D6 Modelos Climáticos y Proyecciones

Tópico

Los modelos climáticos son representaciones matemáticas del sistema climático que permiten simular su evolución en el tiempo. Los modelos más detallados dividen la atmósfera y el océano en una malla espacial tridimensional de celdas y resuelven en ellas las ecuaciones físicas que describen su comportamiento. Las celdas vecinas intercambian masa, energía y momento, permitiendo representar conjuntamente la evolución de la circulación atmosférica y oceánica a escala planetaria.

Los modelos de circulación general constituyen una de las principales herramientas para realizar estas simulaciones. En la atmósfera resuelven las ecuaciones primitivas que expresan la conservación de masa, momento y energía, incorporando los efectos de la rotación terrestre, la relación entre presión, temperatura y densidad del aire y la conservación del vapor de agua. El componente atmosférico se acopla además con modelos del océano, hielo marino y superficie terrestre, de manera que los cambios producidos en cada componente afectan a los demás durante la simulación.

La resolución espacial típica de estos modelos es del orden de decenas de kilómetros, tanto en la atmósfera como en el océano, y se utilizan numerosos niveles verticales. Sin embargo, muchos procesos importantes, como la convección, la formación de nubes, la turbulencia superficial o determinadas ondas atmosféricas, ocurren a escalas menores que una celda. Como no pueden resolverse explícitamente, sus efectos se incorporan mediante parametrizaciones: representaciones simplificadas que estiman su influencia promedio sobre las variables calculadas por el modelo.

Los modelos de sistema Tierra amplían esta representación incorporando procesos biogeoquímicos y, en particular, un ciclo interactivo del carbono. En ellos, la concentración atmosférica de dióxido de carbono puede resultar del balance entre las emisiones y la absorción realizada por los ecosistemas terrestres y el océano. Esto permite representar las interacciones entre clima y ciclo del carbono: para un mismo nivel de emisiones, una mayor absorción terrestre u oceánica produce una menor acumulación de CO₂ en la atmósfera, mientras que cambios climáticos pueden modificar a su vez la capacidad de esos reservorios para capturarlo.

En el extremo de menor complejidad se encuentran los modelos de balance energético. En lugar de representar explícitamente una malla tridimensional del planeta, describen la respuesta climática mediante un número reducido de ecuaciones. Un ejemplo es el modelo de dos cajas, que representa una componente superficial y otra correspondiente al océano profundo, entre las cuales se intercambia calor. Sus parámetros permiten estudiar cómo responde la temperatura a un determinado forzamiento y distinguir entre la respuesta transitoria y la respuesta de equilibrio. Estos modelos permiten analizar propiedades globales del sistema climático con un costo computacional muy inferior al de una simulación tridimensional.

Entre ambos extremos se encuentran los modelos de complejidad intermedia. Estos conservan parte de la estructura espacial del sistema climático, incluyendo la distribución geográfica de continentes y océanos, pero simplifican numerosos procesos que los modelos de circulación general representan con mayor detalle. También pueden incorporar algunos ciclos biogeoquímicos, aunque de manera menos completa que los modelos de sistema Tierra.

Los modelos de balance energético, los de complejidad intermedia, los de circulación general y los de sistema Tierra forman así un espectro continuo de herramientas. En un extremo se encuentran modelos con pocas ecuaciones, rápidos y útiles para comprender mecanismos fundamentales y respuestas climáticas globales; en el otro, modelos tridimensionales que representan detalladamente las interacciones físicas y biogeoquímicas del planeta. La elección depende del problema estudiado: un modelo sencillo puede ser suficiente para investigar mecanismos o realizar numerosas simulaciones, mientras que el análisis detallado de patrones regionales, interacciones entre componentes o retroalimentaciones del ciclo del carbono requiere modelos de mayor complejidad física, espacial y computacional.

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