Ciencias de la Tierra: La máquina del clima

Ciencias de la Tierra: La máquina del clima
La nueva generación de sofisticados modelos terráqueos se prepara para su primer examen importante. Pero la complejidad añadida puede llevar a una mayor incertidumbre acerca del clima del futuro.
Olive Heffernan

Nature 2010; 463: 1014-6

El edificio gubernamental situado al sur de Inglaterra es amplio y ventilado, con una fachada de cristal de tres pisos. Pero las medidas de seguridad, como los guardias apostados en la entrada principal, sirven de recordatorio de que en esta propiedad del Ministerio de Defensa se están llevando a cabo trabajos de naturaleza clasificada, importantes para el futuro de la nación. En los sótanos del edificio, dos salas contiguas albergan 27 grandes cajas negras que manejan un millón de líneas de código informático cada hora para tratar de vislumbrar el futuro de la Tierra y de sus 7.000 millones de habitantes.

Este gigante superordenador de la Met Office (Instituto Meteorológico) de Reino Unido, en Exeter, es la cuna de lo que posiblemente sea el modelo climático más sofisticado del mundo. Desarrollado por investigadores del Centro Hadley, la sucursal del cambio climático de la Met Office, este modelo recién terminado se pondrá a prueba por primera vez en los próximos meses. Ejecutará una serie de simulaciones climáticas hasta el año 2100 para el siguiente informe del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC), acerca de la base físico-científica del cambio climático, que se publicará en 2013.

Construido en cuatro años, el modelo se conoce como HadGEM2-ES, abreviatura de Centro Hadley Global Environmental Model, versión dos, con el componente Earth-system (sistema de la Tierra) añadido. Es uno de los doce modelos Earth-system que se están desarrollando en todo el mundo y que van mucho más allá que sus antepasados lejanos, que sólo representaban los elementos físicos del clima, como aire, luz solar y agua. La nueva generación incluye esto y mucho más: bosques que pueden reducirse o ampliarse según cambian las condiciones; redes alimentarias marinas que reaccionan a la acidificación de los océanos con dióxido de carbono; partículas de aerosol en la atmósfera que interactúan con los gases de efecto invernadero, aumentando o debilitando su poder de calentamiento.

El Centro Hadley está en la vanguardia de los esfuerzos globales para desarrollar estos complejos modelos climáticos. “Es traspasar los límites”, opina Andrew Weaver, creador de modelos climáticos de la Universidad de Victoria, British Columbia, Canadá.

Los investigadores esperan que la complejidad añadida consiga predicciones más realistas y ayude a obtener nuevos conocimientos sobre cómo interactúan entre sí los elementos climáticos. Pero no se sabe si este esfuerzo monumental va a ayudar realmente a los líderes políticos y a los investigadores a hacer planes de futuro. Como los modelos simulan más componentes y cada uno está sujeto a variación, esta complejidad adicional podría hacer que las barras de error se ampliaran enormemente en las previsiones de cambio de temperaturas o de precipitaciones con el tiempo. “Es muy probable que la generación de modelos que va a evaluarse para el próximo informe del IPCC tenga una mayor extensión de posibles resultados climáticos a medida que avancemos hacia el futuro”, afirma Jim Hurrell, responsable del desarrollo del modelo Earth-system en el Centro Nacional para Investigación Atmosférica (CNIA) en Boulder, Colorado.

En su esencia, el HadGEM2-ES se parece mucho a cualquiera de los modelos climáticos. Es una serie de ecuaciones que describen la circulación atmosférica y la termodinámica, resueltas para varios puntos que forman una red tridimensional sobre la superficie de la Tierra.

La red de HadGEM2-ES tiene 192 puntos equidistantes en la dirección Este-Oeste y 144 puntos en la dirección Norte-Sur. Cada recuadro representa un área de aproximadamente un grado de latitud por dos grados de longitud, unos 100 kilómetros por 200 kilómetros en el ecuador. La atmósfera tiene 38 niveles desigualmente divididos, unos 20 metros de profundidad cerca de la superficie terrestre y marina, pero que progresivamente se hace más gruesa con la altura.

Del fango a las hojas

Al igual que todos los modernos modelos climáticos globales, el HadGEM2-ES acopla el modelo atmosférico con un modelo oceánico. En la década de los ochenta y principios de los noventa, los océanos en los modelos acoplados de Hadley anteriores se llamaban pantanos y eran poco más que grandes y profundos charcos que conectaban continentes. Gradualmente fueron evolucionando hasta “océanos en placas”, que eran rígidos pero podían absorber y liberar calor (véase la figura “Evolución de los modelos”). El océano global de HadGEM2-ES, por el contrario, fluye con corrientes y remolinos. Sus 40 capas llegan hasta 5.000 metros, con un grosor de la capa superior de tan sólo 10 metros, un importante avance que permite a los modelos simular con más realismo cómo el océano capta y retiene el dióxido de carbono a diferentes profundidades.

[ Evolución de los modelos: A lo largo de los años, el Centro Hadley ha mejorado sus modelos climáticos añadiendo varios componentes oceánicos y atmosféricos ]

Entre las blancas y austeras paredes y los escritorios uniformes del Centro Hadley, los investigadores tratan de imitar nubes y corrientes, árboles y tundra, y la infinidad de aspectos del planeta que pueden aumentar o disminuir el calentamiento global. Sin embargo, las únicas señales de que aquí se trabaja son las líneas de código informático desplazándose por los monitores.

El código que da vida al HadGEM2-ES incluye algunos otros componentes del Earth-system, como un ciclo cerrado de carbono, que en teoría puede calcular todo el carbono de la Tierra que podría afectar al clima durante los próximos siglos. El modelo hace esto mediante química atmosférica detallada, vegetación dinámica que puede crecer y morir dependiendo del clima, y sistemas geoquímicos y biológicos oceánicos que pueden responder independientemente del cambio de los niveles de gases de efecto invernadero.

En tierra, la vegetación está dividida en nueve categorías, desde arbustos a árboles de hoja de aguja: un importante avance de cómo los modelos representan la biosfera. Los primeros intentos de incluir la biología en un modelo climático dieron lugar al modelo “verdín”, que trataba toda la vida como una capa verde uniforme desde el ecuador hasta el polo. HadGEM1, el precursor inmediato del HadGEM2-ES, incluía los mismos tipos de vegetación que éste, pero como algo estático. Ahora los tipos de vegetación pueden modificarse y el follaje puede cambiar con el ciclo estacional.

Mezclar estos aspectos en un único modelo lo ralentiza considerablemente. Simular un mes tarda una hora de tiempo informático. “Es el precio que hay que pagar”, afirma Chris Jones, especialista en el ciclo del carbono que ha contribuido decisivamente en el desarrollo del HadGEM2-ES. El HadGEM1 es tres veces más rápido que el nuevo modelo.

Incluso con la fina resolución del HadGEM2-ES, hay procesos de importancia climática que son demasiado pequeños para que el modelo los simule directamente, como las nubes. Para resolver este problema, los creadores de modelos climáticos utilizan una técnica llamada parametrización. En lugar de intentar simular nubes individuales dentro de un recuadro de la retícula, por ejemplo, el efecto generalizado de las nubes sobre el clima se representa mediante una serie de ecuaciones que describen las condiciones en las que las nubes se forman y descomponen y cómo absorben o reflejan la radiación. Después se calcula la media para cada recuadro de la retícula.

Las parametrizaciones son un mal necesario que puede introducir errores en los modelos. Sin embargo, quizá sean más molestos los errores aleatorios. Un solo dato mal introducido basta para arruinar todo el sistema. A partir de ahí se puede mostrar una representación imperfecta de un aspecto aparentemente simple del mundo real, como descubrieron los científicos del Centro Hadley cuando pusieron demasiada poca vida vegetal en las regiones áridas del mundo, dejando una vegetación insuficiente para mantener el suelo en su sitio. Muy pronto, los niveles de polvo de la atmósfera del modelo dejaron de estar bajo control y aumentaron tres veces por encima de la media, lo que a su vez fertilizó el océano e hizo que el fitoplancton creciera desmesuradamente.

Identificación de los culpables

Los creadores de modelos están muy familiarizados con los efectos de los errores. “No sólo es algo frecuente: es la evolución por la que todos nosotros pasamos”, afirma Hurrell. Para identificar estas anomalías, cada modelo se somete a una rigurosa fase de pruebas. Esto implica pasar el modelo por una serie de “ciclos de control” en los que se prueba su capacidad mediante la simulación de un clima estable. El modelo también se somete a un análisis denominado hindcasting con el fin de determinar su capacidad para predecir cambios históricos. Esto es lo que está haciendo actualmente el HadGEM2-ES y que terminará el próximo mes.

“A veces se pueden obtener resultados totalmente irreales”, señala Jones. Cuando los resultados no se correlacionan con la realidad, los creadores de modelos hacen uso de sus conocimientos sobre el sistema climático para tratar de identificar los probables culpables del modelo y corregirlos. Y, con frecuencia, lo que empezó siendo un problema puede ayudar a comprender mejor el sistema. Las poco realistas tormentas de polvo del HadGEM2-ES, por ejemplo, revelaron que incluso una pequeña cantidad de vida vegetal en los desiertos del mundo puede influir en el clima global.

La fase de pruebas lleva normalmente el modelo hasta un punto en el que puede simular bien el clima pasado y presente, pero algunos aspectos suelen continuar causando problemas. De hecho, cada modelo tiene un punto débil. Cuando los científicos del Centro Hadley desarrollaron el HadGEM1, el modelo tuvo dificultades para simular El Niño-Oscilación Sur, un fenómeno responsable de buena parte de la variabilidad climática del Océano Pacífico. “Esto llevó a muchos a insistir en que el Centro Hadley había perdido su posición de liderazgo”, comenta Bill Collins, el científico responsable del desarrollo del modelo HadGEM2-ES. Pero el modelo utilizado por los científicos del CNIA también tuvo grandes problemas con El Niño. Ronald Stouffer, investigador del clima del Laboratorio de Dinámica Geofísica de Fluidos (LDGF) de Princeton, New Jersey, afirma que el modelo del LDGF fue “el peor del mundo” al simular el hielo del Pacífico Norte en la última evaluación del IPCC.

Pero cuando se trató de reproducir los climas pasados y presentes a escala global, estos modelos fueron los mejores. “Es una de las peculiaridades de este negocio –comenta Stouffer con sorna–.Puede que un modelo sea el mejor en general, pero en algún punto también puede ser el peor.” Tras ejecutar las simulaciones para el IPCC en los próximos meses, se descubrirá si el HadGEM2-ES tiene puntos ciegos o no.

Los posibles defectos del HadGEM2-ES pueden ser compensados por sus semejantes: los demás modelos Earth-system que estarán ejecutando simulaciones para las previsiones del IPCC. Estos modelos pertenecen a los grupos de investigación del LDGF, el CNIA y centros de Australia, Canadá, China, Francia, Alemania, Japón y Noruega. “Es importante que haya una buena diversidad de modelos”, explica Weaver, porque cuando se trata de formas de crearlos, “no hay una respuesta correcta”. La ventaja de que haya varios grupos desarrollando modelos simultáneamente es que cada uno aborda la tarea de forma diferente.

Ningún instituto ha trabajado tanto en sus modelos Earth-system como el Centro Hadley, por lo que la mayoría no confía plenamente en los nuevos modelos. “Cada una de estas simulaciones es un reto y hasta el último momento no sabemos si todo va a funcionar como nos gustaría”, comenta Christian Reick, responsable de la creación del modelo de vegetación del Instituto Max Planck de Meteorología de Hamburgo, Alemania. Muchos grupos ejecutarán una jerarquía de modelos más simples como una forma de proteger sus apuestas. Si los modelos Earth-system producen predicciones sobre, por ejemplo, el cambio de temperatura que tiene un rango de incertidumbre desmesurado, los equipos pueden retroceder a modelos más familiares para realizar una evaluación más sencilla de lo que depara el futuro. Este problema ha llevado a algunos a recomendar precaución a la hora de aumentar la complejidad de los modelos. “De vez en cuando hay que pararse a pensar si esta complejidad está realmente justificada teniendo en cuenta nuestra ignorancia”, afirma Syukuro Manabe, uno de los fundadores de los modelos climáticos modernos e investigador del LDGF. “No debemos simplificar demasiado”, insiste Manabe: la clave es observar si “el detalle del modelo está equilibrado con nuestro conocimiento del proceso”.

[ La Met Office de Reino Unido es la cuna del modelo climático más sofisticado del mundo ]

Limitaciones prácticas

Aunque los nuevos modelos son mejores desde una perspectiva académica, no necesariamente producen resultados más útiles para los diseñadores de políticas que planifican el futuro. Jones reconoce que los modelos “sólo son útiles si los comprendemos hasta el punto de que merezcan nuestra confianza”. Sin embargo, señala, “nos dirigimos hacia un futuro que no podemos limitar con observaciones y los modelos climáticos son la única herramienta que tenemos a nuestra disposición para hacer proyecciones”.

Durante el proceso de elaboración del informe, los autores del IPCC analizarán todas las proyecciones de los modelos para desarrollar sus mejores estimaciones sobre el clima del futuro. Las estimaciones incluirán con qué rapidez van a aumentar las temperaturas, dónde van a aumentar o disminuir las lluvias y cómo van a cambiar los patrones de vegetación.

Pero incluso mientras se llevan a cabo las simulaciones del IPCC con el conjunto actual de modelos (véase el apartado “La variedad de climas del futuro”), Jones y sus colaboradores están pensando en la forma de mejorarlos añadiendo más componentes. “Tenemos tanto entusiasmo que no podemos quedarnos quietos”, afirma. Una adición que esperan hacer es el deshielo del permafrost de la tundra ártica que podría acelerar el calentamiento al emitir metano, un potente gas de efecto invernadero. El HadGEM2-ES ha incluido como factor la emisión de metano de los humedales, pero no ha tenido en cuenta el permafrost. En el proyecto del próximo modelo del Centro Hadley se incluye el ciclo de nitrógeno y su influencia sobre el crecimiento de las plantas.

Pero el objetivo de todo esto “no es desarrollar un modelo perfecto”, comenta Hurrell. “Desarrollamos nuevas representaciones de aspectos del sistema basándonos en nuestros mejores conocimientos del sistema, y cuando confiamos en que podemos representar bien ese proceso, lo incluimos en el modelo.”

Para los climatólogos, los modelos no sólo son herramientas con las que poder echar un vistazo al futuro: son un campo de juego experimental, una réplica del mundo en la que probar sus conocimientos del sistema climático. Sin la posibilidad de realizar experimentos de campo o de laboratorio a escala global, los modelos son la única herramienta que tenemos.

En el Centro Hadley circula el chiste de que los creadores de modelos terminarán tratando de incluir osos panda en sus simulaciones. Esta exageración irrita sin duda a algunos de los creadores de modelos, quizá porque son excesivamente conscientes de que sus creaciones nunca representarán la realidad. “Parte de nuestro reto intelectual es saber qué es lo importante que puede incluirse –prosigue Jones–. Siempre habrá algún nivel de detalle o complejidad que no podamos alcanzar.”

La variedad de climas del futuro

En su informe de 2007, el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) publicó una serie de proyecciones de lo que podría pasar con el clima en diversos escenarios. Algunas asumían que la población humana y el consumo aumentarían rápidamente, mientras que en otras se preveía la aparición de tecnologías limpias o tasas de desarrollo más lentas. Pero el grupo no examinó los esfuerzos deliberados por refrenar las emisiones de los gases de efecto invernadero.

Para la próxima evaluación del IPCC de la base física del cambio climático, prevista para 2013, los modelos simularán escenarios de control de emisiones llamados Representative Concentration Pathways (RCP). Cada RCP lleva el número del nivel de la fuerza radiactiva o poder de calentamiento global de las actividades humanas, previsto para 2100. La fuerza radiactiva actual a partir de las emisiones del pasado es de aproximadamente 1,6 vatios por metro cuadrado y la concentración neta de gases de efecto invernadero es de más de 400 partes por millón de dióxido de carbono equivalente. Los nuevos escenarios son:

RCP8.5: Las emisiones aumentan indefinidamente, la fuerza radiactiva alcanza los 8,5 Wm−2 y las concentraciones de todos los gases de efecto invernadero antropogénicos alcanzan al menos 1.370 ppm de CO₂ equivalente al final del siglo.

RCP6.0: Las emisiones se estabilizan y la fuerza radiactiva alcanza aproximadamente los 6 Wm−2 algún tiempo después de 2100, con las concentraciones de gases de efecto invernadero estabilizándose en torno a 850 ppm de CO₂ equivalente algún tiempo después de 2100.

RCP4.5: Las emisiones se estabilizan más pronto y la fuerza radiactiva alcanza aproximadamente los 4,5 Wm−2. Las concentraciones atmosféricas de gases de efecto invernadero se estabilizan en torno a 650 ppm de CO₂ equivalente algún tiempo después de 2100.

RCP3.0-PD: La fuerza radiactiva llega a un máximo de aproximadamente 3 Wm−2 y después disminuye. Las concentraciones atmosféricas de gases de efecto invernadero alcanzan unas 490 ppm de CO₂ equivalente y después disminuyen.