos, son entonces el blanco de. críticas que intentan demostrar que sus resultados son inciertos y que se tienen que considerar con circunspección, si no ignorarlos puramente.

La respuesta de los científico s a estos ataques -que. plantean unas cuestiones. muy legítimas- parece a veces torpe o poco afortunada. De hecho, sería vano negar que en 1a respuesta de los modelos numéricos hay. una parte de incertidumbre que; por ejemplo, impide hasta ahora precisar la amplitud y la localizaci6ry dé los riesgos futuros. Sin embargo pese a esta incertidumbre perfectamente admisible, los científicos han manifestado de manera casi unánime: que el problema. del. efecto invernadero es real y que requiere la atención de todos.. Para explicar esta aparente contradicción, es importante recordar primero en qué consisten estos modelos climáticos, que conjugan una gran complejidad y puntos débiles importantes.

La puesta a punto de los modelos constituye en realidad, un intento de crear un pequeño planeta numérico, lo más parecido posible a nuestro verdadero planeta, pero en el que es más fácil o más rápido realizar diversos experimentos. La componente, atmosférica de estos modelos, por ejemplo, calculada en los nudos de, una malla todavía ancha (algunos centenares de kilómetros),. incluye la evolución de parámetros como el viento, la temperatura, la humedad, las nubes y las precipitaciones -por no citar más que las variables principales-. La componente oceánica realiza cálculos similares en una malla a menudo más fina. La física en la que se basan estos cálculos es una física básica y comprobada. Permite describir dos grandes categorías de procesos: los intercambios de energía, en particular en forma de radiación electromagnética, entre la Tierra, el océano, la atmósfera y el espacio;- y la dinámica de las circulaciones atmosférica y oceánica. En el primer caso, se trata en primer lugar de describir cómo se compensa la energía recibida del Sol con una, energía emitida por el sistema Tierra-océano-atmósfera. La temperatura de la superficie del Sol es de unos 6.000 ºC y la longitud de onda de la radiación solar se extiende del ultravioleta al infrarrojo próximo, es decir de unos 0,3 a unos 5 micrómetros. El valor de la insolación en la parte superior de la atmósfera (aproximadamente 1.370 W/m²) se ha estimado desde el siglo pasado a partir de observaciones en altura,. y actualmente se mide por satélite. Esta energía solar no es absorbida en su totalidad por la Tierra: alrededor del. 30 % se refleja al espacio, un 50 % atraviesa la atmósfera y calienta el suelo y los océanos, y un 20 % calienta, directamente la atmósfera. Para devolver al espacio la energía que recibe del Sol, la Tierra emite a su vez una radiación electromagnética, en la zona del infrarrojo, es decir en un intervalo espectral que va de 5 a 100 micrómetros. La emisión proviene de la superficie del planeta,. pero también de algunos gases minoritarios de la atmósfera -llamados gases de efecto invernadero y de las nubes.

El estudio de la transferencia radiactiva en la atmósfera constituye un problema físico que se domina bastante bien, aunque subsistan incertidumbres -por ejemplo en presencia de nubes de geometrías complejas--. En los modelos, el cálculo de las ecuaciones de transferencia radiactiva se hace por medio de sistemas de ecuaciones simplificadas, que a su vez se basan en cálculos detallados que tienen en cuenta todas las rayas espectrales de los diferentes componentes de la atmósfera. Estas ecuaciones también desempeñan un papel central en la observación del planeta por satélite, y por lo tanto también se verifican en este marco.

La segunda clase de procesos descrita explícitamente por los modelos concierne a la circulación a gran escala de la atmósfera y del océano, que resulta en especial de la rotación del planeta. Se basa en las ecuaciones de la dinámica de fluidos y en particular en las ecuaciones de Navier-Stokes, que describen la aceleración de un elemento de fluido sometido a acciones diversas, internas y externas. Estas ecuaciones se discretizan en los nudos de la malla que cubre el conjunto del Globo, es decir se resuelven en cada uno de los miles de puntos de la malla. El hecho de que en un decenio las predicciones meteorológicas, que se basan en modelos muy parecidos, hayan podido doblar el tiempo de validez de las previsiones, pasando de unos dos a unos cuatro días, constituye la mejor prueba de la adecuación de estas ecuaciones para la descripción de la circulación atmosférica y oceánica a gran escala.

La modelízación ha progresado más debido al aumento de la potencia informática que a nuevos conocimientos físicos

Estas ecuaciones se conocen desde hace mucho tiempo pero, como no son lineales, mezclan las escalas de tiempo y de espacio y no se pueden resolver analíticamente. Por lo tanto es indispensable recurrir al ordenador, y esto no ha sido posible hasta hace bastante poco. En este sentido, los progresos considerables de la modelización del clima en los dos últimos decenios son menos el reflejo de nuevos conocimientos físicos que el de un aumento extraordinario de la potencia de cálculo. Así, nuestro laboratorio todavía utilizaba.en.1982 una máquina CDC (Control Data) del. Centro Nacional de Estudios Espaciales con la que una simulación de. un. mes de evolución de la circulación atmosférica requería más de treinta horas de cálculo. A igualdad de resolución, la misma simulación requiere actualmente unos quince minutos de tiempo de cálculo en un Cray 90.

En definitiva, disponernos de modelos que tienen una sólida base física. Estos modelos concentran una experiencia considerable, que sin embargo hay que saber utilizar e interpretar teniendo presentes las limitaciones y las incertidumbres que detallaremos a continuación.

Se pueden distinguir tres familias de problemas. La primera es intrínseca al sistema climático mismo: sencillamente no es un sistema enteramente previsible. Esto es cierto para la componente atmosférica misma: a una escala de unos diez días, ya no se puede prever la evolución meteorológica,. debido a que el carácter inestable de la circulación ha hecho que cualquier pequeño error inicial repercuta en el conjunto del Globo. Se trata del efecto bien conocido, descubierto por Edward Lorenz en 1963 y popularizado con el nombre de efecto alas de mariposa: expresa el hecho de que cualquier perturbación, por mínima que sea, modifica irreversiblemente la historia de la atmósfera. Pero esto no significa que no se pueda obtener ninguna información sobre la evolución del clima. Varios procesos guían los movimientos de la atmósfera y organizan su comportamiento. El más conocido es el ritmo de las estaciones. pero existen otros. El océano, en efecto, organiza la evolución lenta del clima ya que su inercia es mayor que la de la atmósfera, y su comportamiento resulta previsible durante periodos más largos. 

Pese a las incertidumbres propias del sistema cismático, la capacidad de predicción de este sistema ha aumentado considerablemente.

El aumento de los gases de efecto invernadero también podría constituir un ejemplo de los procesos que guian y modifican las fluctuaciones de nuestro medio ambiente. Esta variabilidad intrínseca del comportamiento de la atmósfera afecta a la manera en que se realizan los experimentos numéricos: menos que un intento de predicción, se trata de hacer que nuestro pequeño planeta numérico tenga el mismo aumento de gases de efecto invernadero que empieza a afectar al planeta real, y continuando y repitiendo el experimento durante un tiempo suficientemente largo, lograr establecer una estadística de los efectos inducidos. Esta misma variabilidad impone la prudencia en la interpretación de los cambios climáticos más recientes, que se intentan utilizar como un soporte o por el contrario como un desmentido del papel de los gases de efecto invernadero. Así, es difícil demostrar que éstos hayan provocado el calentamiento de una fracción de grado observado en los últimos decenios.

La posibilidad de que este calentamiento observado sea el resultado de una fluctuación natural más que de una acción humana no se puede descartar estadísticamente, ya que no conocemos bien las fluctuaciones naturales a escala de algunos decenios. Pero recíprocamente, podría resultar desastroso traducir esta incapacidad de demostrar las cosas en la afirmación de que no pasa nada.

La variabilidad. interna de, nuestro sistema climático es tan grande que el día en que lleguemos a estar en condiciones de dar una demostración estadística de la realidad del cambio climático, la amplitud de éste será ya considerable. Una segunda fuente de incertidumbres corresponde a las simplificaciones inevitables introducidas en la construcción de los modelos. La dificultad de la representación de las nubes constituye un ejemplo de ello: las nubes son generadas por movimientos del aire a pequeña escala, que van de algunos centenares de metros a algunos kilómetros, unos movimientos que es impensable representar de manera explícita en los modelos; pero son la sede de un intenso desprendimiento de calor latente, resultado de la condensación del agua, y perturban la radiación solar y la radiación infrarrojo de una forma que depende fuertemente del tamaño de las gotas de agua y de los cristales de hielo. Ante tanta complejidad -y se podrían dar otros ejemplos relativos a los hielos del mar, a la vegetación y a la hidrología continental- la modelización es necesariamente simplificadora.

Los realizadores de los modelos asumen esta simplificación, de la que resulta una incertidumbre cuya importancia se puede estimar comparando los rendimientos de los modelos que se han puesto a punto de manera independiente en diferentes institutos de todo el mundo. Los resultados de estos modelos en respuesta - a una duplicación del CO₂ atmosférico, por ejemplo, se sitúan en una horquilla que va de. 1,5 a 5 grados de calentamiento global, por razones que se deben exclusivamente a la construcción de los modelos. Igualmente, pese a las grandes tendencias bien establecidas, como el hecho que el calentamiento de la superficie es más intenso en las latitudes altas y en invierno, o que las variaciones del ciclo hidrológico son más intensas en las regiones tropicales, los modelos no logran proporcionar una información local coherente.

Las dificultades que se presentan en los modelos traducen simplemente la increíble complejidad del medio natural

Un tercer factor limita el alcance práctico de los. modelos: pese a los progresos realizados en este campo, siempre representan solamente una parte del sistema climático completo. Las posibles fluctuaciones de la circulación oceánica profunda, por ejemplo, apenas se están empezando a estudiar y su estudio resulta a su vez muy difícil debido al pequeño número de datos observados a estas profundidades. Además, la mayoría de las veces los modelos son modelos físicos, que no tienen en cuenta las componentes biológicas y químicas del sistema, cuyo papel esencial aparece sin embargo cada vez más claramente. En los últimos años, por ejemplo, se ha reconocido que los aerosoles sulfurados son uno de los factores importantes susceptibles de enmascarar, por lo menos en el hemisferio norte, la manifestaciones iniciales del efecto invernadero. Este descubrimiento ha permitido proponer una explicación de la disimetría de la evolución climática en los dos hemisferios durante los últimos decenios. El hemisferio sur se ha calentado de manera más continua, mientras que el hemisferio norte ha pasado primero por un periodo de enfriamiento. En realidad, si se combina el aumento de los gases de efecto invernadero, la disminución del ozono estratosférico y el efecto de los aerosoles sulfurados, se puede reproducir de forma bastante plausible la evolución de las temperaturas que se está produciendo a los diferentes niveles de la atmósfera. Pero todavía se necesitan muchos otros procesos para tener una buena comprensión del sistema global: fuentes y sumideros del carbono oceánico y continental, ciclo del metano, aumento del ozono troposférico, papel de los aerosoles orgánicos y minerales, etc.

La acumulación de estos factores de incertidumbre hace sin duda ilusoria, de momento, la predicción detallada de una evolución del clima futuro. Incluso se podría decir, forzando las cosas, que cuanto más progresa la investigación, más se manifiesta la enorme complejidad de los procesos que participan en la evolución de nuestro medio ambiente, y más se aleja la posibilidad de prever en detalle la evolución futura del clima. Pero no hay que detenerse en esta conclusión negativa y deducir que los modelos son inútiles. Ya que al mismo tiempo, y de forma aparentemente contradictoria, la capacidad de comprensión de este sistema ha aumentado considerablemente, y el nivel de certidumbre respecto a la realidad del calentamiento futuro se ha hecho indudablemente mayor.

Esto se debe en primer. lugar a que 1a variedad de procesos cuyo papel se ha estudiado cualitativamente es ahora mucho mayor. Pero también al hecho de que modelos cada vez más numerosos y complejos indican sin excepción un aumento no despreciable de la temperatura en el futuro. En efecto, pese a la complejidad del sistema estudiado, a la diversidad de países e institutos dedicados a la investigación del clima, a la diversidad de los modelos, y a la publicidad enorme que recibiría algo semejante, nadie ha logrado poner a punto un experimento numérico creíble que conduzca al sistema climático a no calentarse como respuesta al aumento de los gases de efecto invernadero. Esto no tiene el valor de una prueba, pero no por ello deja de constituir un indicio extraordinariamente fuerte que no se puede ignorar. Y en el estado actual de nuestros conocimientos, son los que pretenden que las modificaciones de la composición química del planeta no tendrán efectos los que tienen que aportar pruebas.

En el futuro, la modelación del sistema climático tendría que ver evolucionar su papel. En primer lugar, en la eventualidad de que el clima empezase a cambiar de manera significativa, resultaría posible utilizar este inicio de modificación para aumentar la capacidad de los modelos de predecir las evoluciones posteriores. También en estas circunstancias, los problemas que se plantearán -y que empiezan a plantearse- tendrán una naturaleza distinta: ¿quiénes son los culpables? ¿Cómo se puede pesar, por ejemplo, el papel de las emisiones de óxidos nitrosos por los aviones y los automóviles? ¿Es igual el impacto climático cuando los gases contaminantes se vierten en centros urbanos o en la estratosfera? Estos problemas se plantean y se plantearán, pese a las incertidumbres que todavía afectan, innegablemente, a la modelización de nuestro medio ambiente global, y que subsistirán todavía durante mucho tiempo, incluso indefinidamente. En este contexto, será muy importante conservar una diversidad suficiente de modelos construidos y gestionados de manera independiente, ya que la dispersión de los resultados obtenidos constituirá una de las únicas medidas de la incertidumbre de los resultados.

Para concluir, la unanimidad de los resultados obtenidos por los, modelos sobre el calentamiento futuro va acompañada de dificultades para dibujar un cuadro preciso de los cambios futuros. Pero estas dificultades no tienen que llevar a descartar los resultados demasiado deprisa. Los modelos numéricos constituyen una de las pocas herramientas de. reflexión sobre el futuro de que disponemos. Las dificultades encontradas simplemente traducen la increíble complejidad del medio natural. Y se puede extraer una certeza segura: dejar que se modifique: libremente la composición química del planeta, con la idea de que sería posible adaptarse luego a los cambios, constituye un escenario incontrolable. H.L.T.N-

Pequeña historia de la modelización del clima

La idea de utilizar las ecuaciones de la mecánica de fluidos para predecir la evolución atmosférica tiene varios decenios de edad: en 1920-1922 un investigador inglés, L. F. Richardson, lo intentaba en vano; ¡y sacaba de los fracasos la lección de que tal ejercicio sólo lo podían realizar miles de calculadores (humanos) trabajando en paralelo bajo la dirección de un director de orquesta!.

Cuando se puso a punto, en el Massachusetts Institute of Tecnology, en 1946, el primer computador: el ENAC, algunos meteorólogos estuvieron entre sus primeros usuarios.

En los años sesenta se empezó a abordar el problema de la circulación atmosférica, pero sólo en los últimos diez años la potencia de los ordenadores ha permitido realizar simulaciones de varios decenios, primero de la circulación atmosférica y luego asociando atmósfera y océano.