Las nubes

1. Efectos radiativos y térmicos de las nubes

2. Nubosidad y radiación cósmica

3. Evolución de la cobertura global de nubes

4. referencias

1. Efectos radiativos y térmicos de las nubes

Las nubes afectan a los flujos de energía solar y terrestre de diversas maneras y con efectos a veces opuestos. El resultado del efecto reflectante con respecto a la radiación solar (es decir, pérdida de energía) y del efecto invernadero con respecto a la radiación terrestre (es decir, retención de energía) depende de factores diversos: del tamaño de las gotas, de la densidad de las nubes, de su espesor; de su altitud, de su temperatura, etc.

En el conjunto de la superficie del planeta se cree que el efecto neto de las nubes es el de enfriar. A partir de las diferencias observadas desde satélites de la radiación solar reflejada desde cielos con nubes y desde cielos sin nubes, se deduce que las nubes incrementan el albedo planetario (la reflectividad global) en un 15 %, lo que supone una pérdida de 50 W/m2. En compensación, se calcula que la retención por parte de las nubes de radiación infrarroja saliente supone globalmente una ganancia, o efecto invernadero, de unos 30 W/m2. Por lo tanto, el forzado radiativo resultante es negativo: -20 W/m2.

Ahora bien, debido a la gran variabilidad de la cobertura de nubes, y a otros aspectos teóricos incomprendidos sobre su microfísica, existe aún mucha incertidumbre respecto a esta cifra, por lo que la inclusión del efecto de las nubes en los modelos climáticos sigue siendo problemática y está sometida a continuos cambios. De hecho, un análisis de 19 modelos diferentes indica que una docena de ellos se alejan mucho de esta cifra, atribuyendo a las nubes un enfriamiento neto de más de -30 W/m2 (Cess, 2005).

Según la ley de Kirchoff todo objeto que absorbe radiación es, a su vez, un emisor. Por lo tanto, las nubes también emiten radiación, hacia abajo y hacia arriba. El total de radiación que emiten es proporcional a la temperatura elevada a la 4 según la ley de Stefan-Boltzmann. Como la temperatura del aire decrece con la altura, las nubes casi siempre están más frías que la superficie terrestre que está debajo. En consecuencia la radiación infrarroja que el tope de una cubierta de nubes emite hacia arriba, dejándola escapar hacia el espacio, es siempre menor que la radiación emitida por la superficie terrestre y retenida en la atmósfera por esa cubierta de nubes. Esta es la esencia del potente efecto invernadero que ejercen las nubes. No sólo devuelven hacia abajo parte de la energía absorbida, sino que también siempre dejan escapar hacia arriba una cantidad menor de energía que la energía infrarroja terrestre previamente absorbida. No todas las nubes se comportan de igual manera. Las nubes que están más calientes emiten más radiación que las nubes más frías. Como la temperatura del aire suele decrecer con la altura, resulta que las nubes bajas suelen emitir más radiación que las nubes altas.

los cirros

Se cree que, en general, los altos y delgados cirros, muy fríos, formados por cristalitos de hielo translúcido, dejan pasar mucha radiación solar entrante (bajo albedo), pero atrapan gran parte de la energía terrestre que llega hasta ellos, ya que, debido a las frías temperaturas, la energía que emiten y dejan escapar al espacio es pequeña. Por lo tanto añaden energía a la troposfera, ya que su efecto albedo es inferior a su efecto invernadero. Pero no todos los cirros son iguales.

Según Ramanathan, basándose en investigaciones sobre lo que ocurre en el Pacífico cuando se produce allí el fenómeno del Niño, las nubes en los trópicos juegan un papel de termostato, que podría oponerse al calentamiento (Ramanathan, 1991). Según esta teoría, rechazada por otros modelistas (Mitchell, 1991), el incremento de las temperaturas superficiales del océano no puede exceder nunca de un cierto límite porque las altas temperaturas provocan un incremento de la convección y un aumento del espesor de los cirros de hielo, que dejan de ser translúcidos y se convierten en altamente reflectivos. Estos cirros, en forma de yunques, se forman en lo alto de los cúmulos tropicales. En oposición a los cirros translúcidos, forman una extensa capa de nubes opaca a la radiación solar, cubren una gran superficie y producen un efecto de enfriamiento, o de contención de las temperaturas, en la superficie oceánica.

Por otra parte, experimentos de laboratorio muestran que los aerosoles de sulfato de amonio (NH4)2SO2 provenientes de las prácticas agrícolas pueden tener bastante importancia en la formación de los cirros al formar cristales de hielo a partir del vapor de agua. Ahora bien, estos cristales, que pueden adquirir un tamaño relativamente grande, sedimentan más rápidamente y desecan el aire, con lo que el efecto invernadero se reduce (Abbat, 2006).

los estratos bajos

Los blancos estratos bajos que suelen cubrir vastas extensiones marinas, reflejan hacia arriba gran cantidad de energía solar y además retienen poca radiación infrarroja terrestre, ya que, al estar su tope a baja altura, la temperatura de la superficie de emisión saliente hacia el espacio es alta y es también elevado el valor de la energía que emiten hacia arriba. Su efecto es un enfriamiento de la superficie, que algunos calculan en unos 15 W/m2.

los cúmulos

Más incertidumbre, en cuanto al signo de sus efectos, presentan las nubes de tipo cumuliforme, de las que no se conoce muy bien sus porcentajes de absorción, reflexión y emisión de energía, muy dependientes de las características físicas, como el espesor, densidad y temperatura de los diferentes niveles.

por regiones

Por todo lo anterior, el efecto radiativo de las nubes es muy desigual en unas regiones y otras del planeta. El reparto de los porcentajes de energía solar absorbida y reflejada varía mucho según el tipo de nube, la latitud y la estación del año (Li, 1995). Por ejemplo, en las regiones oceánicas tropicales del oeste de Africa y de Sudamérica, cubiertas con frecuencia por capas bajas de estratocúmulos, las nubes pueden provocar una disminución neta en superficie de 100 W/m2 . Por el contrario, los altos cirros finos que a veces cubren los desiertos tropicales suelen producir un aumento neto de hasta 25 W/m2. En las latitudes medias, las depresiones profundas con frentes de nubes asociados tienen un efecto de enfriamiento debido a que el albedo es muy alto. Por el contrario, en las regiones polares la cubierta de nubes tiene un efecto de calentamiento, ya que, aparte del efecto invernadero, las nubes tienen menor albedo que las superficies subyacentes, despejadas de nubes pero cubiertas de nieve.

En el balance de radiación que llega a la superficie, los cálculos efectuados a partir de mediciones satelitarias indican que las nubes producen un pequeño calentamiento en los trópicos, un enfriamiento muy notable en las latitudes medias y, de nuevo, un calentamiento pequeño en las latitudes altas (Sohn & Smith, 1992).

Finalmente, es oportuno señalar que, aunque globalmente las nubes enfríen, su efecto térmico en superficie es diferente durante el día que durante la noche. Por ejemplo, las nubes bajas y medias tienden a enfríar los días pero tienden a templar las noches. Por lo tanto, hacen que disminuyan las oscilaciones térmicas entre los días y las noches. Globalmente la nubosidad provoca una reducción de las oscilaciones térmicas diarias y de las diferencias entre las máximas diurnas y las mínimas nocturnas.

2. Nubosidad y radiación cósmica

Los rayos cósmicos galácticos consisten en partículas muy energéticas (fundamentalmente protones) que se originan en supernovas de nuestra galaxia, fuera del Sistema Solar. Es posible que la radiación cósmica que entra en la atmósfera terrestre ayude, por procesos ionizantes, a que aumente la concentración de núcleos de condensación en el aire y, en consecuencia, a la formación de más nubosidad (Carslaw et al. 2002). Un reciente experimento dirigido por Henrik Svensmark en el Centro Nacional del Espacio de Dinamarca, ha logrado simular este proceso.

Se sabe que el incremento de la intensidad del viento solar —que es también un flujo de partículas ionizadas pero de menor energía— hace que disminuya la entrada de radiación cósmica en todo el Sistema Solar, incluída la atmósfera terrestre. El viento solar, modificando el campo magnético interplanetario, actúa, por lo tanto, como un escudo que rechaza la entrada de los rayos cósmicos intrusos venidos de otras estrellas.

El carbono-14 , isótopo inestable del carbono, se forma continuamente en la atmósfera por el choque de rayos cósmicos galácticos con átomos de nitrógeno. Cuando en un fósil o en la madera de un anillo de árbol, del que ya se conoce su edad por otros métodos, se encuentra una anomalía con respecto al porcentaje de 14C que le correspondería contener, ello indica que en la época en que vivió ese fósil, o creció ese anillo de árbol, pudo haber una anomalía en la producción de 14C atmosférico y, por lo tanto, en la intensidad de la radiación cósmica galáctica que alcanzaba entonces la Tierra. Pero la llegada de mayor o menor radiación cósmica galáctica depende inversamente de la intensidad del viento solar que la intercepta. Por eso, finalmente, se puede deducir que las anomalías detectadas en el 14C dependen de las anomalías de la emisividad solar.

Las épocas en las que hubo una mayor producción de 14C se corresponden con épocas de menor actividad solar (y más radiación cósmica incidente). Si además se produce un incremento del berilio-10 (10Be), un isótopo del berilio que es también cosmogénico, la hipótesis de una menor actividad solar se refuerza. Tal es el caso de los mínimos de Wolf, Sporer y Maunder ocurridos en el transcurso del último milenio.

A mayor actividad solar debe corresponder menor radiación cósmica, y menor nubosidad. Por el contrario, a menor actividad solar debe corresponder más radiación cósmica, y mayor nubosidad. En este sentido, se ha constatado que la cubierta total de nubes sobre la superficie de la Tierra, medida por aparatos satelitarios desde 1979, oscila entre un 65 % y un 68 % , y esta variación parece haberse correlacionado, en lo que a la cubierta de nubes bajas se refiere (hasta 3 km de altura), con las variaciones en la incidencia de radiación cósmica sobre la Tierra.

El viento solar tiene influencia en la actividad geomagnética terrestre. Su intensidad, a lo largo del siglo pasado, ha mostrado una tendencia al alza. Correlativamente ha habido una disminución de la incidencia de radiación cósmica galáctica y una menor formación de nubes bajas, lo que, según esta teoría, habría provocado un aumento de las temperaturas superficiales de la Tierra (ver figura).

Investigadores daneses dirigidos por Friis-Christensen (Friis-Christensen, 1991) han encontrado también una correlación positiva entre la duración de los ciclos solares y las temperaturas del siglo XX. Se observa que en los períodos de ciclos solares cortos la temperatura media de la superficie de la Tierra aumenta y disminuye cuando los ciclos se alargan. Cuando los ciclos son cortos, el Sol está más activo, más brillante. Hay más viento solar y menos nubosidad: la superficie terrestre se calienta.

Sin embargo, toda esta teoría de la relación entre la nubosidad y los rayos cósmicos no ha sido aún demostrada fehacientemente, ya que las mediciones satelitarias de la nubosidad global abarcan aún un período muy corto (ver evolución). Y, por ejemplo, no se han tenido en cuenta los efectos térmicos diferentes en superficie que provocan las nubes según su altura. Tampoco se explica que, a pesar de que la oscilación en la entrada de la radiación cósmica es más intensa en las latitudes altas, la correlación entre la nubosidad y la radiación es allí menor que en las latitudes medias y bajas (Kernthaler, 1999).

Una teoría más reciente relaciona la variabilidad solar con la nubosidad, no a través de las variaciones inducidas en la intensidad de los rayos cósmicos, sino por su influencia en la formación de ozono estratosférico. Se sabe que en los ciclos solares de once años los cambios de radiación ultravioleta, productoras de ozono, son relativamente importantes. La mayor o menor producción de ozono acaba teniendo influencia en el calentamiento estratosférico, e indirectamente este calentamiento afecta a la circulación troposférica. Sería esto último lo que modificaría la nubosidad y lo que explicaría que se encuentren correlaciones importantes entre la variabilidad solar y la extensión de la capa de nubes en regiones como Estados Unidos (Udelhofen, 2001).

3. Evolución de la cobertura global de nubes

Las nubes cubren aproximadamente entre un 65 % y un 68 % de la superficie terrestre. Este porcentaje varía en función de la temperatura, de la humedad, y de los núcleos de condensación presentes en el aire. Las gotitas de agua de las nubes se forman siempre en presencia de estos núcleos. Por eso, todos los aerosoles naturales y antrópicos, así como las partículas ionizadas ligadas a la radiación solar y cósmica, tienen una repercusión directa en los cambios de la nubosidad terrestre. Por ejemplo, la contaminación por partículas volátiles aumenta la nubosidad de tipo bajo y medio sobre las grandes conurbaciones y el aumento del tráfico aéreo incrementa la capa de cirros altos y translúcidos sobre algunas regiones (Boucher,1999; Stubenrauch, 2005).

El cómo evolucionará la cobertura de nubes, en qué sentido, y el efecto que tendrá en el clima del próximo futuro es la mayor incógnita de los modelos informáticos. Casi lo único que se sabe por ahora es que, como una carta comodín escondida, su influencia será importante.

Aparte de la cantidad de “suciedad” o de núcleos de condensación que contenga el aire, la nubosidad puede variar si varía la circulación general atmosférica. La nubosidad es mayor en las zonas en donde predominan los movimientos convergentes y ascendentes de aire, y es menor en las zonas en donde el aire desciende y diverge. Por lo tanto, los cambios en la circulación general atmosférica, que alteran la extensión e intensidad de las zonas de bajas presiones (convergencia de vientos) y de altas presiones (divergencia de vientos), puede también modificar la nubosidad a escala global.

Desde 1960 hasta finales de la década de los 80, la nubosidad parece haber aumentado en casi todos los continentes. A escala global el 86 % de las estaciones del mundo muestran aumentos en la nubosidad. Se calcula que el incremento de la cobertura nubosa en ese período había sido de un 10 % en Estados Unidos y de un 5 % en Europa (Henderson-Sellers, 1992). El fenómeno acuñó el término de “oscurecimiento global” ("global dimming"). Este oscurecimiento parece que se produjo especialmente en las regiones urbanizadas (Alpert, 2005). Se ha calculado que este oscurecimiento supuso una disminución de la radiación solar en superficie de más de 6 W/m2, lo que equivaldría a un aumento del 2% en el albedo terrestre (Charlson, 2005).

El oscurecimiento entre 1960 y 1987 debería haber producido un enfriamiento y no el calentamiento de 0,4ºC de la temperatura global registrada con la red de termómetros de superficie entre esos años. Una manera de resolver esta contradicción es suponer que haya habido una disminución de evaporación en los continentes, lo que, al hacer que el suelo pierda menos calor, haya hecho aumentar su temperatura y la del aire superficial.

El aumento de la nubosidad vino acompañado por una disminución de la oscilación térmica entre los días y las noches, pues las temperaturas mínimas por lo general aumentaron más que las temperaturas máximas (Braganza, 2004). La influencia de las nubes en la osilación térmica diaria fue corroborada en los tres días que sucedieron a la destrucción de las Torres Gemelas, en los que se prohibió el vuelo de aviones sobre los Estados Unidos. En esos días la oscilación térmica diurna aumentó en más de 1ºC. La razón más probable es la ausencia de las estelas (contrails) que dejan los aviones al facilitar los procesos de condensación en sus trayectorias (Travis, 2002).

Pero la tendencia parece haber cambiado en los últimas dos décadas, desde 1987, y la evolución de la nubosidad aparece como más compleja (Wild, 2005). El proyecto satelitario ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project) indica que a nivel global y durante el período 1987-2001 la nubosidad total disminuyó un 4%, con la mitad de esta disminución debida a la disminución de las nubes bajas y la otra mitad debida a la disminución de las nubes medias y altas, pero aumentó de nuevo un 2% entre el 2001 y el 2004 (Pallé, 2005 y 2006). Un estudio satelitario aplicado al período reciente 1990-2003 no indica en Europa ninguna tendencia apreciable (Meerkötter, 2004). En China, las series de observaciones de las últimas décadas indican una disminución de la nubosidad en casi todas sus regiones (Kaiser, 2000).

Durante el período 1987-2001 la nubosidad total a escala global disminuyó un 4% . Desde el 2001 ha aumentado de nuevo. Las mediciones han sido realizadas por el proyecto satelitario ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project). La media del período analizado es del 66,5% de cielo cubierto. referencia: http://isccp.giss.nasa.gov/

referencias:

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