Análisis: Por qué los científicos creen que el 100% del calentamiento global se debe a los humanos | Carbon Brief

El alcance de la contribución humana al calentamiento global moderno es un tema muy debatido en los círculos políticos, especialmente en Estados Unidos.

Durante una reciente comparecencia ante el Congreso, Rick Perry, secretario de Energía de EE.UU., señaló que «decir que el 100% del calentamiento global se debe a la actividad humana, creo que, a primera vista, es indefendible».

Sin embargo, la ciencia sobre la contribución humana al calentamiento moderno es bastante clara. Las emisiones y actividades humanas han causado alrededor del 100% del calentamiento observado desde 1950, según el quinto informe de evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC).

Aquí Carbon Brief examina cómo cada uno de los principales factores que afectan al clima de la Tierra influiría en las temperaturas de forma aislada – y cómo sus efectos combinados predicen casi perfectamente los cambios a largo plazo en la temperatura global.

El análisis de Carbon Brief concluye que:

• Desde 1850, casi todo el calentamiento a largo plazo puede explicarse por las emisiones de gases de efecto invernadero y otras actividades humanas.
• Si las emisiones de gases de efecto invernadero por sí solas estuvieran calentando el planeta, esperaríamos ver un tercio más de calentamiento del que se ha producido realmente. Los aerosoles atmosféricos producidos por el hombre los compensan.
• Se prevé que los aerosoles disminuyan significativamente de aquí a 2100, con lo que el calentamiento total provocado por todos los factores se acercaría al provocado únicamente por los gases de efecto invernadero.
• Es poco probable que la variabilidad natural del clima de la Tierra desempeñe un papel importante en el calentamiento a largo plazo.

Animación de Rosamund Pearce para Carbon Brief. Imágenes vía Alamy Stock Photo.

¿Cuánto calentamiento es causado por el ser humano?

En su quinto informe de evaluación de 2013, el IPCC afirmó en su resumen para los responsables políticos que es «extremadamente probable que más de la mitad del aumento observado de la temperatura media global en superficie» entre 1951 y 2010 haya sido causado por la actividad humana. Por «extremadamente probable», quería decir que había entre un 95% y un 100% de probabilidades de que más de la mitad del calentamiento moderno se debiera a los seres humanos.

Esta afirmación, un tanto enrevesada, ha sido a menudo malinterpretada como si implicara que la responsabilidad humana del calentamiento moderno se encuentra en algún punto entre el 50% y el 100%. De hecho, como ha señalado el Dr. Gavin Schmidt de la NASA, la mejor estimación implícita del IPCC era que los seres humanos eran responsables de alrededor del 110% del calentamiento observado (que oscila entre el 72% y el 146%), con factores naturales aislados que han llevado a un ligero enfriamiento en los últimos 50 años.

De forma similar, la cuarta evaluación nacional del clima de EE.UU. concluyó que entre el 93% y el 123% del calentamiento observado entre 1951 y 2010 se debía a las actividades humanas.

Estas conclusiones han provocado cierta confusión sobre cómo más del 100% del calentamiento observado podría atribuirse a la actividad humana. Una contribución humana superior al 100% es posible porque el cambio climático natural asociado a los volcanes y a la actividad solar habría provocado muy probablemente un ligero enfriamiento en los últimos 50 años, compensando parte del calentamiento asociado a las actividades humanas.

‘Forzamientos’ que cambian el clima

Los científicos miden los distintos factores que afectan a la cantidad de energía que llega y permanece en el clima de la Tierra. Se conocen como «forzamientos radiativos».

Estos forzamientos incluyen los gases de efecto invernadero, que atrapan el calor saliente, los aerosoles -tanto de las actividades humanas como de las erupciones volcánicas- que reflejan la luz solar entrante e influyen en la formación de nubes, los cambios en la producción solar, los cambios en la reflectividad de la superficie de la Tierra asociados al uso de la tierra, y muchos otros factores.

Para evaluar el papel de cada uno de los diferentes forzamientos en los cambios de temperatura observados, Carbon Brief adaptó un sencillo modelo climático estadístico desarrollado por el Dr. Karsten Haustein y sus colegas de la Universidad de Oxford y la Universidad de Leeds. Este modelo encuentra la relación entre los forzamientos climáticos humanos y naturales y la temperatura que mejor se ajusta a las temperaturas observadas, tanto a nivel global como en las zonas terrestres solamente.

La figura siguiente muestra el papel estimado de cada uno de los diferentes forzamientos climáticos en el cambio de las temperaturas superficiales globales desde que se iniciaron los registros en 1850 – incluyendo los gases de efecto invernadero (línea roja), los aerosoles (azul oscuro), el uso de la tierra (azul claro), el ozono (rosa), el sol (amarillo) y los volcanes (naranja).

Los puntos negros muestran las temperaturas observadas a partir del proyecto de temperatura de la superficie de la Tierra de Berkeley, mientras que la línea gris muestra el calentamiento estimado a partir de la combinación de todos los diferentes tipos de forzamientos

Temperaturas medias globales de la superficie de la Tierra de Berkeley (puntos negros) y la influencia modelada de los diferentes forzamientos radiativos (líneas de color), así como la combinación de todos los forzamientos (línea gris) para el período de 1850 a 2017. Véanse los métodos al final del artículo para más detalles. Gráfico realizado por Carbon Brief utilizando Highcharts.

La combinación de todos los forzamientos radiativos suele coincidir bastante bien con los cambios a largo plazo en las temperaturas observadas. Existe una cierta variabilidad interanual, principalmente debida a los fenómenos de El Niño, que no se debe a los cambios en los forzamientos. También hay periodos de 1900-1920 y 1930-1950 en los que son evidentes algunos desacuerdos mayores entre el calentamiento proyectado y el observado, tanto en este modelo simple como en modelos climáticos más complejos.

El gráfico destaca que, de todos los forzamientos radiativos analizados, sólo el aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero produce la magnitud del calentamiento experimentado en los últimos 150 años.

Si sólo las emisiones de gases de efecto invernadero estuvieran calentando el planeta, esperaríamos ver un tercio más de calentamiento del que se ha producido en realidad.

Entonces, ¿qué papel desempeñan todos los demás factores?

El calentamiento adicional de los gases de efecto invernadero está siendo compensado por el dióxido de azufre y otros productos de la combustión de combustibles fósiles que forman aerosoles atmosféricos. Los aerosoles en la atmósfera reflejan la radiación solar entrante hacia el espacio y aumentan la formación de nubes altas y reflectantes, enfriando la Tierra.

El ozono es un gas de efecto invernadero de corta duración que atrapa el calor saliente y calienta la Tierra. El ozono no se emite directamente, sino que se forma cuando el metano, el monóxido de carbono, los óxidos de nitrógeno y los compuestos orgánicos volátiles se descomponen en la atmósfera. Los aumentos de ozono son directamente atribuibles a las emisiones humanas de estos gases.

En la atmósfera superior, las reducciones de ozono asociadas a los clorofluorocarbonos (CFC) y otros halocarbonos que agotan la capa de ozono han tenido un modesto efecto de enfriamiento. Los efectos netos de los cambios combinados en el ozono atmosférico inferior y superior han calentado modestamente la Tierra en unas décimas de grado.

Los cambios en la forma de utilizar la tierra alteran la reflectividad de la superficie terrestre. Por ejemplo, la sustitución de un bosque por un campo suele aumentar la cantidad de luz solar que se refleja en el espacio, especialmente en las regiones nevadas. El efecto climático neto de los cambios en el uso de la tierra desde 1850 es un modesto enfriamiento.

Los volcanes tienen un efecto de enfriamiento a corto plazo en el clima debido a su inyección de aerosoles de sulfato en lo alto de la estratosfera, donde pueden permanecer en el aire durante unos años, reflejando la luz solar entrante de vuelta al espacio. Sin embargo, una vez que los sulfatos descienden a la superficie, el efecto de enfriamiento de los volcanes desaparece. La línea naranja muestra el impacto estimado de los volcanes en el clima, con grandes picos de temperatura de hasta 0,4C asociados a las grandes erupciones.

Por último, la actividad solar se mide mediante satélites en las últimas décadas y se estima a partir del recuento de manchas solares en un pasado más lejano. La cantidad de energía que llega a la Tierra desde el sol fluctúa modestamente en un ciclo de unos 11 años. Se ha producido un ligero aumento de la actividad solar global desde la década de 1850, pero la cantidad de energía solar adicional que llega a la Tierra es pequeña en comparación con otros forzamientos radiativos examinados.

Durante los últimos 50 años, la energía solar que llega a la Tierra ha disminuido ligeramente, mientras que las temperaturas han aumentado drásticamente.

Los forzamientos humanos coinciden con el calentamiento observado

La precisión de este modelo depende de la precisión de las estimaciones de los forzamientos radiativos. Algunos tipos de forzamiento radiativo, como el procedente de las concentraciones atmosféricas de CO2, pueden medirse directamente y tienen incertidumbres relativamente pequeñas. Otros, como los aerosoles, están sujetos a incertidumbres mucho mayores debido a la dificultad de medir con precisión sus efectos en la formación de nubes.

Estos se tienen en cuenta en la figura siguiente, que muestra los forzamientos naturales combinados (línea azul) y los forzamientos humanos (línea roja) y las incertidumbres que el modelo estadístico asocia a cada uno. Estas áreas sombreadas se basan en 200 estimaciones diferentes de forzamientos radiativos, incorporando investigaciones que intentan estimar un rango de valores para cada uno. Las incertidumbres en los factores humanos aumentan después de 1960, impulsadas en gran medida por el aumento de las emisiones de aerosoles a partir de ese momento.

Temperaturas medias globales de la superficie de la Tierra de Berkeley (puntos negros) e influencia modelizada de todos los forzamientos radiativos naturales (línea azul) y humanos (línea roja) combinados con sus respectivas incertidumbres (áreas sombreadas) para el período comprendido entre 1850 y 2017. También se muestra la combinación de todos los forzamientos naturales y humanos (línea gris). Para más detalles, véanse los métodos al final del artículo. Gráfico realizado por Carbon Brief utilizando Highcharts.

En general, el calentamiento asociado a todos los forzamientos humanos concuerda bastante bien con el calentamiento observado, mostrando que alrededor del 104% del total desde el inicio del período «moderno» en 1950 proviene de las actividades humanas (y el 103% desde 1850), lo que es similar al valor informado por el IPCC. Los forzamientos naturales combinados muestran un modesto enfriamiento, impulsado principalmente por las erupciones volcánicas.

El sencillo modelo estadístico utilizado para este análisis por Carbon Brief difiere de los modelos climáticos mucho más complejos utilizados generalmente por los científicos para evaluar la huella humana en el calentamiento. Los modelos climáticos no se limitan a «ajustar» los forzamientos a las temperaturas observadas. Los modelos climáticos también incluyen las variaciones de temperatura en el espacio y el tiempo, y pueden tener en cuenta las diferentes eficacias de los forzamientos radiativos en las distintas regiones de la Tierra.

Sin embargo, al analizar el impacto de los diferentes forzamientos en las temperaturas globales, los modelos climáticos complejos suelen obtener resultados similares a los modelos estadísticos simples. La siguiente figura, extraída del Quinto Informe de Evaluación del IPCC, muestra la influencia de diferentes factores en la temperatura para el periodo comprendido entre 1950 y 2010. Las temperaturas observadas se muestran en negro, mientras que la suma de los forzamientos humanos se muestra en naranja.

Esto sugiere que los forzamientos humanos por sí solos habrían provocado aproximadamente el 110% del calentamiento observado. El IPCC también incluyó la magnitud estimada de la variabilidad interna durante ese período en los modelos, que sugieren que es relativamente pequeña y comparable a la de los forzamientos naturales.

Como dice el profesor Gabi Hegerl de la Universidad de Edimburgo a Carbon Brief: «El informe del IPCC tiene una estimación que básicamente dice que la mejor estimación es que no hay contribución con no mucha incertidumbre».

Las zonas terrestres se están calentando más rápido

Las temperaturas terrestres se han calentado considerablemente más rápido que las temperaturas medias globales durante el último siglo, con temperaturas que han alcanzado alrededor de 1,7C por encima de los niveles preindustriales en los últimos años. El registro de la temperatura de la tierra también se remonta más atrás en el tiempo que el registro de la temperatura global, aunque el período anterior a 1850 está sujeto a incertidumbres mucho mayores.

Tanto los forzamientos radiativos humanos como los naturales pueden ajustarse a las temperaturas de la tierra utilizando el modelo estadístico. La magnitud de los forzamientos humanos y naturales diferirá un poco entre las temperaturas terrestres y las globales. Por ejemplo, las erupciones volcánicas parecen tener una mayor influencia en la tierra, ya que es probable que las temperaturas terrestres respondan más rápidamente a los cambios rápidos en los forzamientos.

La figura siguiente muestra la contribución relativa de cada uno de los diferentes forzamientos radiativos a las temperaturas terrestres desde 1750.

Las temperaturas medias de la superficie terrestre de Berkeley (puntos negros) y la influencia modelada de los diferentes forzamientos radiativos (líneas de color), así como la combinación de todos los forzamientos (línea gris) para el período comprendido entre 1750 y 2017. Gráfico elaborado por Carbon Brief con Highcharts.

La combinación de todos los forzamientos suele coincidir bastante bien con las temperaturas observadas, con una variabilidad a corto plazo en torno a la línea gris impulsada principalmente por los fenómenos de El Niño y La Niña. Hay una mayor variación en las temperaturas anteriores a 1850, lo que refleja las incertidumbres mucho mayores en los registros de observación hasta esa fecha.

Todavía hay un período alrededor de 1930 y 1940 en el que las observaciones superan lo que predice el modelo, aunque las diferencias son menos pronunciadas que en las temperaturas globales y la divergencia de 1900-1920 está mayormente ausente en los registros terrestres.

Las erupciones volcánicas de finales de 1700 y principios de 1800 destacan claramente en el registro terrestre. La erupción del monte Tambora, en Indonesia, en 1815, puede haber enfriado las temperaturas terrestres en 1,5 ºC, aunque los registros de la época se limitaban a partes del hemisferio norte y, por tanto, es difícil sacar una conclusión firme sobre los impactos globales. En general, los volcanes parecen enfriar las temperaturas terrestres casi el doble que las temperaturas globales.

¿Qué puede ocurrir en el futuro?

Carbon Brief utilizó el mismo modelo para proyectar futuros cambios de temperatura asociados a cada factor de forzamiento. La figura siguiente muestra las observaciones hasta 2017, junto con los futuros forzamientos radiativos posteriores a 2017 de RCP6.0, un escenario de calentamiento futuro medio-alto.

Temperaturas medias globales de la superficie de la Tierra de Berkeley (puntos negros) y la influencia modelada de diferentes forzamientos radiativos (líneas de color) para el período de 1850 a 2100. Forzamientos posteriores a 2017 tomados de RCP6.0. Gráfico realizado por Carbon Brief utilizando Highcharts.

Cuando se facilitan los forzamientos radiativos para el escenario RCP6.0, el modelo estadístico simple muestra un calentamiento de alrededor de 3C para 2100, casi idéntico al calentamiento medio que encuentran los modelos climáticos.

Se espera que el futuro forzamiento radiativo del CO2 continúe aumentando si se incrementan las emisiones. En cambio, se prevé que los aerosoles alcancen los niveles máximos actuales y disminuyan considerablemente de aquí a 2100, debido en gran parte a la preocupación por la calidad del aire. Esta reducción de los aerosoles aumentará el calentamiento global, acercando el calentamiento total de todos los forzamientos radiativos al calentamiento provocado únicamente por los gases de efecto invernadero. Los escenarios RCP suponen que no habrá futuras erupciones volcánicas específicas, ya que se desconoce el momento en que se producirán, mientras que la producción solar continúa su ciclo de 11 años.

Este enfoque también puede aplicarse a las temperaturas de la tierra, como se muestra en la figura siguiente. Aquí se muestran las temperaturas terrestres entre 1750 y 2100, con forzamientos posteriores a 2017 también procedentes de RCP6.0.

Temperaturas medias de la superficie terrestre de Berkeley (puntos negros) e influencia modelada de diferentes forzamientos radiativos (líneas de color) para el periodo de 1750 a 2100. Forzamientos posteriores a 2017 tomados de RCP6.0. Gráfico elaborado por Carbon Brief con Highcharts.

Se espera que la tierra se caliente un 30% más rápido que el globo en su conjunto, ya que el ritmo de calentamiento sobre los océanos se ve amortiguado por la captación de calor oceánica. Esto se ve en los resultados del modelo, donde la tierra se calienta alrededor de 4C para 2100 en comparación con 3C a nivel mundial en el escenario RCP6.0.

Hay una amplia gama de calentamiento futuro posible de diferentes escenarios RCP y diferentes valores para la sensibilidad del sistema climático, pero todos muestran un patrón similar de disminución de las emisiones de aerosoles en el futuro y un mayor papel para el forzamiento de los gases de efecto invernadero en las temperaturas futuras.

El papel de la variabilidad natural

Aunque los forzamientos naturales procedentes de la energía solar y de los volcanes no parecen desempeñar un papel importante en el calentamiento a largo plazo, también existe una variabilidad natural asociada a los ciclos oceánicos y a las variaciones en la captación de calor de los océanos.

Como la gran mayoría de la energía atrapada por los gases de efecto invernadero es absorbida por los océanos y no por la atmósfera, los cambios en la tasa de captación de calor de los océanos pueden tener un gran impacto en la temperatura de la superficie. Algunos investigadores han argumentado que los ciclos multidecenales, como la Oscilación Multidecenal del Atlántico (AMO) y la Oscilación Decenal del Pacífico (PDO), pueden desempeñar un papel en el calentamiento a escala decenal.

Aunque los factores humanos explican todo el calentamiento a largo plazo, hay algunos periodos específicos que parecen haberse calentado o enfriado más rápido de lo que puede explicarse en base a nuestras mejores estimaciones de forzamiento radiativo. Por ejemplo, el modesto desajuste entre la estimación basada en el forzamiento radiativo y las observaciones realizadas a mediados de la década de 1900 podría ser una prueba del papel que desempeñó la variabilidad natural durante ese período.

Varios investigadores han examinado el potencial de la variabilidad natural para influir en las tendencias de calentamiento a largo plazo. Han llegado a la conclusión de que, en general, desempeña un papel limitado. Por ejemplo, el Dr. Markus Huber y el Dr. Reto Knutti, del Instituto de Ciencias Atmosféricas y Climáticas (IAC) de Zúrich, descubrieron una posible contribución máxima de la variabilidad natural de alrededor del 26% (+/- 12%) en los últimos 100 años y del 18% (+/- 9%) en los últimos 50 años.

Knutti explica a Carbon Brief:

«Nunca podemos descartar por completo que la variabilidad natural sea mayor de lo que pensamos actualmente. Pero ese es un argumento débil: por supuesto, nunca se puede descartar lo desconocido. La cuestión es si hay pruebas sólidas, o incluso alguna, de ello. Y la respuesta es no, en mi opinión.

Los modelos aciertan aproximadamente con la variabilidad de la temperatura a corto plazo. En muchos casos, incluso tienen demasiada. Y para el largo plazo, no podemos estar seguros porque las observaciones son limitadas. Pero la respuesta forzada explica más o menos las observaciones, por lo que no hay pruebas del siglo XX de que nos estemos perdiendo algo…

Incluso si se descubriera que los modelos subestiman la variabilidad interna por un factor de tres, es extremadamente improbable que la variabilidad interna pueda producir una tendencia tan grande como la observada»

De manera similar, el Dr. Martin Stolpe y sus colegas, también en el IAC, analizaron recientemente el papel de la variabilidad natural multidecenal en los océanos Atlántico y Pacífico. Descubrieron que «menos del 10% del calentamiento global observado durante la segunda mitad del siglo XX se debe a la variabilidad interna en estas dos cuencas oceánicas, lo que refuerza la atribución de la mayor parte del calentamiento observado a los forzamientos antropogénicos».

Es probable que la variabilidad interna tenga un papel mucho mayor en las temperaturas regionales. Por ejemplo, en la producción de períodos inusualmente cálidos en el Ártico y en los Estados Unidos en la década de 1930. Sin embargo, su papel a la hora de influir en los cambios a largo plazo de las temperaturas superficiales globales parece ser limitado.

Conclusión

Aunque hay factores naturales que afectan al clima de la Tierra, la influencia combinada de los volcanes y los cambios en la actividad solar habrían provocado un enfriamiento en lugar de un calentamiento durante los últimos 50 años.

El calentamiento global presenciado durante los últimos 150 años coincide casi perfectamente con lo que se espera de las emisiones de gases de efecto invernadero y otras actividades humanas, tanto en el modelo simple examinado aquí como en modelos climáticos más complejos. La mejor estimación de la contribución humana al calentamiento moderno se sitúa en torno al 100 %.

Sigue habiendo cierta incertidumbre debido al papel de la variabilidad natural, pero los investigadores sugieren que es poco probable que las fluctuaciones oceánicas y otros factores similares sean la causa de más de una pequeña fracción del calentamiento global moderno.

Metodología

El modelo estadístico simple utilizado en este artículo es una adaptación del Índice de Calentamiento Global publicado por Haustein et al (2017). A su vez, se basa en el modelo de Otto et al (2015).

El modelo estima las contribuciones al cambio climático observado y elimina el impacto de las fluctuaciones naturales interanuales mediante una regresión lineal múltiple de las temperaturas observadas y las respuestas estimadas al total de forzamientos humanos y al total de forzamientos naturales del cambio climático. Las respuestas a los forzamientos las proporciona el modelo climático simple estándar que figura en el capítulo 8 del IPCC (2013), pero el tamaño de estas respuestas se estima mediante el ajuste a las observaciones. Los forzamientos se basan en los valores del IPCC (2013) y se actualizaron hasta 2017 utilizando datos de la NOAA y de ECLIPSE. El Dr. Piers Forster, de la Universidad de Leeds, proporcionó 200 variaciones de estos forzamientos, que reflejan la incertidumbre en las estimaciones de forzamiento. También se proporciona una hoja de cálculo de Excel que contiene su modelo.

El modelo se adaptó calculando las respuestas de forzamiento para cada uno de los diferentes forzamientos climáticos principales en lugar de simplemente el total de forzamientos humanos y naturales, utilizando el registro de Berkeley Earth para las observaciones. El tiempo de decaimiento de la respuesta térmica utilizado para convertir los forzamientos en respuestas de forzamiento se ajustó para que fuera de un año en lugar de cuatro años para los forzamientos volcánicos, a fin de reflejar mejor el rápido tiempo de respuesta presente en las observaciones. Los efectos de los eventos de El Niño y La Niña (ENSO) se eliminaron de las observaciones utilizando un enfoque adaptado de Foster y Rahmstorf (2011) y el índice Kaplan El Niño 3.4 al calcular la respuesta de la temperatura volcánica, ya que la superposición entre los volcanes y el ENSO complica de otro modo las estimaciones empíricas.

La respuesta de la temperatura para cada forzamiento individual se calculó escalando sus respuestas de forzamiento por los coeficientes humanos o naturales totales del modelo de regresión. El modelo de regresión también se ejecutó por separado para las temperaturas terrestres. Las respuestas de la temperatura para cada forzamiento entre 2018 y 2100 se estimaron utilizando los datos de forzamiento de RCP6.0, normalizados para coincidir con la magnitud de los forzamientos observados a finales de 2017.

Las incertidumbres en la respuesta total de la temperatura humana y natural se estimaron utilizando un análisis de Monte Carlo de 200 series de forzamiento diferentes, así como las incertidumbres en los coeficientes de regresión estimados. El código Python utilizado para ejecutar el modelo está archivado en GitHub y disponible para su descarga.

Los datos observacionales de 2017 que se muestran en las figuras se basan en la media de los 10 primeros meses del año y es probable que sean bastante similares al valor anual definitivo.