Una improbable erupción volcánica submarina, el inusual año más cálido jamás registrado y el colapso del vórtice polar tras tres episodios de calentamiento estratosférico súbito han sido acontecimientos realmente extraordinarios. Aplicando el principio de la navaja de Ockham, sugiere que estos tres acontecimientos sin precedentes en un corto periodo de tiempo de poco más de dos años están probablemente relacionados con una única causa, en lugar de con múltiples causas separadas. Esta rara convergencia representa una oportunidad única de aprendizaje tanto para los climatólogos como para los aficionados al clima, ya que ofrece una visión de un acontecimiento climático que podría no repetirse en cientos o incluso miles de años.
1. Enero de 2022, el volcán improbable
Nunca antes habíamos sido testigos de una erupción volcánica submarina con un penacho capaz de alcanzar la estratosfera y depositar una gran cantidad de agua vaporizada. Este acontecimiento extraordinario se produjo en enero de 2022 con la erupción del volcán Hunga Tonga. Las condiciones para que se produzca un evento de este tipo son poco frecuentes: el volcán debe ser lo suficientemente profundo como para impulsar suficiente agua con el penacho, pero no demasiado profundo como para impedir que alcance la estratosfera. La mayoría de los volcanes submarinos no producen penachos, lo que hace que la erupción de Hunga Tonga sea aún más sorprendente.
El volcán Hunga Tonga tenía la profundidad idónea de 150 metros el día anterior a la erupción. Además, la erupción en sí debe ser excepcionalmente potente para que el vapor de agua se eleve a la estratosfera. La erupción del Hunga Tonga de enero de 2022 fue la más potente en 30 años, desde la erupción del Monte Pinatubo en 1991.
¿Cuáles son las probabilidades de que se produzca un acontecimiento semejante? Yo diría que bastante escasas. Los volcanes submarinos activos a la profundidad adecuada son raros, y la probabilidad de que uno entre en erupción con tal intensidad es relativamente baja. Puede que estemos ante un acontecimiento que se produce una vez cada varios siglos, o tal vez incluso una vez cada milenio. Sin duda, fue un acontecimiento excepcionalmente raro.
Si nos fijamos en el clima en términos de patrones meteorológicos de 30 años, no hay pruebas sustanciales de que las erupciones volcánicas tengan un impacto significativo. Mientras que las erupciones más potentes, como la del Tambora en 1815, pueden influir fuertemente en la meteorología hemisférica durante algunos años, nuestras observaciones de erupciones como las del Agung (1963), El Chichón (1982) y el Pinatubo (1991) sugieren que sus efectos se disipan en 3-4 años.
La idea de que la Pequeña Edad de Hielo (PEH) fue causada por el aumento de la actividad volcánica es muy popular. Sin embargo, los datos sugieren lo contrario. La actividad volcánica durante la PEH no fue inusualmente alta, sino más bien inferior a la media del Holoceno. Incluso en la segunda mitad del siglo XX, la actividad volcánica fue superior al 80% de la PEH. El principal factor de forzamiento climático inusual durante la PEH fue una actividad solar excepcionalmente baja.
Las erupciones volcánicas que penetran en la estratosfera desencadenan importantes cambios radiativos, químicos y dinámicos, en los que el azufre desempeña un papel fundamental. El dióxido de azufre (SO2) volcánico se oxida, combina y agrega formando aerosoles de sulfato. Estos aerosoles dispersan la radiación de onda corta entrante, lo que provoca una reducción de la insolación superficial y el consiguiente enfriamiento de la superficie. También absorben la radiación infrarroja entrante y saliente, contribuyendo al calentamiento de la estratosfera.
Sin embargo, el efecto de la erupción del Hunga Tonga es todo lo contrario. El vapor de agua es un potente gas de efecto invernadero, por lo que el repentino aumento del 10% del vapor de agua estratosférico en un solo día aumentó la opacidad estratosférica a la radiación infrarroja saliente. A diferencia de la troposfera inferior, donde el efecto invernadero está esencialmente saturado, la estratosfera, muy por encima de la altitud media de emisión de la Tierra (unos 6 km), experimenta un efecto mucho más pronunciado por la adición de vapor de agua. Además, el mayor contenido de vapor de agua estratosférico aumenta las emisiones infrarrojas, lo que enfría la estratosfera considerablemente.
La improbable erupción volcánica inversa de Hunga Tonga enfría la estratosfera al tiempo que calienta la superficie. Sin embargo, este efecto disminuirá gradualmente con el tiempo a medida que el exceso de vapor de agua salga de la estratosfera en los próximos 2-4 años. La figura 2 ilustra el movimiento del agua volcánica desde las regiones tropicales, por donde entra el aire deshidratado de la troposfera, hasta las latitudes medias y altas, por donde el vapor de agua de la erupción saldrá gradualmente de la estratosfera en los próximos años.
Surge la pregunta: ¿por qué se tardó más de un año en detectar los efectos de los cambios estratosféricos en la temperatura de la superficie tras la explosión? Normalmente, se espera que los efectos radiativos sean instantáneos una vez que el vapor de agua o los aerosoles de sulfato se sitúan en la estratosfera. Sin embargo, nuestra comprensión de cómo los volcanes afectan al clima sigue siendo incompleta, y los modelos climáticos tienen dificultades para reproducir con precisión estos fenómenos.
El transporte dentro de la estratosfera es rápido en dirección longitudinal, pero muy lento con respecto a la latitud y la altitud, con importantes variaciones estacionales. En la figura 2 podemos observar cómo el vapor de agua no llega al hemisferio norte hasta un año después de la erupción. Dependiendo de factores como la latitud de la erupción y la época del año, los efectos sobre el clima pueden variar mucho. La erupción del Tambora proporciona un precedente: se produjo en abril de 1815, pero sus efectos sobre la meteorología, que condujeron al "año sin verano", no se detectaron hasta junio de 1816, un lapso de 15 meses después de la erupción. Este precedente histórico subraya la posibilidad de que sucesos ocurridos más de un año después de una erupción puedan ser atribuidos a ella.
2. 2023, el año más caluroso registrado
A partir de junio de 2023, los últimos siete meses del año marcaron el periodo más cálido jamás registrado, superando significativamente los registros anteriores. Un acontecimiento así es bastante notable, dada la considerable variabilidad de temperaturas observada de un mes a otro. Pero, ¿hasta qué punto es improbable?
Utilizando el conjunto de datos HadCRUT5, descubrimos que ha habido 17 años que han batido el récord de temperatura desde 1870. La figura 3 muestra que, en 2023, el aumento de la temperatura con respecto al récord anterior fue el mayor en 153 años, con +0,17 °C. Este nivel de aumento respecto a los registros anteriores es notable, incluso para un año que se ha registrado como el más cálido de la historia.
En los años más cálidos, a menudo destacan varios meses como los más cálidos (Figura 4, barras azules). En 2023, hubo siete de esos meses, sólo por detrás de 2016 y empatando con 2015. Cabe destacar que estos siete meses más cálidos fueron consecutivos, de junio a diciembre. Las barras rojas de la Figura 4 ilustran el número de meses récord consecutivos de cada año récord. De la figura se desprende claramente que los años del conjunto de datos con cinco o más meses cálidos consecutivos coinciden con años muy intensos de El Niño: 1877-78, 1997-98 y 2015-2016.
Las estadísticas de temperatura reflejan que 2023 presentó condiciones similares a los años que en más de un siglo presentaron un fenómeno de El Niño más fuerte. Pero, ¿fue realmente así? Determinar si El Niño fue el catalizador del calentamiento récord de 2023 es todo un reto. Basarse únicamente en la temperatura de la superficie del océano Pacífico como criterio de El Niño conduciría a un razonamiento circular. Definimos El Niño en base al calentamiento y atribuimos el calentamiento a El Niño. Para escapar de este razonamiento circular debemos utilizar otro criterio para estudiar El Niño de 2023 que no sea la temperatura. El Niño es un fenómeno complejo en el que intervienen tanto la atmósfera como el océano. El Índice Multivariable ENSO (MEI v2) utiliza cinco variables (presión a nivel del mar, temperatura de la superficie del mar, vientos zonales de superficie, vientos meridionales de superficie y radiación de onda larga saliente) para crear una serie temporal de las condiciones de El Niño Oscilación del Sur (ENSO) desde 1979 hasta la actualidad.
Este índice, cuando se promedia a lo largo de todo el año, muestra que de todos los años récord desde 1980, sólo 1997-98 y 2015-16 fueron el resultado de un El Niño muy fuerte. 2023 fue en realidad un año de El Niño débil, a pesar de las elevadísimas temperaturas de la superficie del mar. El Niño no fue la causa del extraordinario calentamiento de 2023.
Podemos concluir que 2023 destacó como un año excepcionalmente cálido. Aunque rivalizó con años El Niño muy intensos en cuanto a la superación de récords de temperatura anteriores, en realidad no entró en esa categoría. Sorprendentemente, a pesar de la ausencia de un fuerte El Niño, consiguió establecer el récord de temperatura más alto con el mayor margen en el conjunto de datos que abarcan siglo y medio.
En un artículo titulado "Estado del clima - verano de 2023", Judith Curry mostró lo inusual que fue 2023 en términos del balance global de radiación en la parte superior de la atmósfera, los componentes del balance energético en superficie y los modos internos de variabilidad climática impulsados por los patrones de circulación atmosférica y oceánica.
La magnitud de las anomalías mostradas en 2023 en una amplia gama de variables no se había registrado nunca antes. Se trata de un acontecimiento climático sin precedentes en nuestros registros.
3. Enero-marzo de 2024, el colapso del vórtice polar
El vórtice polar es un patrón de viento circular que se desarrolla en planetas en rotación con atmósfera. Resulta de la conservación de la vorticidad potencial, una propiedad que depende de la fuerza de Coriolis y del gradiente de temperatura potencial. La temperatura potencial se refiere a la parte de la temperatura de un volumen (parcel) de aire que no se ve afectada por su energía potencial, y a menudo se define como la temperatura que tendría dicho volumen de aire si fuera llevado a la superficie (1.000 hPa).
En el hemisferio norte, hacia el final del verano, el Ártico experimenta un brusco descenso de la temperatura al acortarse los días. Para mantener la vorticidad potencial, la velocidad del viento alrededor de las regiones polares se intensifica en dirección oeste-este. La formación del vórtice polar en la estratosfera se produce cuando los vientos predominantes del este cambian a vientos del oeste. Este cambio es evidente en la velocidad zonal del viento, que pasa de negativa a positiva en torno a septiembre (véase la figura 6). Finalmente, el vórtice se disipa hacia abril.
Los vientos del vórtice polar estratosférico pueden alcanzar los 180 km/h y constituyen una barrera formidable para el transporte de calor desde los trópicos. Como resultado, la atmósfera y la superficie en el interior del vórtice se vuelven muy frías y secas, lo que reduce la pérdida de energía para el planeta, ya que las superficies frías irradian menos.
En la atmósfera, como en cualquier fluido, se producen ondas, las mayores de las cuales son las ondas planetarias. Estas ondas planetarias se originan en la troposfera como consecuencia de las grandes cadenas montañosas y de las diferencias de temperatura entre los océanos y la tierra. Son más frecuentes y pronunciadas durante el invierno en el hemisferio norte. En condiciones favorables, estas ondas se desplazan rápidamente, de forma similar a los tsunamis, chocando contra el vórtice polar e impartiendo un impulso angular hacia el este. Como resultado, los vientos que forman el vórtice polar reducen su velocidad, debilitándolo y permitiendo la entrada de aire más cálido, que empuja el aire frío hacia el exterior. Este intercambio provoca condiciones invernales más frías en las latitudes medias.
Cuando los vientos reducen su velocidad lo suficiente como para invertir su dirección, el vórtice polar se rompe en dos o tres vórtices desplazados más pequeños. El aire estratosférico que entra en la zona anteriormente ocupada por el vórtice desciende, calentándose significativamente en el proceso. Este fenómeno, conocido como calentamiento estratosférico súbito (SSW, por sus siglas en inglés), puede elevar las temperaturas de la estratosfera polar hasta 40 °C en cuestión de días. Los SSW son relativamente frecuentes en el hemisferio norte y suelen producirse una vez cada dos años. Suelen provocar condiciones invernales más duras en determinadas regiones, especialmente en el este de Norteamérica y el este de Eurasia, en las semanas siguientes.
Los años de El Niño suelen favorecer los fenómenos de SSW y las rupturas del vórtice polar. Esto podría deberse al aumento de los contrastes de temperatura oceánica durante El Niño, que generan ondas planetarias de mayor amplitud. Ocasionalmente, aproximadamente una vez cada 10-20 años, se producen dos eventos de SSW en el mismo invierno. Sin embargo, el período prolongado de este invierno (de noviembre a marzo) marca la primera vez desde que comenzaron los registros en la década de 1950 que se han observado tres eventos SSW. La ruptura del vórtice polar se produjo en enero, febrero y marzo, como muestra la figura 6 del seguimiento de SSW de la NOAA. En cada ocasión, la línea roja que representa la velocidad del viento del oeste descendió hasta la línea cero. En esta época del año, es posible que el vórtice polar estratosférico no vuelva a formarse.
Según Adam Scaife, de la Oficina Meteorológica del Reino Unido, este fenómeno no sólo no tiene precedentes, sino que podría producirse una vez cada 250 años. Esta conclusión se desprende de un reciente estudio estadístico de los episodios de SSW realizado mediante un sistema de previsión estacional dentro de un modelo climático. Sin embargo, es importante tener en cuenta una advertencia: los modelos climáticos siguen teniendo dificultades para representar con precisión la estratosfera y no logran reproducir el fenómeno observado de que los años de La Niña también aumentan la probabilidad de que se produzcan episodios de SSW.
El impacto de los tres episodios de SSW de este invierno no es especialmente dramático. Aunque los patrones meteorológicos normales pueden cambiar, dando lugar a temperaturas y precipitaciones inusuales en algunas zonas, los efectos son temporales. En España podemos estarles agradecidos, porque es la muy probable causa de las inusualmente abundantes lluvias de este invierno que han hecho subir el agua de los embalses un 4% en dos semanas, situándonos en una situación más favorable que los dos años anteriores y tan solo un 4,8% por debajo de la media de diez años. Estamos asistiendo a uno de los inviernos más lluviosos en el registro.
La situación en Cataluña ha experimentado una notable mejoría, mientras que Andalucía y Murcia continúan muy faltas de agua. En el resto de España la situación es normal para la época o muy positiva. La estación más lluviosa en España es la primavera, por lo que albergo esperanzas de que la precipitación de este año sea superior a la media, terminando con la sequía.
Sin embargo, estos fenómenos sí afectan a las temperaturas del Ártico y, por tanto, a la cantidad de energía que sale del planeta. El debilitamiento del vórtice polar, como se muestra en la figura 6, se traduce en un aumento del transporte de calor hacia el Ártico este invierno, lo que provoca un aumento de las temperaturas en la región.
La figura 8 ilustra esta tendencia, con una línea naranja que representa las temperaturas del Ártico en 2023 según el Instituto Meteorológico Danés, y una línea verde que representa las temperaturas de este año. La temperatura del Ártico ha llegado a estar 20°C por encima de la media. Dado que el efecto invernadero es más débil durante el invierno ártico debido a la escasez de vapor de agua en la atmósfera, el resultado es que se escapa más energía del planeta debido al debilitamiento del vórtice. Esto sirve para mitigar el calentamiento inusual observado en la segunda mitad de 2023, que contribuyó a que fuera el año más cálido registrado.
A pesar del calor adicional transportado al Ártico, que ha provocado un aumento de las temperaturas, no se ha producido la correspondiente disminución de la extensión del hielo marino ártico. De hecho, la extensión del hielo marino de este invierno supera la media de 2010-2020. Parece que, contrariamente a los temores generalizados de su desaparición, el hielo del Ártico sigue siendo resistente y estable.
4. ¿Qué podemos esperar en un futuro próximo?
La aplicación de la navaja de Ockham sugiere que los tres acontecimientos sin precedentes están probablemente relacionados. La inusual erupción volcánica es la causa probable del calentamiento extraordinario, que a su vez condujo a la aparición de los acontecimientos de SSW sin precedentes. Nuestro conocimiento de los efectos de estos fenómenos respalda esta interpretación.
Los datos históricos sobre los años más cálidos indican una alta probabilidad de que 2024 vuelva a batir el récord de temperatura, de forma similar a lo ocurrido en 1877-78, 1980-81, 1997-98 y 2015-16. Sin embargo, si hemos identificado correctamente la causa del calentamiento como la erupción de Hunga Tonga, podemos esperar que a medida que el exceso de vapor de agua salga de la estratosfera, inducirá un efecto de enfriamiento en la superficie, reduciendo potencialmente las temperaturas durante los próximos 3-4 años. Estudios como el de Solomon et al. (2010) ya han demostrado el impacto negativo sobre el calentamiento global de la deshidratación estratosférica. Deberíamos asistir a la reversión de todo el calentamiento provocado por el volcán Hunga Tonga.
Además, otros factores que afectan a las temperaturas, como el descenso de la actividad solar tras el máximo del Ciclo Solar 25 y el desplazamiento de la Oscilación Multidecenal del Atlántico hacia su fase fría, podrían contribuir a una gran pausa en el calentamiento global. Tomando como punto de referencia la temperatura de 2023-24, podríamos incluso asistir a un cierto enfriamiento en los próximos años. Son tiempos interesantes en términos de dinámica climática.
