Física (plan 2002) 2023-2

Optativas, Dinámica del Clima

Resumen

En el curso de Dinámica del Clima se estudiarán los procesos físicos que tienen lugar en el sistema climático; que está conformado por la atmósfera, la hidrósfera (donde el mayor porcentaje es ocupado por el océano*), la criosfera (constituida por agua en estado sólido), la litosfera y la biósfera. Debido a la gran inercia térmica del océano en el clima, se enfatizan los procesos presentes en la interacción océano-atmósfera que están relacionados con los intercambios de energía (a través del calor sensible y del calor latente) y el transporte de momento; así como el efecto del océano como regulador del clima. Además de almacenar energía en forma de calor, el océano captura, dependiendo de la temperatura del clima, una cierta cantidad de dióxido de carbono de la atmósfera, influyendo indirectamente sobre el efecto invernadero. Se verá que el albedo, que es muy importante en el balance de energía, es la capacidad que tiene una superficie para reflejar una fracción de la radiación incidente; y que depende del material, la longitud de onda de incidencia y de la inclinación con la que llega la radiación. El detonante principal de la circulación oceánica y atmosférica es la radiación proveniente del Sol, denominada “constante solar”. La fracción de la radiación solar que logra atravesar la atmósfera es absorbida en la superficie y retransmitida, con una longitud de onda mayor, como radiación terrestre; el resto es reflejado. Luego, una parte de la radiación terrestre, debido a la presencia de los gases de efecto invernadero, como son el vapor de agua y el dióxido de carbono, es absorbida en la atmósfera y también retransmitida en todas direcciones... El proceso completo es complejo e interesante para ser estudiado. También se hablará de la diferencia entre la temperie (o "weather") y el clima (o "climate"); el papel que juegan la criosfera, el vapor de agua y las nubes como forzantes internos del sistema climático; la relación de la variación de las estaciones del año con la oblicuidad (que es la inclinación del eje terrestre con respecto al plano que contiene a la órbita de la Tierra) y los periodos de precesión y nutación (incluidos en los ciclos de Milankovitch).

Se estudiarán de manera formal los mecanismos físicos, entreverados en el sistema climático, que son el resultado de la interacción de la atmósfera (o la troposfera) con el océano y los subsistemas de la superficie terrestre. En ésta ocurren varios procesos que impactan o que tienen que ver con el clima; por ejemplo, el cambio de albedo (ya sea por variaciones de la criosfera o la presencia de vegetación y humedad en el suelo) y la evapotranspiración, que está relacionada con la cantidad de humedad contenida en el suelo y con el aporte de vapor de agua a la atmósfera. En ello, el ciclo hidrológico juega un papel muy importante. El agua se encuentra en constante movimiento; en la atmósfera, ésta entra y sale en grandes cantidades, pero el promedio, denominado como agua precipitable, se mantiene constante. Sin embargo, a escala climática, el agua precipitable no siempre es constante, sino que cambia de acuerdo a las variaciones de la temperatura global. Se discutirá el impacto de los cambios de la constante solar en el clima; por ejemplo, la pequeña edad de hielo (evento relacionado con el agua y fenómenos asociados), que coincide con el mínimo de Maunder y que se presentó entre los años 1645 y 1715. En esta sección, se derivarán y se analizarán las expresiones termodinámicas fundamentales.

Posteriormente, se verán los procesos dinámicos presentes en el océano y en la atmósfera; así como su relación con el clima. Se estudiarán la deflexión de los vientos y de las corrientes oceánicas a gran escala, como consecuencia de que la Tierra es un sistema en rotación (o no inercial). En esta parte del curso se aplicarán las descripciones de Lagrange y de Euler, que son fundamentales para entender y llegar a las ecuaciones de movimiento; además de las expresiones que representan los principios de conservación de energía y de masa. En el océano, es importante el papel que juega la capa de mezcla (que es forzada por el viento al estar en contacto con la atmósfera) y la respuesta de las capas más profundas, que reaccionan de manera tardía acorde a los cambios de la temperatura del clima. También se verán las diferentes oscilaciones y el desempeño que tienen en el clima, como son la oscilación decadal del Pacífico (PDO, por sus siglas en inglés), el Niño Oscilación del Sur (ENSO, por sus siglas en inglés) y la oscilación de Madden-Julian; así como las ondas (dinámicas), entre las que se encuentran las ondas del Este (que se cree que están relacionadas con la formación de ciclones tropicales en el Pacífico Oriental, tema que se encuentra en investigación activa), ondas de Kelvin y ondas de Rossby.

Finalmente, en los últimos temas se hablará del cambio climático, de los modelos del sistema climático y de la modelación numérica o computacional. Hay varios tipos de modelos: de balance de energía (EBMs, por sus siglas en inglés), radiativos-convectivos, de circulación general (GCMs, por sus siglas en inglés), del sistema terrestre (ESMs, por sus siglas en inglés) y modelos regionales (RCMs, por sus siglas en inglés). En los segundos, por ejemplo, debido a que su escala temporal es menor que la climática, los huracanes se introducen como turbulencia; a fin de cuentas, son un mecanismo de transporte de energía. Adicionalmente, se abordarán de manera general los diferentes esquemas numéricos y los recursos computacionales actuales que son usados para la realización de simulaciones de escenarios climáticos que, por ejemplo, se reportan en el IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). Para simular computacionalmente el clima, se resuelven, de manera numérica, sistemas de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales (que representan los modelos) no lineales (que no tienen solución analítica) discretizados sobre una malla determinada. Por la gran demanda de cálculos, los algoritmos computacionales paralelos, resultantes de las ecuaciones discretizadas (incluyendo procesos parametrizados, representados por relaciones semi-empíricas), son resueltos empleando supercómputo. Para comprender los resultados de experimentos numéricos o simulaciones computacionales de un determinado evento en el clima, también es importante el análisis analítico y físico de algunos modelos teóricos simplificados, que describen de manera cercana varios de los procesos presentes, como el modelo de aguas someras, por ejemplo, en el cual nos basaremos cuando hablemos de ondas planetarias.

* A lo largo del tiempo geológico, desde la Pangea hasta la distribución actual, los continentes han evolucionado (y el proceso sigue); por ello escribo océano en lugar de océanos y mares.

De manera esquemática, los temas que se estudiarán a lo largo del curso son:

1. Modelos de balance de energía
2. El balance radiativo en el sistema climático y los procesos termodinámicos presentes
3. Interacción océano-atmósfera y el ciclo hidrológico
4. Circulación del océano y de la atmósfera
5. Modelos del sistema climático global
6. Variabilidad climática
7. Cambio climático
8. Modelación numérica (o computacional) del clima