Factores que afectan el clima global

La Tierra es un planeta dinámico, en constante cambio impulsado por fuerzas internas y externas. Las corrientes de magma dentro de nuestro planeta mueven las placas que forman la corteza continental en un proceso constante que construye montañas y crea valles. Estos valles pueden eventualmente convertirse en lagos, mares y océanos. En la superficie, el factor más importante que afecta a la Tierra es la luz solar. El sol proporciona energía a los organismos vivos e impulsa el tiempo y el clima de nuestro planeta creando gradientes de temperatura en la atmósfera y los océanos.

Circulación atmosférica

Los rayos del sol proporcionan tanto luz como calor a la Tierra, y las regiones que reciben mayor exposición se calientan en mayor medida. Esto es particularmente cierto en los trópicos, que experimentan menos variaciones estacionales en la luz solar incidente. El aire tropical cargado de humedad se calienta, se vuelve menos denso y se eleva. Pero a medida que el aire alcanza los niveles superiores de la atmósfera, se enfría. Las moléculas de agua se condensan para formar nubes y eventualmente caen como lluvia. El aire caliente que se eleva desde la superficie de la Tierra empuja la masa de aire lejos del ecuador y libera su humedad en forma de precipitación a medida que viaja hacia los polos.

Figura 1: Ciclo de evaporación, condensación y precipitación

Las áreas de los trópicos reciben una mayor incidencia de luz solar durante todo el año, lo que hace que el agua se evapore. El aire cargado de humedad se aleja del ecuador y pierde precipitación a medida que avanza.

Si la Tierra no girara sobre su eje, este ciclo de evaporación, condensación y precipitación movería agua y aire a lo largo de un eje norte-sur desde el ecuador hasta los polos. Sin embargo, esto no sucede. El giro de la Tierra crea tres cinturones de circulación (Figura 2). El aire circula desde los trópicos hacia regiones de aproximadamente 30 ° de latitud norte y sur, donde se hunden las masas de aire. Este cinturón de circulación de aire se conoce como célula de Hadley, en honor a George Hadley, quien la describió por primera vez (Holton 2004). Existen dos cinturones adicionales de aire circulante en las latitudes templadas (entre 30 ° y 60 ° de latitud) y cerca de los polos (entre 60 ° y 90 ° de latitud).

Figura 2: Células de Hadley y vientos dominantesEl calentamiento solar de los trópicos impulsa la circulación atmosférica en tres celdas. La rotación de la Tierra genera fuerzas de Coriolis que crean los vientos alisios del este por debajo de los 30 ° de latitud y los vientos polares del este por encima de los 60 ° de latitud. Las fuerzas de Coriolis crean vientos del oeste predominantes en las latitudes medias.

La masa de aire que se hunde a 30 ° de latitud impulsa dos fenómenos: contribuye a la formación de climas áridos e impulsa la circulación de aire al norte y sur de los trópicos. Las condiciones secas, incluso desérticas, a menudo ocurren a 30 ° de latitud norte y sur porque el aire seco descendente extrae la humedad del suelo (Figura 3). A medida que aumenta el aire caliente en los trópicos, se extrae aire frío de las áreas circundantes para llenar el vacío. Esto crea los vientos alisios que soplan en las regiones subtropicales. Pero parte del aire que desciende de la celda de Hadley se aleja del ecuador hacia los polos. Esta masa de aire crea vientos que caracterizan los patrones climáticos en las zonas templadas.

Figura 3: Distribución de tierras áridas

El aire seco desciende a los 30 ° de latitud, extrayendo humedad del suelo y contribuyendo a la creación de climas áridos.

Bajo la influencia de la rotación de la Tierra, el aire que regresa a la superficie de la Tierra es desviado por la fuerza de Coriolis, que desplaza el flujo de aire a la derecha de su trayectoria inicial en el hemisferio norte y a la izquierda de su trayectoria en el hemisferio sur. Los vientos que soplan hacia el ecuador se desvían hacia el oeste, creando los vientos alisios del este (los vientos del este soplan de este a oeste). En las zonas templadas, donde los vientos soplan hacia los polos, la fuerza de Coriolis los desvía hacia el este, y los vientos del oeste predominantes (que soplan de oeste a este) transportan la mayoría de los patrones climáticos en estos climas templados (Figura 2).

Corrientes oceánicas

La rotación de la Tierra afecta a los océanos de manera similar, creando corrientes que fluyen dentro de las cuencas oceánicas. Las corrientes oceánicas son impulsadas por los vientos superficiales, la rotación de la Tierra y las diferencias de salinidad.

Los vientos alisios soplan aguas superficiales cálidas en océanos y mares tropicales de este a oeste. Charcos de agua cálida a lo largo de la costa oeste de los continentes, lo que establece un gradiente de temperatura en la superficie del océano. En condiciones normales, el Pacífico occidental es aproximadamente 8 ° C más cálido que el Pacífico oriental, y este gradiente contribuye a la formación de nubes y precipitaciones en Australia, Indonesia y partes de África. La interrupción de este gradiente de temperatura crea el evento conocido como El Niño.

El movimiento del agua desde la costa de Perú y Ecuador crea un afloramiento, ya que el agua fría se extrae desde abajo para llenar el espacio (Figura 4). Condiciones similares ocurren en la costa oeste de los continentes en los océanos Atlántico e Índico. Estas regiones son la principal fuente de mezcla entre aguas superficiales más cálidas y aguas profundas más frías, que normalmente permanecen separadas. El afloramiento de agua rica en nutrientes contribuye a la inusualmente alta productividad biológica de las aguas costeras en estas regiones.

Figura 4: Surgencia A medida que los vientos alisios soplan aguas superficiales cálidas lejos de la costa oeste de los continentes, el agua fría y rica en nutrientes es atraída hacia la superficie.

Así como la rotación de la Tierra crea los vientos predominantes, crea corrientes superficiales dentro de los océanos. Bajo la influencia de los vientos alisios, las aguas superficiales cercanas al ecuador fluyen de este a oeste. Al igual que en la atmósfera, la fuerza de Coriolis hace que el agua se desvíe del ecuador (hacia el norte en el hemisferio norte, hacia el sur en el hemisferio sur). Este efecto Coriolis establece una convección rotacional dentro de los océanos, y las corrientes fluyen típicamente en sentido horario en el hemisferio norte y en sentido antihorario en el hemisferio sur. Cuando llega a los polos, el agua se enfría y se hunde. Los vientos predominantes en las latitudes norte y sur ayudan a crear corrientes superficiales de agua fría que fluyen hacia el ecuador a lo largo de la costa oeste de los continentes.

Las aguas superficiales se congelan cuando llegan a las aguas árticas del Atlántico norte. El proceso de congelación elimina las moléculas de agua, pero no la sal, del océano. El resultado es un aumento de la salinidad de las aguas del océano. Con el aumento de la salinidad y la disminución de la temperatura, aumenta la densidad (el agua es más densa a 4 ° C) y el agua se hunde hasta el fondo del océano. Este proceso establece una «cinta transportadora» grande, lenta y de aguas profundas que transporta agua a lo largo del fondo del océano hasta la Antártida y luego a través de los océanos Índico, Pacífico y, finalmente, Atlántico.

Clima global

La combinación de circulación oceánica y atmosférica impulsa el clima global al redistribuir el calor y la humedad. Las áreas ubicadas cerca de los trópicos permanecen cálidas y relativamente húmedas durante todo el año. En las regiones templadas, la variación en la entrada de energía solar genera cambios estacionales. En el hemisferio norte, donde las masas de tierra están más concentradas, estas estaciones pueden implicar cambios pronunciados de temperatura. En el hemisferio sur, donde grandes masas de tierra se encuentran más cerca del ecuador y la mayor parte de la superficie de la Tierra está cubierta de agua, los ciclos estacionales giran en torno a la presencia y ausencia de precipitación en lugar de grandes cambios de temperatura.

Los patrones climáticos globales son dinámicos: están cambiando continuamente en respuesta a la radiación solar, las concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmósfera y otros factores que fuerzan el clima. Entre los más predecibles de estos cambios se encuentran los cambios cíclicos en la radiación solar que llega a los polos. Estos ciclos, descritos por primera vez por Milutin Milankovitch (1941), involucran la órbita de la Tierra, la inclinación y la precesión de los equinoccios.

La órbita elíptica de la Tierra alrededor del sol cambia bajo la atracción gravitacional de otros planetas de nuestro sistema solar. En un ciclo de 100.000 años, la órbita cambia de una que es casi circular a una alargada, lo que aleja al planeta de su fuente de energía (Figura 5A). La inclinación de la Tierra en relación con su órbita cambia en un ciclo de 41.000 años de 21,5 ° a 24,5 °; actualmente nos encontramos en medio de este ciclo con una inclinación de 23,5 ° (Figura 5B). Finalmente, el eje (orientación norte-sur) de la Tierra se tambalea con el tiempo. Esta precesión de los equinoccios de 23.000 años cambia la orientación del planeta en relación con su ubicación en órbita (Figura 5C). Cuando los tres ciclos de Milankovitch se refuerzan entre sí, alteran la entrada solar e influyen en los patrones de circulación oceánica y atmosférica. Esto puede provocar períodos regulares de enfriamiento y glaciación.
Figura 5: Ciclos de Milankovitch(A) La alta excentricidad en la órbita de la Tierra la aleja más del sol. (B) El grado de inclinación de la Tierra en relación con su plano de órbita cambia el grado de calentamiento en las regiones polares. (C) La precesión de los equinoccios se produce cuando la Tierra se bambolea sobre su eje. Los tres ciclos pueden influir en los períodos de calentamiento y enfriamiento al alterar la cantidad de radiación solar que llega a la Tierra.

Los períodos de enfriamiento se pueden intensificar mediante el albedo; la presencia de nieve y hielo refleja la luz solar incidente y el calor, que sirve para enfriar aún más el planeta. De esta manera, los glaciares y los casquetes polares continúan creciendo durante los períodos en los que la luz solar incidente es baja. A medida que más agua se bloquea como hielo, el nivel de la superficie de los océanos desciende, lo que puede alterar los patrones de circulación oceánica. Además, el movimiento de masas de tierra continental a través de los procesos de la tectónica de placas puede cambiar el flujo de agua, alterando las corrientes oceánicas y los patrones de circulación.

A medida que la precesión e inclinación de la Tierra aumentan la exposición polar a la luz solar, pueden ocurrir eventos de derretimiento rápido. Liberados de las garras del hielo, los suelos se derriten y la vegetación previamente congelada se descompone, liberando tanto dióxido de carbono como gas metano, dos gases de efecto invernadero conocidos, a la atmósfera. Los aumentos de dióxido de carbono y metano en la atmósfera ayudan a calentar aún más la tierra, y se cree que estos gases han contribuido a eventos históricos de calentamiento rápido.

Biogeografia

La distribución actual de plantas y animales refleja cambios históricos tanto en las condiciones climáticas globales como en la ubicación de las masas de tierra. Durante los períodos fríos, cuando gran parte de la tierra estaba cubierta de nieve y hielo, la cantidad de tierra disponible para que los organismos terrestres habitaran disminuyó, aumentando la competencia por los recursos. A medida que el hielo se retiraba durante los eventos de calentamiento, los organismos migraron para llenar áreas recientemente disponibles y muchas especies florecieron bajo las nuevas condiciones ambientales. Con el tiempo, los organismos desarrollaron adaptaciones que les permitieron explotar mejor su nuevo entorno. Algunas de esas adaptaciones persisten en sus descendientes modernos.

Si bien las condiciones climáticas estaban cambiando, también lo hicieron las ubicaciones de grandes masas de tierra a medida que se desplazaban bajo la influencia de las corrientes de magma debajo de la corteza. Las colisiones continentales construyeron cadenas montañosas y las grietas que se ensancharon se convirtieron en mares, los cuales sirvieron para crear barreras a la dispersión de organismos, restringiendo la capacidad de los organismos para migrar. Restringidos a áreas más pequeñas, los organismos desarrollaron rasgos que mejor los adaptaban a las condiciones ambientales de su continente y región.

Hoy reconocemos seis reinos biogeográficos: Neártico, Paleártico, Neotropical, Etíope, Oriental y Australiano, en los que los animales exhiben características distintivas de esa región (Figura 6). Los reinos que han experimentado barreras a la dispersión durante períodos de tiempo más largos contienen animales con rasgos más distintivos. Uno de los mejores ejemplos de esto se puede ver en los mamíferos marsupiales de la Región de Australia, que tiene una larga historia de aislamiento de otros continentes.