La Hipótesis del Termostato es que las nubes tropicales y las tormentas regulan activamente la temperatura de la Tierra. Esto mantiene a la Tierra a una temperatura equilibrada.
Se presentan diversas evidencias para establecer y dilucidar la Hipótesis del Termostato –la his-tórica estabilidad de la temperatura de la Tierra, consideraciones teóricas, fotos satelitales, y una descripción del mecanismo de equilibrio.
Estabilidad Histórica
Durante mucho tiempo la estabilidad de la temperatura de la Tierra ha sido un constante rompecabezas climático. El planeta ha mantenido una temperatura de ~ 3% (incluyendo las edades glaciales) durante al menos los últimos 500 millones de años, hasta donde podemos estimar las temperaturas. Durante el actual Holoceno las temperaturas no han variado más de ±1%. Y durante las edades de hielo la temperatura fue asimismo similarmente estable.
En contraste con la estabilidad térmica de la Tierra, la física solar ha indicado desde hace mucho (Gough, 1981; Bahcall et al., 2001) que hace 4.000 millones de años la irradiancia solar era alrededor del 75% de la actual. En los primeros tiempos geológicos, sin embargo, la Tierra no era correspondientemente más fría. Los proxys de temperatura tales como la relaciones deuterio/hidrógeno y 16O/18O no muestran un 30% de calentamiento en la tierra durante este tiempo. ¿Por qué no se calentó la tierra cuando el Sol comenzó a hacerlo?
Esto es conocido como la “Paradoja del Sol Débil” (Sagan y Muller, 1972), y usualmente se explica como considerando a la atmósfera temprana mucho más rica en gases de invernadero que la actual atmósfera.
Sin embargo, esto implicaría una disminución gradual del forzamiento de los Gases de Invernadero (GI) que igualó de manera exacta el aumento de miles de millones de años en el forzamiento solar hasta los valores actuales. Esto parece ser sumamente improbable.
Un candidato mucho más probable es algún mecanismo natural que ha regulado la temperatura de la tierra durante todo el tiempo geológico.
Consideraciones Técnicas
Bejan (Bejan 2005) ha mostrado que el clima puede ser modelado robustamente como un motor de calor, y los océanos y la atmósfera como los fluidos de la operación. Los trópicos son el extremo caliente del motor. Algo de ese calor tropical es irradiado nuevamente al espacio. El trabajo es realizado por los fluidos en operación en el curso del transporte del resto de ese calor tropical hacia los Polos.
Allí, en el extremo frío del motor de calor, el calor es radiado hacia el espacio. Bejan demostró que la exis-tencia de una real cobertura de las celdas Hadley es un resultado derivado de la Ley de Construcción (o Constructal Law). También mostró Bejan la manera en que es determinada la temperatura del sistema de flujo.
“Nosotros seguimos esto desde el punto de vista “constructal” donde la circulación [global] misma representa una geometría de flujo que es el resultadote la maximización de un comportamiento global sujeto a restricciones globales.” “La mayor potencia que el sistema compuesto podría producir está asociado con la operación reversible de la planta de potencia. La entrega de potencia en este límite es proporcional a:"
"Donde q es el flujo total de energía a través del sistema (trópicos a los polos), y TH y TL son las temperaturas altas y las bajas (temperaturas tropicales y polares en grados Kelvins). El sistema trabaja incesantemente para maximizar la entrega de potencia. Esta es una vista del sistema entero que transporta calor de los trópicos hasta los polos.
Figura 1: La Tierra como un Motor de Calor. Las celdas Hadley ecuatoriales proveen la potencia para el sistema. Sobre los trópicos, el Sol (flechas color naranja) es más fuerte porque incide sobre la Tierra de manera más per-pendicular. El largo de las flechas anaranjadas muestra la fuerza relativa del Sol. El aire seco cálido desciende ha-cia los 30ºN y 30ºS, formando los grandes cinturones desérticos que circundan al globo. El calor es transportado por una combinación del océano y la atmósfera hasta los polos. En los polos el calor es radiado hacia el espacio.
En otras palabras, los sistemas de flujo como el clima terrestre no asumen una temperatura estable así nomás, sin importar qué. Los sistemas reforman su propio flujo de tal manera como para maximizar la energía producida y consumida. Es este proceso dinámico, y no una simple transformación lineal de los detalles de la composición de gases de la atmósfera lo que determina el rango de las temperaturas de trabajo del planeta.
Nótese que la “Ley Constructal” dice que cualquier sistema de flujo “cuasi se estabilizará” en órbita alrede-dor (pero que nunca alcanzará) algún estado ideal. En el caso del clima este es el estado de la máxima pro-ducción de energía y consumo. Y esto a su vez implica que cualquier planeta acuoso tendrá una temperatu-ra de equilibrio que es activamente mantenida por el flujo del sistema. Ver el “paper” de Ou listado en la referencias para mayor información sobre el proceso.
Todo motor de calor tiene un acelerador. El acelerador es la parte del motor que controla cuánta energía ingresa al motor de calor. Una motocicleta tiene un acelerador de mano. En un automóvil, el acelerador es llamado el “pedal del acelerador”. Controlan el ingreso de la energía.
La estabilidad de la temperatura terrestre a lo largo del tiempo (incluyendo períodos alternado bi-estables glaciales/interglaciales), como también consideraciones teórica, indican que este motor de calor tiene que tener alguna clase de gobernante que controla el acelerador.
Mientras que todos los motores de calor tienen un acelerador, no todos tienen un gobernador. En un auto, un gobernador enllamado “Control de Crucero”, que es un dispositivo que controla al acelerador (pedal). Un gobernador ajusta la energía que ingresa al motor del automóvil para mantener una velocidad constante sin tener en cuenta los cambios en forzamientos internos o externos (por ejemplo colinas, subidas, vientos, eficiencia del motor y pérdidas de la misma).
Podemos ir eliminando los candidatos para este cargo de mecanismo de gobierno del clima notando primero que el gobernador controla al acelerador (que a su vez controla la energía suministrada al motor). Segundo, notamos que un gobernador exitoso tiene que ser capaz de manejar el sistema más allá del resultado de-seado (en exceso)
Debe notarse también que un gobernador que contiene un bucle de histéresis, es diferente a una realimen-tación negativa. Una realimentación negativa sólo puede reducir un aumento. No puede mantener un estado estable a despecho de forzamientos distintos, cargas variables, y pérdidas cambiantes. Sólo un gobernador puede hacerlo.
La mayoría de la absorción del calor del Sol en la tierra ocurre en los trópicos. Los trópicos, como el resto del mundo, son en su mayor parte océanos: y la tierra que está allí está mojada. En una palabra, los trópicos humeantes de vapor de agua. Hay poco hielo allí, de modo que son las nubes las que controlan cuánta energía ingresa al motor de calor del clima.
Yo propongo que dos mecanismo interrelacionados, pero separados, actúan directamente para regular la temperatura de la Tierra –las nubes tropicales cúmulos y los cumulonimbus. Los cúmulos son esa nubes como copos de algodón que abundan cerca de la superficie en las tardes cálidas. Cumulonimbus son las nubes de tormenta que comienzan su vida como simples cúmulos. Ambos tipos de nubes son parte del control del acelerador, reduciendo el ingreso de la energía. Además, los cumulonimbus son activos motores de calor que proveen del exceso sobrante necesario para actuar como un gobernador del sistema.
Un placentero experimento mental muestra la manera en que este gobernador de nubes funciona. Se llama “Un Día en los Trópicos”.
Yo vivo en el profundo y húmedo trópico, a 9ºS, con una vista del Océano Pacífico Sur desde mi ventana. Así es como es un día típico por aquí. De hecho, es un típico día de verano en cualquier lugar de los trópi-cos. El informe del tiempo es más o menos así:
Limpio y calmo en la madrugada. Leves brisas mañanera, aumentando las nubes hacia el mediodía. En la tarde, aumento de nubes y vientos con probabilidad de chaparrones y tormentas eléctricas a medida de que se desarrollan. Aclarando hacia la caída del sol o después de ella, con una ocasional tormenta después de haber anochecido. Aclaración progresivo durante la noche.
Ese es el ciclo diario más común del tiempo tropical, lo bastante común como para ser un cliché en todo el mundo.
Está manejado por las variaciones día/noche en la fuerza de la energía del sol. Antes del amanecer la atmósfera es típicamente calma y limpia. A medida de que el océano (o la tierra firme húmeda) se calienta, aumentan la temperatura y la evaporación. El aire cálido y húmedo comienza a elevarse. Muy pronto el aire húmedo ascendente se condensa en nubes. Las nubes reflejan la luz solar incidente. Ese es el primer paso de la regulación del clima. Un aumento de la temperatura lleva a la formación de nubes. Las nubes reducen un poco el acelerador, reduciendo la energía que ingresa al sistema. Comienzan a enfriar las cosas. Esta es la parte de la realimentación negativa del control del clima de las nubes.
El sol tropical es fuerte, y a pesar de la realimentación negativa de los cúmulos el día continúa calentándo-se. Más golpea el sol al océanos, más caliente se hace; se forma más aire húmedo y luego más nubes. Esto, por supuesto, refleja más los rayos solares y el acelerador se cierra otro poco. Pero el día se sigue calen-tando.
El desarrollo completo de las nubes cúmulo monta el escenario para la segunda parte de la regulación de la temperatura. Esto no es una simple realimentación negativa. Es el sistema gobernante del clima. A medida de que la temperatura continúa aumentando, la evaporación creciendo, algunas de las nubes algodonosas se transforman rápidamente. Se extienden velozmente hacia las alturas, ascendiendo y formando pilares de nubes de miles de metros de altura en pocos minutos. Se han transformado en cumulonimbus y nubes de tormenta.
Esquema de un cumulo nimbus de acuerdo con Bejan, A, y Reis, A. H., 2005.
Fuente: Thermodynamic optimization of global circulation and climate, Int. J. Energy Res.; 29:303–316.
http://homepage.mac.com/williseschenbach/.Public/Constructal_Climate.pdf
El cuerpo en forma de columna de la tormenta actúa como una enorme chimenea vertical de calor. La tor-menta chupa aire caliente y húmedo de la superficie y lo envía a grandes alturas. En las alturas el agua se condensa transformando el “calor latente” en “calor sensible”. El aire es recalentado por la liberación del calor sensible y sigue ascendiendo.
En la parte superior el aire es liberado por la nube muy arriba, mucho más arriba que la mayor parte del CO2. En esa atmósfera enrarecida el aire tiene mayor libertad para irradiar calor al espacio. Al moverse dentro de la chimenea de calor de la tormenta, el aire sortea a la mayoría de los gases de invernadero y sale cerca de la parte superior de la troposfera. Durante su tránsito hacia las alturas no hay una interacción radiante o turbulenta entre el aire ascendente y la troposfera media e inferior. Dentro de la tormenta el aire ascenden-te es pasado por un túnel a través de la mayor parte de la troposfera para emerger en la parte más alta.
Además de reflejar la luz solar desde la superficie superior como lo hacen los cúmulos, y transportar el calor a la alta troposfera donde lo irradia más fácilmente al espacio exterior, las tormentas enfrían la superficie en una gran variedad de formas, en particular sobre los océanos.
Enfriamiento gobernado por el viento: Una vez que la tormenta comienza crea su propio viento alrededor de la base. Este viento auto generado aumenta la evaporación de varias maneras especial-mente en el mar.
(a) La evaporación crece linealmente con la velocidad del viento. A una velocidad típica de 10 me-tros/seg (20 nudos), la evaporación es unas diez veces mayor que en condiciones calmas. (conven-cionalmente tomadas como 1 m/seg)
(b) El viento aumenta la evaporación al crear sprays y espuma, y al soplar el agua de los árboles y hojas. Esto aumenta en gran modo el área de la superficie de evaporación porque el área total de la superficie de millones de gotitas está evaporando, como también la superficie misma.
(c) En menor medida, el área superficial también es aumentada por las olas creadas por el viento (una superficie con olas tiene un área de evaporación mayor que una plana).
(d) A su vez, las olas creadas por el viento aumentan de gran manera la turbulencia en la capa fron-teriza (o “boundary layer”). Esto aumenta la evaporación al mezclar al aire seco enviándolo hacia abajo y al aire húmedo hacia las alturas.
(e) A medida de que el spray se calienta rápidamente a la temperatura ambiente, que en el trópico es a menudo más cálida que la del océano, la evaporación también aumenta por sobre la tasa de evapo-ración de la superficie del mar.
Aumento del albedo causado por el viento: El spray y la espuma blancos, deriva de rotación, án-gulos de incidencia cambiantes, y los topes de las olas de color blanco aumentan mucho el albedo de la superficie del mar. Esto reduce la energía absorbida por el océano.
Lluvia y viento fríos: A medida de que el aire húmedo asciende por dentro de la chimenea de calor de la tormenta, el agua se condensa y cae. Ya que el agua se origina de las temperaturas de conden-sación o de congelamiento en las alturas, enfría a la atmósfera inferior a través de la cual cae, y enfría a la superficie cuando la impacta. Además, la lluvia que cae origina un viento frío. Este viento frío sopla radialmente hacia fuera del centro de la lluvia, enfriando al área a su alrededor.
Aumento del área reflectante: Las cúmulos algodonosos no son altos, de manera que básicamente reflejan la luz solar desde su parte superior. Por el otro lado, la chimenea vertical de las tormentas refleja la luz solar a lo largo de toda su extensión. Esto significa que las tormentas dan sombra a un área del océano fuera de proporción con su “pisada”, particularmente durante el final de las tardes.
Modificación en la cantidad de cristales de hielo en la troposfera superior (Lindzen 2001; Spencer 2007): Estas nubes se forman a partir de minúsculas partículas de cristales de hielo que salen de la chimenea de los motores de calor de las tormentas. Parece que la regulación de estas nubes tienen un gran efecto, dado que se piensa que calientan (a través de la absorción de la radiación IR -infrarroja) más de lo que enfrían (a través de la reflexión).
Aumento de la radiación nocturna: A diferencia de las nubes estratos de larga vida, los cúmulos y los cumulonimbus por lo general mueren y se desvanecen cuando la noche se enfría, llevando a los típicamente limpios cielos de la madrugada. Esto permite un gran aumento de la radiación IR de la superficie durante la noche.
Transporte de aire seco a la superficie: El aire que es chupado de la superficie y elevado a las alturas es contrabalanceado por el flujo descendiente de aire de reemplazo emitido desde la parte superior de la tormenta. Este aire que desciende ha perdido la mayor parte de su humedad (vapor de agua) dentro de la tormenta, de manera que es relativamente seco. Mientras más seco es el aire, mayor cantidad de humedad puede levantar para su próximo viaje a las alturas. Esto aumenta el enfriamiento de la superficie por evaporación. En parte porque utilizan un amplio rango de mecanismos de enfriamiento; las nubes cúmulos y las tormentas son sumamente buenas para el enfriamiento de la superficie de la Tierra. Juntas, ellas forman el mecanismo que gobierna la temperatura de los trópicos.
Pero, ¿dónde está ese mecanismo?
El problema con mi experimento mental para describir un típico día tropical es que siempre está cambiando. La temperatura sube y baja, las nubes crecen y desaparecen, el día cambia a la noche, las estaciones vienen y se van. ¿Dónde, en ese incesante cambio está el mecanismo que lo gobierna? Si todo está siempre cambiando, ¿qué es lo que lo mantiene igual mes a mes, y año tras año? Si las condiciones son siempre diferentes, ¿qué es lo que lo mantiene siempre dentro de sus carriles?
Para poder al gobernador en acción, necesitamos un punto de vista diferente. Necesitamos un punto de vista sin el tiempo cronológico. Necesitamos un punto de vista atemporal sin las estaciones, un punto de vista sin días y noches. Y curiosamente, en este experimento mental llamado “Un Día en los Trópicos”, hay ese punto de vista sin tiempo, donde no sólo no hay día y noche sino donde es siempre verano.
El punto de vista sin días y noches, el punto de vista desde donde podemos ver la gobernador del clima trabajando, es el punto de vista del Sol. Imagine que está viendo a la tierra desde el Sol. Desde el punto de vista del Sol no existen días o noches. Todas las partes de la cara visible de la tierra están siempre ilumina-das, el sol nunca ve al tiempo nocturno. Y bajo el Sol siempre es verano.
Si aceptamos la convención de que norte está arriba, entonces mientras enfrentamos a la Tierra desde el Sol, la superficie visible de la Tierra se mueve de izquierda a derecha a medida de que el planeta gira. El borde izquierdo de la cara visible está siempre en el amanecer, y el borde derecho siempre en el atardecer. El mediodía es una línea vertical en el centro de la cara visible. Desde este punto de vista atemporal, la mañana está siempre y para siempre a la izquierda, y la tarde siempre estará a la derecha. En resumen, al cambiar nuestro punto de vista hemos intercambiado las coordenadas del tiempo por coordenadas espa-ciales. Este intercambio facilita ver la manera en que el gobernador opera.
Los trópicos se extienden de izquierda a derecha a lo largo de la cara visible. Vemos que cerca del extremo izquierdo, después del amanecer, siempre hay pocas nubes. Las nubes aumentan a medida que miramos hacia la derecha. Alrededor de la línea del mediodía ya hay cúmulos. A medida que miramos de izquierda a derecha la cara visible de la Tierra, en dirección a la tarde, vemos más y más nubes y un creciente número de tormentas cubren una gran parte de los trópicos. Es como si existiese un espejo semitransparente gra-dual sobre los trópicos, con menos nubes reflectantes a la izquierda, lentamente en aumento a grandes nubes espejo y cobertura de tormentas hacia la derecha.
Después de lucubrar esta hipótesis de que vistos desde el Sol el lado izquierdo de los trópicos tendrían menos nubes que el lado derecho, pensé, “Hey, esa es una proposición para testear que apoyaría o demo-lería mi hipótesis.” De manera que para investigar si este postulado aumento de las nubes a la derecha de la tierra existía, tome un promedio de 24 fotos del Océano Pacífico tomadas a la hora local del mediodía, el 1º y el 15 de cada mes durante un año entero. Luego calculé el cambio promedio en el albedo y así el cam-bio promedio en el forzamiento en cada tiempo. Aquí está el resultado:
Figura 2: Promedio de un año de las imágenes del satélite GOES-West tomadas al mediodía local del satélite. La Zona de Con-vergencia Intertropical (ITZC) es la banda brillante en el rectángulo amarillo. El tiempo local en la Tierra se ve en las líneas negras de la imagen. Los valores del tiempo se muestran al pie del gráfico incluido. La línea roja del gráfico es la anomalía del forzamiento solar (en watts/m2) en el área delimitada por el color amarillo. La línea negra es el valor del albedo en el área mostrada en amarillo.
El gráfico debajo de la imagen de la Tierra muestra al albedo, y al forzamiento solar en el rectángulo amarillo que contiene a la Zona de Convergencia Intertropical. Nótese el agudo incremento del albedo entre las 10:00 y las 11:30. Usted está mirando el mecanismo que impide que la Tierra se sobrecaliente. Provoca cambios en la insolación de -60w/m2 entre las 10 de la mañana y el mediodía.
Ahora considere qué pasaría si por alguna razón la superficie de los trópicos fuese un poco más fría. El sol tarda un poco más en calentar la superficie. La evaporación no se eleva hasta más tarde en el día. Las nubes son más lentas para aparecer. Las primeras tormentas se forman más tarde y lo hacen en menor cantidad, y si no es lo bastante caliente esos gigantescos motores de calor que enfrían la superficie no se forman en absoluto.
Y desde el punto de vista del Sol toda la sombra espejada se desplaza hacia la derecha, dejando que más radiación solar penetre por más tiempo. La reducción de 60 w/m2 del forzamiento solar no ocurre hasta más tarde en el día, aumentando la insolación local.
Cuando la superficie tropical se hace más caliente que lo normal, la sombra espejada se desplaza hacia la izquierda, y las nubes se forman antes. Las tardes cálidas favorecen la formación de tormentas que enfrían la superficie. De esta forma, una sombrilla enfriadora auto-ajustable de tormentas y nubes mantiene a la temperatura dentro de un estrecho rango.
Ahora, algunos científicos han afirmado que las nubes tienen una realimentación positiva. A causa de esto, las áreas donde hay más nubes terminarán siendo más cálidas que las áreas con menos nubes. Esta reali-mentación positiva es vista como la razón de las nubes y el calor están correlacionadas.
Yo y otros muchos tenemos la visión opuesta de esa correlación. Yo mantengo que las nubes son causadas por el calor, y no que el calor es causado por las nubes.
Afortunadamente, tenemos maneras de determinar si los cambios en la sombrilla reflectante de nubes y tor-mentas son causadas (y por ellas limitando) la elevación general de la temperatura, o si un aumento de nubes hace que la temperatura general ascienda. Esto es mirar al cambio en albedo con el cambio en tem-peraturas. Aquí hay dos visiones del albedo tropical, tomadas con seis meses de separación. Agosto es el mes más cálido del Hemisferio Norte. Como se indica, el Sol está en el norte. Nótese el elevado albedo (áreas de azul claro) en toda África, China, y en la parte norte de Sudamérica y América Central. En con-traste, hay un muy bajo albedo en Brasil, África del Sur e Indonesia/Australia.
Figura 3: Albedo mensual promedio El lapso es de seis meses de separación. Agosto es el pico del verano en el Hemisferio Norte. Febrero es el pico del verano en el Hemisferio Sur. Las áreas azul claro son las más reflectantes. (mayor albedo).
Por el otro lado, en febrero el Sol está en el sur. La situación del albedo está invertida. Brasil, Sudáfrica y Asia/Australia están calientes bajo el Sol. En respuesta al calor se forman nubes y esas áreas tienen ahora un albedo grande. Al contrario, el norte tiene ahora un bajo albedo, con la excepción de los reflectantes desiertos del Sahara y Rub Al Khali.
Claramente, el albedo de las nubes (de los cúmulos y cumulonimbus) siguen al Sol al norte y al sur, impi-diendo que la Tierra se sobrecaliente. Esto muestra de manera definitiva que, más que el calor ha sido cau-sado por la nubes; son las nubes quienes fueron causadas por el calor.
Muy separado de esto, estas imágenes muestran de una manera distinta que el calor maneja la formación de las nubes. Sabemos que durante el verano la tierra se calienta más que el océano. Si la temperatura está impulsando la creación de nubes, esperamos ver un cambio mayor en el albedo sobre la tierra que sobre el océano. Y este es claramente el caso. Vemos que en el Pacífico Norte y el Océano Índico el Sol aumenta al albedo sobre el océano, en particular donde el océano es poco profundo. Pero los cambios en la tierra son en general mucho más grandes que los cambios sobre el océano. Otra vez, esto muestra que las nubes son formadas en respuesta a un aumento del calor, y en consecuencia lo limitan.
Como trabaja el gobernador
La producción de nubes y tormentas está gobernada por la densidad del aire. La densidad del aire es una función de la temperatura (afectando directamente a la densidad) y de la evaporación (el vapor de agua es más liviano que el aire).
Una tormenta es un motor de calor tanto auto-generado como también auto-sostenido. Los fluidos que intervienen son aire cálido cargado de humedad y agua líquida. Auto-generación significa que cada vez que se hace lo bastante caliente en el océano tropical, que es casi todos los días, a un cierto nivel de tempe-ratura y humedad, algunas de las nubes copos de algodón súbitamente “se incendian”. La parte superior de las nubes se extienden hacia arriba mostrando el progreso de elevación del aire cálido cargado de humedad. En las alturas, el aire ascendente abandona la nube reemplazado por más aire húmedo en la parte inferior. Súbitamente, el lugar de una plácida nube tenemos una tormenta activa.
“Auto-generada” significa que las tormentas surgen espontáneamente en función de la temperatura y la evaporación. Por encima del umbral necesario para crear a la primera tormenta, la cantidad de tormentas crece rápidamente. El rápido aumento en tormentas limita la cantidad posible del crecimiento de la temperatura.
“Auto-sostenida” significa que una tormenta se pone en marcha, ya no requiere de toda la temperatura inicial que la había iniciado. Esto se debe a que el viento auto-generado en la base, más el aire seco que desciende desde más arriba, elevan mucho la tasa de evaporación. La tormenta está impulsada por la densidad del aire. Requiere de una fuente de aire liviano y húmedo. La densidad del aire está determinada por la temperatura y el contenido de humedad (porque, curiosamente, el vapor de agua de peso molecular 16 es apenas un poco más de la mitad de pesado que el aire, que tiene un peso molecular promedio de 29).
La evaporación no es sólo una función de la temperatura. Está gobernada por una compleja mezcla de velo-cidad del viento, temperatura del agua, y presión de vapor. La evaporación se calcula por lo que llama una “fórmula gruesa”, que significa una fórmula basada en la experiencia más que en la teoría. Una fórmula usada comúnmente es:
El asunto crítico para tomar en cuenta en la fórmula es que la evaporación varía linealmente con la veloci-dad del viento. Esto significa que la evaporación cerca de una tormenta puede ser de un orden de magnitud más grande que la evaporación a corta distancia de allí.
Además de los cambios en evaporación, hay por lo menos otro mecanismo que está incrementando la for-mación de nubes a medida de que el viento aumenta. Esto es la producción de cristales aéreos de sal provocada por el viento. La rotura de las olas impulsadas por el viento produce estos cristales microscópi-cos de sal. La conexión con las nubes es que estos cristales son los principales núcleos de condensación del vapor de agua para las nubes que se forman sobre los océanos. La producción de núcleos de condensa-ción adicionales, junto con un aumento de la condensación, conduce a cambios más rápidos y grandes en la producción de nubes con un aumento de la temperatura.
De modo que la evaporación inducida por el viento significa que, para misma densidad del aire la temperatu-ra de la superficie puede ser inferior que la temperatura requerida para iniciar la tormenta. Esto significa que la tormenta seguirá subsistiendo y continuará enfriando la superficie hasta bien por debajo de la temperatu-ra de inicio.
Esta capacidad de llevar a la temperatura por debajo del punto inicial es lo que diferencia a un “goberna-dor” de una realimentación negativa. Una tormenta puede hacer más que reducir la cantidad de calenta-miento de la superficie. En verdad puede enfriar mecánicamente a la superficie por debajo de la temperatura requerida para la iniciación de la tormenta. Esto permite mantener activamente una temperatura fija en la región alrededor de una tormenta.
Una característica clave de este método de control (cambiando los niveles de las fuerzas que ingresan, realizando un trabajo, y aumentando las pérdidas térmicas para amortiguar las temperaturas en crecimiento) es que la temperatura de equilibrio no está gobernada por cambios en la cantidad de pérdidas o cambios en los forzamientos del sistema. La temperatura de equilibrio está determinada por la respues-ta del viento, el agua, y las nubes al aumento de temperatura, y no por la inherente eficiencia del sistema, o los ingresos al mismo.
Más aún, la temperatura de equilibrio no está muy afectada por los cambios en la fuerza de la radiación solar. Si el sol se hace más débil, la evaporación disminuye, lo que disminuye a las nubes, lo que aumenta el sol disponible. Esta es la probable respuesta a la vieja pregunta de cómo la temperatura de la Tierra estuvo estable a lo largo del tiempo geológico, mientras la fuerza del sol se incrementó de manera marcada.
Variación Gradual del Equilibrio y Deriva
Si la Hipótesis de Termostato es correcta y la Tierra tiene un equilibrio de la temperatura mantenido activa-mente, ¿Qué causa las lentas derivas y otros cambios en la temperatura de equilibrio vistas en los tiempos históricos y geológicos?
Como lo demuestra Bejan, un determinante de las temperaturas que ocurren es cuán eficiente es todo el motor de calor del planeta para mover los terawatts de energía desde los trópicos hasta los polos. En una escala de tiempo geológico, obviamente un enorme determinante de esto es la ubicación, orientación, y elevación de las masas continentales. Eso es lo que hoy hace a la Antártida diferente al Ártico. La ausencia de una masa de tierra en el Ártico significa que el agua cálida circula por debajo del hielo. En la Antártida el frío cala hasta el hueso…
Además, la geografía oceánica que da forma a las corrientes que transportan las aguas cálidas tropicales a los polos y regresan agua fría (eventualmente) a los trópicos, es también un gran determinante de las tem-peraturas que ocurren en motor de calor del clima global.
En lapsos más cortos, podría haber cambios lentos en el albedo. El albedo es un función de la velocidad del viento, evaporación, dinámica de las nubes y (en menor grado), de la nieve y el hielo. Las tasas de evapo-ración son fijadas por las leyes de la termodinámica, que dejan sólo a la velocidad del viento, dinámica de las nubes, nieve y hielo, como capaces de afectar el equilibrio.
La variación en la temperatura de equilibrio puede, por ejemplo, ser el resultado de un cambio en la veloci-dad promedio global de los vientos. La velocidad del viento está acoplada al océano a través de la acción de las olas, y ocurren entonces variaciones a largo plazo en el momentum del acoplamiento océano-atmós-fera. Estos cambios en la velocidad del viento pueden variar la temperatura de equilibrio de una manera cíclica.
O podría estar relacionado con un cambio generalizado en color, tipo, o extensión de las nubes, la nieve y el helo. El albedo depende del color de la superficie reflectante. Si la reflexión es cambiada por alguna razón, la temperatura de equilibrio podría ser afectada. Para la nieve y el hielo esto podría ser, por ejemplo, un aumento del derretimiento causado por un depósito de carbón negro sobre la superficie. Para las nubes, esto podría ser un cambio de color debido a aerosoles o a polvo.
Finalmente, las variaciones del equilibrio podrían estar relacionadas con el sol. La variación en el número de partículas magnéticas y cargadas podría ser lo bastante grande para hacer una diferencia. Hay fuertes sugerencias de que la cobertura nubosa está influenciada por el ciclo magnético solar Hale de 22 años, y este registro de 14 años sólo cubre una parte de un solo ciclo Hale.
El sol provee más que suficiente energía para asar completamente a la Tierra. Las nubes impiden que eso suceda reflejado un tercio de la energía solar de vuelta al espacio. Por lo poco que conocemos, este sistema de formación para limitar la temperatura nunca ha fallado en la historia de la tierra.
Este escudo reflectante de nubes se forma en los trópicos en respuesta al aumento de la temperatu-ra.
A medida de que las temperaturas tropicales continúan ascendiendo, el escudo reflectante es ayuda-do por la formación de motores de calor independientes llamadas “tormentas”. Éstas enfrían la super-ficie de varias maneras, transportan el calor a las alturas, y convierten al calor en trabajo (vientos).
Lo mismo que los cúmulos, las tormentas también se forman en respuesta al aumento de las tempera-turas.
Porque las tormentas son causadas por la temperatura, a medida de que las temperaturas tropicales aumentan, las tormentas tropicales y la producción de cúmulos aumentan también. Estas se combinan para regular y limitar el aumento de la temperatura, Cuando las temperaturas tropicales son frescas, los cielos del trópico se limpian y la tierra se calienta con rapidez. Pero cuando los trópicos se calien-tan, los cúmulos y los cumulonimbus le ponen un límite al calentamiento. Este sistema mantiene a la Tierra dentro de una banda más o menos estrecha de temperaturas.
El sistema de la regulación de la temperatura del planeta está basado en las inalterables leyes físicas del viento, del agua y las nubes.
Esta es una explicación razonable de la manera en que la temperatura de la Tierra estuvo tan estable (o más recientemente, bi-estable como glaciaciones e interglaciales) durante cientos de millones de años.
Willis Eschenbach
Guadalcanal, Islas Salomon.
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