Iniciamos un viaje en el tiempo para analizar los cambios climáticos de la Tierra, que nos ayudarán a entender cómo y por qué cambia el clima de la Tierra, y qué es lo que debemos esperar de dichos cambios. En este primer capítulo examinamos los ciclos glaciales.
Naturaleza desatada: Cambios climáticos del pasado reciente.
Parte I. Los Ciclos Glaciales.
Cuando se habla del cambio climático es bueno tener en mente un marco de referencia para situar el presente calentamiento global en perspectiva. El no hacerlo nos deja con un tamaño de muestra de un solo calentamiento y muchas posibilidades de cometer un error estadístico de tipo I. Cuando el pastorcillo gritó "que viene el lobo" les estaba proponiendo a los aldeanos una hipótesis alternativa a la hipótesis nula, que es que no hubiera lobo. Cuando los aldeanos aceptaron la hipótesis con un tamaño de muestra de uno y sin suficientes evidencias cometieron un error estadístico de tipo I, puesto que se trataba de un falso positivo (no había lobo a pesar de los gritos). Dado el evidente riesgo de cometer dicho error con el cambio climático, es importante estudiar el clima del pasado.
Puesto que solo hay una realidad e ilimitadas hipótesis para explicarla, siempre que nos enfrentamos con una nueva proposición, es razonable pensar que la hipótesis nula es que la proposición no sea cierta. Adoptar esta posición razonable significa ser escéptico por naturaleza. Ello no le hace a uno muy popular entre los aldeanos, pero le hace a uno acertar la mayoría de las veces.
Puesto que las afirmaciones extraordinarias requieren extraordinaria evidencia, al elevar el listón de la evidencia requerida, reducimos las probabilidades de cometer un error de tipo I (rechazar la hipótesis nula cuando es cierta). El estudio de los cambios climáticos del pasado es por ello de gran importancia para el estudio del presente calentamiento global. A priori deberíamos ser escépticos con las afirmaciones que proponen que "esta vez es diferente", no porque no sea cierto, sino porque cada vez es diferente. Cada periodo interglacial es diferente, pero eso no significa que no se puedan encontrar explicaciones comunes, incluso si diferentes factores contribuyeron de modo distinto a cada uno de ellos. Después de todo la ciencia se basa mucho más en encontrar explicaciones comunes a diferentes observaciones, que en encontrar explicaciones específicas para cada observación.
En esta serie de artículos voy a examinar los cambios climáticos del pasado reciente, lo que se refiere a los cambios climáticos significativos que han tenido lugar desde que la humanidad anda por la Tierra. En este artículo revisaremos los ciclos glaciales, con un énfasis especial en los últimos 125.000 años. El segundo artículo se centrará en los cambios abruptos conocidos como sucesos Dansgaard-Oeschger, que han tenido lugar dentro del último periodo glacial, con especial énfasis en el periodo 50 - 15 ka AP (miles de años antes del presente, referido a 1950). El tercer y cuarto artículos examinarán parte de la evidencia sobre los ciclos milenarios del Holoceno. Espero que en el proceso podamos aprender lo suficiente acerca de los cambios climáticos como para añadir un poco de perspectiva sobre el actual. Las extrapolaciones a futuro de los cambios climáticos milenarios se explorarán en un quinto artículo más especulativo.
Para establecer las bases debemos saber que la Tierra se ha pasado el 90% de su tiempo durante el último millón de años en el 1% de las temperaturas más frías de los pasados 500 millones de años. Es decir, la Tierra está atrapada en un estadío extremadamente frío conocido como la Edad de Hielo Cuaternaria. Las razones de ello son desconocidas. Una edad de hielo se define como cualquier periodo caracterizado por la presencia permanente de una extensa cubierta de hielo en al menos uno de los polos. Puesto que las últimas cuatro edades de hielo han tenido lugar con aproximadamente 150 millones de años de intervalo (ver figura 1 en este artículo anterior), algunos científicos apoyan una explicación de origen astronómico (cambios en el Sol, la órbita de la Tierra, o el paso del sistema solar a través del plano galáctico), mientras que otros prefieran una explicación terrestre (cambios en la distribución de los continentes, o en la concentración de los gases de efecto invernadero).
Así que no sabemos por qué la Tierra se encuentra en una edad de hielo, pero al menos pensamos que sabemos por qué el otro 10% del tiempo la Tierra consigue un breve respiro de las condiciones predominantemente glaciales y entra en una etapa más suave conocida como interglacial.
1. El ciclo glacial-interglacial. La teoría de Milankovitch.
La teoría actualmente aceptada del cambio climático glacial-interglacial fue propuesta por primera vez en 1864 por James Croll, un conserje autodidacta en el Instituto Anderson de Escocia, lo que demuestra que cualquiera puede hacer ciencia. Se le ofreció una plaza en 1867, intercambió correspondencia con Charles Lyell y Charles Darwin, y se le otorgó un título honorario. Pero el conocimiento científico de la época y sus propias limitaciones en matemáticas y astronomía llevaron a que finalmente se rechazara su teoría. Croll concluyó erróneamente que la excentricidad orbital y la falta de insolación invernal eran responsables de los periodos glaciales, y aunque fue el primero en proponer la retroalimentación positiva por el efecto albedo del hielo como mecanismo, su modelo requería glaciaciones asincrónicas en ambos polos, y la temporalidad de las glaciaciones no estaba apoyada por la evidencia (incorrecta) disponible entonces.
El primero en llevar a cabo el trabajo de calcular las complicaciones de la insolación de la Tierra en diferentes latitudes debido a los cambios orbitales en una era sin ordenadores fue el genio serbio Milutin Milankovitch en 1920, e inmediatamente se fijó en la insolación veraniega como factor clave para explicar los drásticos cambios climáticos del pasado. Su teoría sin embargo no fue aceptada hasta 1970, cuando se encontró evidencia geológica de la existencia de múltiples ciclos glaciales-interglaciales, aunque su espaciamiento (100 ka) era un poco extraño para la teoría de Milankovitch. Una datación adecuada de las glaciaciones durante los últimos 2,6 millones de años mostró que en su mayor parte habían tenido lugar a intervalos de 41.000 años, como predecía la teoría.
La teoría de Milankovitch es muy bien conocida, así que no tiene sentido repasarla con mucho detalle. Baste decir que hay tres tipos de cambios orbitales que afectan a la insolación de la Tierra en el largo plazo (figura 1).
Excentricidad: Si el sistema Solar estuviera compuesto solo por el Sol y la Tierra, la órbita elíptica de la Tierra siempre tendría la misma excentricidad, pero como los movimientos de los otros planetas, especialmente los gigantes más cercanos Júpiter y Saturno, producen cambios en la gravedad, la órbita de la Tierra aumenta y reduce su excentricidad. La excentricidad cambia con un ritmo principal de 413.000 años, y dos ritmos secundarios de 95.000 y 125.000 años. Los cambios en excentricidad son los únicos cambios orbitales que alteran la cantidad de energía solar que recibe la Tierra, puesto que alteran su distancia al Sol. Puesto que la orbita de la Tierra es siempre bastante circular (excentricidad de 0.005 a 0.06) el cambio de insolación entre el perihelio y el afelio (ahora en Enero y Julio) es pequeño, actualmente del 6,4% (0.016 excentricidad). Los cambios de excentricidad también producen un acortamiento y alargamiento de las estaciones al acelerar la Tierra en el perihelio y frenarse en el afelio. Actualmente el invierno del hemisferio Norte (en el perihelio) es 4,6 días más corto que el invierno del hemisferio Sur (en el afelio). Lo importante que hay que recordar en términos de cambio climático es que debido a la duración de su ciclo principal y a la baja excentricidad de la órbita terrestre el ciclo de excentricidad produce un forzamiento extraordinariamente pequeño, o en otras palabras, los cambios en insolación debidos a la excentricidad son muy pequeños en el transcurso de unos pocos miles de años.
Oblicuidad: Este ciclo se produce por los cambios en la inclinación del eje de la Tierra, o inclinación axial, con respecto al plano orbital. La inclinación axial varía entre 22.1° y 24.3° en el transcurso de un ciclo, que lleva 41.000 años. Actualmente la inclinación es de 23.44° y bajando. El cambio en la inclinación cambia la distribución de la energía solar entre las estaciones y entre las latitudes. Cuanto mayor es la oblicuidad, mayor insolación en los polos durante el verano y menor insolación en los polos durante el invierno y en los trópicos durante todo el año. La alta oblicuidad promueve los interglaciales mientras que la baja oblicuidad está asociada a los periodos glaciales. Aunque la oblicuidad no cambia la cantidad de insolación que recibe la Tierra, cambia la cantidad de insolación que recibe cada latitud, y el cambio es muy grande en las latitudes altas.
Precesion: Hay dos movimientos precesionales. La precesión axial es el lento cabeceo de la Tierra al girar sobre su eje debido al tirón gravitacional sobre su ecuador por otros cuerpos solares. El eje de la Tierra describe por ello un circulo sobre las estrellas fijas cada 26,000 años, de tal manera que si ahora apunta a la estrella Polar, hace 13.000 años apuntaba a Vega. La precesión orbital (o apsidal o elíptica) es la lenta rotación de la órbita elíptica alrededor de su foco más cercano al Sol en un periodo de 113.000 años. La precesión combinada (de los equinocios) desplaza progresivamente las estaciones sobre el año y sobre la órbita, de tal manera que si ahora el invierno del hemisferio Norte tiene lugar en el perihelio (perigeo, más cercano al Sol), en unos 11.500 años estará teniendo lugar en el afelio (apogeo, más lejano al Sol). La precesión está por ello modulada por la excentricidad, puesto que el ángulo de precesión sería irrelevante si la excentricidad fuera cero (órbita circular). Es importante destacar que la precesión no cambia ni la cantidad de insolación que recibe la Tierra, ni la cantidad de insolación que recibe cada latitud durante el año. Toda la insolación que la precesión le da a una estación, se la retira de otras estaciones, y por ello la precesión es un importante contribuidor a la insolación veraniega y al gradiente de insolación latitudinal. La interacción de los varios componentes de la precesión produce ciclos de 19, 22 y 24 ka, con un periodo medio de aproximadamente 23.000 años. Puesto que el verano del hemisferio Norte tiene lugar ahora en el afelio, estamos en un mínimo del ciclo precesional desde el punto de vista de la insolación de verano a 65°N.
Figura 1. Cambios en la órbita de la Tierra como base de la teoría de Milankovitch. La variación de la excentricidad orbital (verde) produce cambios en la forma de la órbita terrestre con periodos de 413 ka y 100 ka. La inclinación axial (azul) cambia con los periodos de oblicuidad de 41 ka. La precesión orbital (naranja) rota la órbita alrededor de uno de los focos, mientras que la precesión axial (amarillo) cabecea la Tierra. Ambas juntas producen un periodo medio de 23 ka. Fuente: Cyril Langlois
La interpretación actual de los seguidores de la teoría de Milankovitch es que la iniciación glacial tiene lugar cuando la insuficiente insolación veraniega a 65°N permite que más hielo sobreviva al verano cada año, iniciando el crecimiento de los mantos de hielo Laurentino, Finoescandinavo, y Siberiano. Este proceso es alimentado por el albedo del hielo y otras retroalimentaciones positivas y progresivamente enfría la Tierra, con una caída simultánea en los niveles del mar. El periodo glacial sobrevive a varios ciclos de incremento en insolación veraniega a 65°N y progresivamente se vuelve más frío y con niveles del mar más bajos. El siguiente ciclo de excentricidad, entre 95 y 125 ka más tarde, induce una respuesta no lineal de la precesión tal que el siguiente incremento en insolación veraniega a 65°N dispara una terminación glacial, un proceso mucho más rápido que la glaciación, que se ve ayudado por los efectos de retroalimentaciones positivas como la reducción en el albedo del hielo o el aumento de los gases de efecto invernadero.
Puesto que los ciclos glaciales son muy difíciles de modelar con los modelos climáticos actuales, construidos más o menos sobre las condiciones del Holoceno, las discusiones entre los defensores de Milankovitch se centran sobre el tan de moda papel del CO2 en la terminación glacial (Shakun et al., 2012), sobre un modelo de tres etapas con condiciones interglaciales, glaciales suaves y glaciales completas (Paillard, 1998), o acerca de un interruptor de hielo marino para explicar por qué otros picos de insolación veraniega a 65°N no consiguen sacar al mundo de la glaciación hasta que el ciclo de excentricidad actúa 100 ka más tarde (Gildor and Tziperman, 2000).
2. Problemas con la teoría de Milankovitch
La teoría actual de explicar las glaciaciones a través de la insolación a 65°N, regulada por el ciclo de excentricidad de 100 ka, a pesar de tener un amplio apoyo científico y estar en los libros de texto, tiene un número importante de agujeros que están siendo debatidos.
El más importante es el problema de los 100 ka. Hasta hace cerca de un millón de años las glaciaciones estaban teniendo lugar a intervalos de 41 ka, apuntando a la oblicuidad como el factor principal, como predice la teoría de Milankovitch; pero desde entonces las glaciaciones están teniendo lugar a intervalos de 100 ka (figura 2). Cuando esto fue descubierto, el problema fue que la teoría de Milankovitch no reservaba ningún lugar especial para el ciclo de excentricidad, puesto que su efecto es mínimo, así que Hays, Imbrie y Shackleton en su artículo de 1976 propusieron que la excentricidad estaba causando su efecto de una forma no lineal. El problema se complica porque el principal ciclo de la excentricidad es de 413 ka, y ese ciclo no aparece por ninguna parte en el registro, así que eso nos deja con la conclusión de que la excentricidad produce un efecto multiplicativo durante sus ciclos menores, y sin embargo no tiene efecto durante su ciclo principal. Esto demuestra lo acomodaticios que son algunos científicos cuando carecen de una explicación alternativa. Maslin y Ridgwell (2005) lo llaman "el mito de la excentricidad". Debe añadirse que el cambio de las glaciaciones de 41 ka del Pleistoceno temprano a las glaciaciones de 100 ka del Pleistoceno tardío tuvo lugar sin ningún cambio de insolación, así que la teoría de Milankovitch está in albis a la hora de explicarlo.
Figura 2. La Transición del Pleistoceno Medio. Dos indicadores diferentes de la temperatura, la alquenona UK'37 en sedimentos marinos (rojo), y las variaciones del isótopo δ18O en testigos de hielo (azul), muestran el progresivo enfriamiento de la Tierra durante el Plioceno. En el Pleistoceno temprano las glaciaciones empiezan a tener lugar a intervalos de 41 ka. Al progresar el enfriamiento el intervalo se alarga a 100 ka en lo que se denomina la Transición o Revolución del Pleistoceno Medio. Fuente: K.T. Lawrence, Z. Liu, T.D. Herbert. 2006. Science Vol. 312 no. 5770 pp. 79-83.
El problema de los 100 ka se ilustra muy bien en la figura 3, donde comparamos la teoría de Milankovitch, a través de la descomposición de la insolación en sus componentes de excentricidad, oblicuidad y precesión, con la evidencia procedente del mundo real, a través del análisis de frecuencias de los indicadores de temperatura para revelar sus componentes cíclicos principales. Hay que destacar que raramente se ve la excentricidad dibujada a su verdadero forzamiento comparativo. La disparidad es tan evidente como para demostrar que la teoría actual de consenso sobre las glaciaciones no puede ser correcta.
Figura 3. El problema de los 100 ka. La teoría de Milankovitch, en su forma actual consensuada, se enfrenta a problemas para explicar la disparidad entre las observaciones y las predicciones. A. Los cálculos de la insolación veraniega a 65°N muestran que el rango predicho de 105 W/m2 se debe fundamentalmente a la precesión, seguida de la oblicuidad con una magnitud similar. La contribución de la excentricidad es sin embargo muy pequeña. B. Cuando se analiza el espectro de los indicadores de temperatura, la principal banda es la de 100 ka, seguida en intensidad por la banda de 41 ka, mientras que las bandas de 23 y 19 ka son apenas detectables. Así que el contribuyente más fuerte da la señal más débil, mientras que la señal más fuerte proviene de una frecuencia de lo que debería ser un contribuyente insignificante. Fuente: J. Imbrie et al. 1993. Paleoceanography Vol. 8 no. 6 pp. 699-735. Modificado.
Figura 4. Disparidad entre los cálculos de la teoría de Milankovitch y los datos de las observaciones. Una transformada de Gabor es un análisis de frecuencias de Fourier sobre una ventana temporal. Cuando se aplica sobre los cálculos de insolación veraniega a 65°N de la órbita de la Tierra durante los últimos 800 ka muestra los principales contribuyentes a esa señal que se piensa que es responsable de las terminaciones glaciales. El principal contribuyente es el periodo de 23 ka seguido por el periodo de 18 ka, ambos procedentes de los ciclos de precesión, seguidos de la señal menos intensa procedente del periodo de 41 ka de los ciclos de oblicuidad. Cuando el mismo análisis se lleva a cabo sobre los datos de temperatura procedentes de las observaciones (registro de testigos de hielo de Epica Dome C), podemos ver que la temperatura de la Tierra apenas responde a la precesión, puesto que la banda de 23 Ka es muy tenue. En su lugar podemos ver las bandas de oblicuidad a 41 y 83 ka (doble harmónico), y la prominente banda a 100 ka, que no puede ser la excentricidad, puesto que le falta lo que debería ser una banda aún más intensa a 413 ka. Fuente: John Baez.
Segundo en importancia es el problema de la causalidad, ejemplificado en "el problema del estadío 5". El estadío isotópico marino 5 (MIS 5) es un nombre alternativo para el periodo interglacial anterior, también conocido como Eemiense en Norteamérica. De acuerdo a la insolación, el Eemiense o MIS 5 debería haber empezado como pronto hace 135 ka, sin embargo datos obtenidos a partir de cristales en una cueva de Nevada denominada Devils Hole (el Agujero del Diablo) en 1992 indican que para esa fecha la terminación glacial estaba esencialmente finalizada (Winograd et al., 1992; Ludwig et al., 1992. La terminación glacial se define como el punto medio en el nivel del mar entre glacial e interglacial). En la literatura estalló una gran controversia sobre estos datos que aún no se ha calmado. Pero los datos de Devils Hole no están solos, puesto que datos similares se han obtenido de los arrecifes de coral en las Bahamas (Gallup et al. 2002), Barbados y Papua Nueva Guinea, de los sedimentos del margen ibérico y espeleotemas de una cueva italiana (Drysdale et al. 2009), y todo ello indica que la terminación estaba esencialmente completada hace 135 ka, una fecha en la que la insolación veraniega a 65°N estaba todavía por debajo de sus niveles durante el 70% de los previos 100 ka (figura 5). Datos adicionales indican que MIS 5 puede no ser la única terminación glacial donde el efecto parece preceder a la causa. El problema se complica aún más porque la insolación veraniega ha sido utilizada como el criterio definitorio a la hora de fechar el comienzo y el final de las glaciaciones en los sedimentos en la serie oficial SPECMAP patrocinada por la ONU. Esto provoca argumentos de razonamiento circular cuando se defiende que la insolación establece las glaciaciones y las terminaciones cuando se ha utilizado para fecharlas.
Figura 5. El problema de la causalidad. La flecha marca el momento en que el efecto tiene lugar antes que su teórica causa. Según la teoría de Milankovitch la terminación glacial II que dio lugar al MIS 5 o interglacial Eemiense, no pudo haber comenzado antes de hace 135 ka (línea discontinua vertical gris) debido a falta de forzamiento solar. Sin embargo los datos de la cueva Devils Hole (línea gris fina) indican un comienzo mucho más temprano, puesto que la desglaciación ya estaba bien avanzada hace 140 ka. Los datos de la serie SPECMAC (línea gruesa negra) no son de ayuda, puesto que se han hecho coincidir con la insolación veraniega a 65°N de forma que el punto medio de cada subida se establece en la máxima insolación (barras verticales grises). Los datos de los arrecifes de coral de Barbados (verde y amarillo) apoyan un comienzo temprano, puesto que la muestra NU-1471 indica que hace 136 ka, según los niveles del mar, la Terminación II ya estaba completada en un 80%. En naranja la insolación veraniega a 65°N. La oblicuidad en azul. El ciclo de oblicuidad comenzó 10 ka antes, hace 150 ka. Fuente: C.D. Gallup et al. 2002. Science Vol 295 pp. 310-313. Oblicuidad añadida.
Un último problema es que los ciclos glaciales son simétricos entre los hemisferios, puesto que ambos se calientan y se enfrían simultáneamente, mientras que el forzamiento estacional de la precesión (y la insolación veraniega a 65°N) es anti-simétrico y cuando un hemisferio debería calentarse, el otro debería enfriarse.
3. La teoría del ciclo glacial-interglacial apoyada por la evidencia disponible
Cuando examiné la evidencia como foráneo de la especialidad, me sorprendí mucho, porque todos los datos indican de forma muy clara que la oblicuidad es el principal rector de los ciclos glaciales, tal y como Milankovitch inicialmente propuso, y esta simple explicación esencialmente resuelve todos los conflictos con la teoría de consenso, siempre que se abandone el actual dogma, porque la insolación veraniega a 65°N no es la principal fuerza detrás de los ciclos glaciales. La principal evidencia es:
a) Los ciclos glaciales estuvieron de hecho gobernados por el ciclo de oblicuidad de 41 ka durante la mayor parte de la Edad de Hielo Cuaternaria antes de la transición del Pleistoceno Medio (figura 2), mientras que los ciclos de 23 ka y de 100 ka no aparecen por ninguna parte durante ese periodo. La explicación más sencilla de acuerdo a la navaja de Occam es que todavía lo hace.
b) Durante todo el Pleistoceno, la Tierra se ha estado enfriando progresivamente (figura 2). No hay acuerdo sobre la razón y se han propuesto varias explicaciones, desde niveles más bajos de gases de invernadero hasta el alzamiento de la cresta submarina entre Groenlandia y Escocia y la reorganización de la circulación oceánica. Yo prefiero una explicación basada en el enfriamiento progresivo del océano profundo, que situado entre una corteza que irradia calor y una atmósfera con una temperatura media de 14°C no tiene razón para tener una temperatura media de solo 3,9°C excepto que ha estado enfriándose lentamente durante varios millones de años de uno de los periodos más fríos de la Tierra. El enfriamiento del planeta explica por qué los periodos glaciales progresivamente han empezado a saltarse ciclos de oblicuidad que son incapaces de sacar al mundo de condiciones glaciales cada vez más frías. El registro muestra claramente algunos periodos glaciales de 82 ka antes de la transición del Pleistoceno Medio, y también periodos glaciales de 123 ka después, indicando que no hay periodos glaciales de 100 ka, sino múltiplos de 41 ka. Por lo tanto la transición del Pleistoceno Medio fue una transición progresiva, sin ningún cambio de mecanismos, más que un cambio de régimen como se ha propuesto pero no demostrado.
c) Aunque los cambios precesionales afectan sobremanera a la cantidad de insolación en un periodo de tres meses, dichos cambios rápidamente se promedian en los siguientes tres meses, dejando el total de radiación anual sin cambios. Por contraste los cambios de oblicuidad añaden una cantidad significativa de calentamiento en altas latitudes año tras año durante un periodo de milenios, y por ello pueden tener un efecto acumulativo enorme (figura 6).
Figura 6. Cambios de insolación anual en altas latitudes y el problema de simetría. Se muestran los cambios en insolación anual por latitud y tiempo en una escala coloreada. Dichos cambios son esencialmente debidos a cambios en la oblicuidad (curva sinusoidal azul), puesto que los cambios en insolación por la precesión se promedian entre las estaciones del mismo año. Los cambios persistentes en la insolación de las altas latitudes duran miles de años y se corresponden bastante bien con los cambios de temperatura en la Antártida, mostrados en la línea azul superpuesta. Los ciclos glaciales-interglaciales muestran respuestas de temperatura simétricas en ambos hemisferios. Como puede verse, las temperaturas de la Antártida responden con calentamiento a pesar de los incrementos en insolación veraniega a 65°N, que se corresponden con disminución de la insolación veraniega a 65°S. Fuente: Steve Carson. The science of Doom.
d) La insolación veraniega tiene el mismo ciclo de 23 ka que la precesión. No solo no hay una señal significativa de un ciclo de 23 ka en los datos, sino que si la insolación veraniega a 65°N es tan importante, se vuelve difícil explicar por qué a veces tiene un impacto enorme en las temperaturas y otras veces casi no tiene efecto.
Me resultó grato descubrir al revisar la literatura que algunos científicos escépticos habían propuesto ya la hipótesis que en mi opinión explica mejor la evidencia disponible, que los ciclos glaciales fueron y todavía son un producto de los ciclos de oblicuidad, con una menor contribución de la precesión y la insolación veraniega a 65°C (figura 7. Huybers y Wunch, 2005; Huybers, 2007; Liu et al., 2008).
Figura 7. Un sencillo modelo estocástico de los ciclos glaciales-interglaciales basado en la oblicuidad. Huybers y Wunch, 2005, no pudieron rechazar estadísticamente la hipótesis nula de que las terminaciones glaciales no están causadas por la precesión o la excentricidad, pero rechazaron que no estén causadas por la oblicuidad. Desarrollaron un modelo basado solo en la oblicuidad que reproduce el espaciamiento observado. Izquierda, un ensayo del modelo. Derecha, histograma de frecuencias de la duración de los periodos glaciales tras múltiples ensayos del modelo, mostrando la duración de los seis últimos periodos glaciales como triángulos negros. Fuente: Huybers y Wunch, 2005. Nature Vol 434. pp. 491-494.
Esta hipótesis resuelve la mayoría de los problemas actuales de la teoría de Milankovitch. El problema de los 100 ka se resuelve porque no hay ciclo de 100 ka, solo un ciclo de 41 ka que se salta uno o dos periodos. No hay evidencia de un ciclo de 413 ka porque la excentricidad juega un papel muy secundario en establecer el clima de la Tierra a través de las glaciaciones. Resuelve el problema de la causalidad porque ahora las terminaciones glaciales comienzan en el mínimo del ciclo de oblicuidad, y por lo tanto la terminación de MIS 5 está ya considerablemente avanzada 135 ka AP cuando la insolación veraniega a 65°N es todavía muy baja. También resuelve el problema de la falta de asimetría en la respuesta de los polos, puesto que el ciclo de la oblicuidad es simétrico en ambos polos.
Revisemos como funcionaría la teoría (figura 8).
4. Teoría alternativa a la visión de consenso
Al enfriarse el planeta progresivamente durante el Pleistoceno, alcanzó un punto en que el ciclo de oblicuidad a veces no era lo suficientemente fuerte para sacar al planeta del periodo glacial, así que las glaciaciones empezaron a saltarse un ciclo de cuando en cuando, produciendo un ciclo de 82 ka. Cuando el planeta siguió enfriándose, corría el riesgo de quedarse atrapado en una glaciación permanente, pero afortunadamente una confluencia de factores ha permitido de cuando en cuando que un ciclo de oblicuidad provoque una salida de las condiciones glaciales. La consecuencia es que los interglaciales se suceden cada vez más espaciados, alcanzando una media de 100 ka.
Figura 8. Determinantes de la desglaciación. Comparación entre los datos de temperatura procedentes del testigo de hielo del hemisferio Norte NGRIP (verde) y la insolación veraniega a 65°N (rojo), el ciclo de oblicuidad, ajustado en amplitud al rango de temperaturas por motivos ilustrativos (violeta), y el nivel del mar (azul oscuro). Las temperaturas están divididas en las tres categorías propuestas por Paillard (1998), interglacial, glacial suave y glacial completo. El ciclo entero dura 124 ka. Los determinantes son: a. Oblicuidad creciente, b. temperaturas en glacial completo, y c. Nivel del océano muy bajo o sus correspondientes enormes mantos de hielo. Puede apreciarse como el periodo glacial se vuelve cada vez más frío con dos ciclos de oblicuidad que fallan en conseguir una terminación, hasta que se establecen las condiciones para una fusión explosiva y una redistribución del calor incrementada por las retroalimentaciones capaz de terminar el glacial en los 10.000 años disponibles para ello.
Veamos como se desarrolla el ciclo, siguiendo el último ciclo glacial, que es para el que tenemos los mejores datos (figura 8).
Hace 122 ka el interglacial Eemiense había terminado. Había sido un interglacial más cálido con el nivel del mar más alto que el actual. Con el fin del ciclo de oblicuidad y la caída de la insolación veraniega a 65°N, las temperaturas bajaron relativamente deprisa hasta las condiciones de glacial suave y el nivel del mar bajó aproximadamente 55 m, indicando que los mantos de hielo habían crecido hasta aproximadamente un tercio de su máximo volumen.
Hace 110 ka el ciclo de oblicuidad alcanzó su mínimo (produciendo la condición a en la figura 8). Hace dos millones de años en este punto comenzaría una terminación glacial, pero el planeta se ha vuelto tan frío que no puede superar la inercia del frio, y en tan solo 5 ka la recuperación se aborta cuando la insolación veraniega a 65°N alcanza su pico y comienza a descender.
Podemos ver que tanto la temperatura como los niveles del mar responden mucho tanto a los ciclos de oblicuidad como a los ciclos de insolación veraniega a 65°N, pero como veremos, las terminaciones solo responden a los ciclos de oblicuidad.
Hace 70 ka tiene lugar el siguiente intento de terminación. Esta vez las temperaturas han bajado aún más, hasta las condiciones de glacial completo (éste es el requisito b en la figura 8) y el nivel del mar ha caído 90 m. La caída de temperaturas hasta niveles tan bajos actúa de muelle estirado. Ahora el calentamiento inducido por la oblicuidad puede ser tan rápido como para inducir una respuesta alimentada por retroalimentación muy rápida y avanzar hasta las condiciones interglaciales, produciendo un ciclo glaciar de 82 ka. Pero esta vez el calentamiento se aborta de nuevo. Aparentemente sin motivo, puesto que los ciclos de oblicuidad y de insolación veraniega a 65°N todavía están creciendo. El calentamiento pierde fuerza hace 60 ka, cuando los niveles del mar comienzan a caer de nuevo. Veremos que hace falta un tercer factor importante para que el calentamiento continúe con fuerza.
Llegamos a hace 30 ka. Cuando el ciclo de oblicuidad alcanza un nuevo mínimo el planeta se encuentra en su condición más fría, el Último Máximo Glacial, con mantos de hielo máximos y nivel del mar mínimo, 120 metros por debajo de los niveles interglaciales. Ésta es la tercera condición para salir del periodo glacial (letra c en la figura 8). Ahora el diferencial de energía está en su máximo, permitiendo una velocidad de calentamiento muy alta y retroalimentaciones máximas. Los continentes del hemisferio Norte soportan el peso de masivos mantos de hielo, hundiéndose, y el hielo marino es amplio, espeso y a bajo nivel. Una gran parte del hielo ocupa esos 120 metros que van a inundarse durante la terminación, y el agua funde el hielo mucho más deprisa que la atmósfera. El mecanismo de muelle está cargado.
Solo 5 ka después del mínimo en el ciclo de oblicuidad, hace 25 ka, las temperaturas se están incrementando en el Ártico, mientras la Antártida no muestra señales de calentarse. Este calentamiento del hemisferio Norte está inducido por la oblicuidad, a pesar de que la insolación veraniega a 65°N todavía se está reduciendo (el problema de causalidad).
Hace 20 ka los niveles del mar alcanzan su mínimo y el calentamiento empieza a aparecer también en la Antártida. El proceso adquiere velocidad y hace 15 ka se dispara fuertemente con un suceso Dansgaard-Oeschger, comenzando lo que se conoce como el periodo Bølling, que ya presenta temperaturas interglaciares en el hemisferio Norte.
Una recaída tiene lugar durante el Dryas reciente, pero afecta fundamentalmente a las temperaturas del hemisferio Norte, y quizá solo durante parte del año, puesto que el nivel del mar y las temperaturas del hemisferio Sur no se ven muy afectados.
5. Consecuencias de esta teoría y asuntos relacionados
Una de las consecuencias de esta teoría es que cuando el ciclo de oblicuidad se vuelve negativo, el interglacial llega a su final. MIS 11 hace cerca de 400 ka fue una excepción, probablemente porque el pico de insolación veraniega a 65°N estaba justo a continuación del pico de oblicuidad y evitó el enfriamiento, sin embargo en el presente interglacial la configuración no es tan favorable. El siguiente pico en la insolación veraniega a 65°N está a 10.000 años, y se calcula que va a ser un pico reducido, a la mitad de su máxima expansión precesional, y para entonces la oblicuidad habrá alcanzado su mínimo. Puesto que las temperaturas reaccionan a la oblicuidad con un retraso aproximado de 45° y dado que el pico de oblicuidad fue hace unos 9.500 años, deberíamos esperar que el siguiente descenso a la glaciación comience en unos 750 años.
Esta proyección del modelo está bastante de acuerdo con la comparación con el análogo astronómico más próximo al Holoceno, el interglacial MIS 19 (Pol et al., 2010; Tzedakis et al., 2012). MIS 19 fue un interglacial que estaba en el mismo punto en que se encuentra el Holoceno hace 777 ka, y tenía una firma astronómica prácticamente idéntica (figura 9), con la misma baja excentricidad y la misma coincidencia de los picos de precesión y oblicuidad. La comparación sugiere que el descenso hacia el próximo glacial debería comenzar en unos 1.500 años (Tzedakis et al., 2012). Nótense también los episodios de calentamiento natural, conocidos como AIM (Máximos Isotópicos Antárticos), que tuvieron lugar en una escala milenaria. A buen seguro debieron sentirse como calentamiento global en aquel tiempo.
Figura 9. Comparación detallada del Holoceno y MIS 19. a) Indicador de temperatura δD (‰) del Holoceno (rojo); b) Señal media (negro) de δD (‰) en MIS 19. En los paneles a) y b) las líneas horizontales finas discontinuas corresponden a los niveles presentes de δD (media del último milenio); e) excentricidad (discontinua, eje derecho) e insolación en el Hemisferio Norte el 21 de Junio (continua, eje izquierdo); f) parámetro de precesión (discontinua, eje derecho), invertido, y finalmente oblicuidad (°, continua, eje izquierdo). AIM, Máximos Isotópicos Antárticos, episodios de calentamiento. ACR, Inversión fría Antártica. Fuente: Pol, K. et al., 2010. Earth & Planet Sci Lett 298 95–103
Esta proyección (750 - 1500 años) contrasta vivamente con varios autores que predicen un interglacial inusualmente largo, continuando durante 20 a 50 ka más (Loutre and Berger 2000), o incluso un final para la presente Edad de Hielo, basándose bien en la disposición de la insolación veraniega a 65°N o en los niveles de CO2. Pero sabemos ya que la insolación veraniega a 65°N no es la principal señal para los ciclos glaciales. Nunca lo ha sido.
Con respecto al CO2 nos enfrentamos a una interesante paradoja. Sabemos por las medidas de los testigos de hielo que la terminación glacial I (la más cercana a nosotros hace 15 ka) implicó un cambio en las concentraciones atmosféricas de CO2 desde 190 ppm hasta 265 ppm (un incremento de 75 ppm). Al mismo tiempo la temperatura se estima que se incrementó globalmente en 4-5°C (von Deimling et al., 2006; Annan y Hargreaves 2013). Los defensores del CO2 como factor principal en el cambio climático han desarrollado la hipótesis de que el CO2 fue el principal responsable de llevar a cabo el calentamiento al final del periodo glacial, una vez que la señal astronómica inició el calentamiento. Pero si el CO2 produjo la mayoría del calentamiento eso significa que como mínimo más de 2°C de calentamiento durante la terminación I fueron causados por el incremento de CO2.
Un simple cálculo nos dice que el incremento de 190 a 265 ppm produce el 48% del efecto de una duplicación (se trata de una escala logarítmica, (ln(265)-ln(190))/(ln(190×2)-ln(190))=0.48). Así que el 48% de una duplicación produjo al menos 2°C de calentamiento entre hace 15-10 ka. El incremento de CO2 desde los niveles preindustriales a los actuales (280 a 400 ppm, o 120 ppm) constituye el 51% de una duplicación (ln(400)-ln(280))/(ln(280×2)-ln(280))=0.51) y sin embargo ha producido solo 0,8°C de calentamiento (HadCRUT4 1850-2014). Algo no es correcto. Hace 15 ka una duplicación de CO2 hubiera sido capaz de producir al menos la mitad de 4-5°C de calentamiento global, pero ahora solo produce 0,8°C de calentamiento. Por ello, si nuestro conocimiento de los niveles de CO2 del pasado es correcto, hace 15 ka el CO2 era TRES VECES MÁS POTENTE QUE AHORA.
No hay forma de reconciliar esta disparidad que fue advertida por el fallecido Marcel Leroux en su libro de 2005 "Calentamiento global - ¿Mito o realidad?: los caminos erróneos de la climatología". Así que o bien aceptamos basándonos en los datos actuales que el CO2 tuvo un papel muy menor durante la Edad de Hielo, siendo responsable como mucho de un sexto del calentamiento en las terminaciones, y por lo tanto concluimos que el CO2 no es el determinante factor climático que muchos piensan, o empezamos a pensar, basándonos en los datos de los testigos de hielo, que en los últimos 60 años el mundo se ha precipitado en una abrupta caída hacia las condiciones glaciales, pero el drástico enfriamiento está siendo adecuadamente prevenido por nuestra oportuna producción de CO2.
Algunos pueden preferir abandonar cualquier relación con la realidad de la evidencia disponible y declarar que no hay contradicción porque los actuales incrementos de CO2 van a ser tan potentes como los incrementos de hace 15 ka, y proclamar que los efectos del calentamiento del CO2 se manifestarán en los próximos siglos, y que por ello nuestros actuales niveles de CO2 van a producir no menos de 1,7°C de calentamiento ya comprometido (lo que implica una sensibilidad climática de 5). No hay evidencia que apoye esta creencia. De hecho hay mucha evidencia que la contradice:
- El continuo incremento en la eliminación del CO2 antropogénico por los sumideros de carbono. Cuanto más producimos, más es eliminado de la atmósfera. Un incremento en la velocidad de eliminación va en contra de un alto nivel de calentamiento comprometido por los niveles actuales, puesto que una parte cada vez mayor de los niveles presentes va a ser eliminada cada año que pase.
- La falta de evidencia de una sensibilidad climática tan alta como 5. La mayoría de los valores experimentalmente obtenidos para la sensibilidad climática de equilibrio están entre 1,5 y 2,5, menos de la mitad de la requerida para el papel propuesto para el CO2 en la desglaciación.
- La falta de un incremento significativo en la velocidad de calentamiento durante el último siglo. Si hubiéramos incrementado enormemente el calentamiento comprometido, la velocidad de calentamiento debería incrementarse proporcionalmente, pero eso no es lo que se observa (figura 10).
Figura 10. Medida de la velocidad de calentamiento o tendencia. A pesar de un gran incremento en la cantidad de CO2 liberada por la humanidad a la atmósfera desde los 1950, la velocidad de calentamiento no ha mostrado mucho incremento durante los últimos 120 años. Esto es una evidencia bastante fuerte de que no puede haber mucho calentamiento comprometido acumulándose cada año durante las últimas siete décadas, puesto que su efecto acumulado no es discernible en la velocidad de calentamiento. Fuente: UK Met Office a través de la BBC.
- La existencia de periodos de décadas con muy poco o ningún calentamiento, que deberían ser extremadamente improbables si hubiera una gran cantidad de calentamiento comprometido.
La única forma razonable de reconciliar la disparidad entre los incrementos de CO2 y de temperatura entre la terminación glacial I y el presente calentamiento es concluir que el CO2 tuvo un papel muy secundario en la terminación glacial, y por lo tanto tendrá un papel secundario en el inicio de la próxima glaciación. La teoría paleoclimática del invernadero sufre un importante golpe, pero desgraciadamente también nuestra confianza de que los altos niveles de CO2 pueden proteger a la humanidad del inicio glacial.
6. Conclusiones
1) La oblicuidad es el principal factor conductor de los ciclos glacial-interglacial. La precesión y la insolación veraniega a 65°N juegan un papel secundario.
2) El actual espaciamiento de los periodos interglaciales es consecuencia de que la Tierra se encuentra por defecto en un estado muy frío que evita que la mayoría de los ciclos de oblicuidad causen una terminación de las condiciones glaciales.
3) Las terminaciones glaciales requieren, además de una oblicuidad en aumento, la existencia de mantos de hielo muy grandes y muy espesos en el hemisferio Norte y el correspondiente descenso profundo en el nivel del mar.
4) El CO2 solo puede producir un efecto menor en las terminaciones glaciales puesto que el cambio producido en sus niveles (menos de la mitad de una duplicación) es demasiado pequeño para justificar una contribución importante a los grandes cambios observados.
5) Puesto que el ciclo de precesión ha llegado a su mínimo y el ciclo de oblicuidad está a la mitad de su descenso deberíamos esperar que la siguiente iniciación glacial tenga lugar dentro de los próximos dos milenios.
Bibliografía
Annan J.D. and Hargreaves J.C. 2013. A new global reconstruction of temperature changes at the Last Glacial Maximum. Clim. Past. 9 367-376.
Drysdale, R.N. et al. 2009. Evidence for Obliquity Forcing of Glacial Termination II. Science 325 1527-1531.
Gallup, C.D. et al. 2002. Direct determination of the timing of sea level change during Termination II. Science 295 310-313.
Gildor, H. and Tziperman, E. 2000. Sea ice as the glacial cycles climate switch, Paleoceanography, 15, 605-615.
Hays, J.D., Imbrie, J. N. , and Shackleton, J. 1976. Variations in the Earth's Orbit: Pacemaker of the Ice Ages. Science 194 1121-1132.
Huybers, P. 2007. Glacial variability over the last two million years: An extended depth-derived agemodel, continuous obliquity pacing, and the Pleistocene progression. Quat. Sci. Rev. 26 37-55.
Huybers, P. and Wunsch, C. 2005. Obliquity pacing of the late Pleistocene glacial terminations. Nature 434 491-494.
Imbrie J. et al. 1993. On the structure and origin of major glaciation cycles 2. The 100,000-year cycle. Paleoceanography 8 699-735.
Lawrence, K.T., Liu, Z., and Herbert, T.D. 2006. Evolution of the Eastern Tropical Pacific Through Plio-Pleistocene Glaciation. Science 312 79-83.
Liu, Z., Cleaveland, L. C. and Herbert, T. D. 2008. Early onset and origin of 100-kyr cycles in Pleistocene tropical SST records. Earth Planet. Sci. Lett. 265 703-715.
Loutre, M.F., and Berger A. 2000. Future Climatic Changes: Are We Entering an Exceptionally Long Interglacial? Climatic Change 46 61-90.
Ludwig, K.R. et al. 1992. Mass-Spectrometric 230Th-234U-238U Dating of the Devils Hole Calcite Vein. Science 258 284-287.
Maslin, M.A., and Ridgwell, A.J. 2005. Mid-Pleistocene revolution and the 'eccentricity myth'. In Early-Middle Pleistocene transitions: The land-ocean evidence. Geological Society, London, Special Publications 2005, 247 19-34.
Paillard, D. 1998. The timing of Pleistocene glaciations from a simple multiple-state climate model. Nature 391 378-381.
Pol, K. et al. 2010. New MIS 19 EPICA Dome C high resolution deuterium data: Hints for a problematic preservation of climate variability at sub-millennial scale in the “oldest ice”. Earth & Planet Sci Lett 298 95-103
Shakun, J.D., et al. 2012. Global warming preceded by increasing carbon dioxide concentrations during the last deglaciation. Nature 484 49–54.
Tzedakis, P.C. et al. 2012. Determining the natural length of the current interglacial. Nature Geoscience 5 138-141.
von Deimling, S.T., et al. 2006. How cold was the Last Glacial Maximum? Geophys. Res. Lett. 33 L14709.
Winograd I.J. et al. 1992. Continuous 500,000-Year Climate Record from Vein Calcite in Devils Hole, Nevada. Science 258 255-260.
Serie Naturaleza desatada: Cambios climáticos del pasado reciente
Parte I: Los Ciclos Glaciales
Parte II: Los ciclos Dansgaard-Oeschger
Parte III: Los ciclos milenarios del Holoceno (primera parte)
Parte IV: Los ciclos milenarios del Holoceno (segunda parte)
Parte V: El cambio climático actual
