Rol de los océanos en el clima

2 circulaciones:Circulación forzada por el vientoCirculación termohalina

Circulacion media zonal oceánica

Rol de los océanos● Océanos regulan el clima desde escalas de

semanas a milenios.● En escalas largas los océanos juegan un rol

preponderante a través de – Gran inercia térmica

– Gran reservorio de CO2 (50 veces mas que la atmósfera)

Fundamental para entender climas pasados y futuros

Rol de los océanos● Océanos regulan el clima desde escalas de

semanas a milenios.● En escalas largas los océanos juegan un rol

preponderante a través de – Gran inercia térmica

– Gran reservorio de CO2 (50 veces mas que la atmósfera)

Fundamental para entender climas pasados y futuros

● En escalas de semanas a años los océanos “ordenan” a la dinámica caótica de la atmósfera– dan predictibilidad estacional

El Niño es el ejemplo típico

¿Cómo y hacia que nuevo estado evolucionará el clima debido a la acción humana?

● El océano global regula los flujos de energía y es el mayor reservorio de calor debido a su gran inercia térmica y transporte.– Mas del 90% del exceso de energía

antropogénica está en el océano.

– Esa energía se evidencia en un calentamiento de los primeros 2000 m del océano.

– Si todo el calor hubiera ido a la atmósfera ésta se hubiera calentado muchísimo mas!

IPCC 2013

¿Donde se absorbió la energía extra?

● El océano Austral ha absorbido la mayor cantidad de calor pues es una región de afloramiento y formación de aguas profundas (Manabe et al 1990).

● Absorbió entre 67-98% de toda la energía (Roemmich et al. 2015)

IPCC AR5 (2013)

Olber and Visbeck 2005

Antártida

Calentamiento por debajo de 4000m

… lo cual generó un calentamiento diferencial fuerte entre hemisferios

Friedman et al 2013

Cambios en las lluvias ante aumento CO2

Hwang et al 2018, Talento & Barreiro 2015, 2016, 2017

El gradiente hemisférico encalentamiento modifica la respuesta de la precipitación ante un aumento de CO

2.

Calentamientouniforme

Calentamientomenor en HS

¿Por qué no hubo calentamiento en 1999-2013?

● Los océanos tienen modos de variabilidad de escala inter-decádica que controlan el calentamiento terrestre.

● La “pausa” de calentamiento entre 1999 y 2013 se debió a la existencia de la fase negativa de la Oscilacion Decadal del Pacífico (England et al 2014)

Trenberth et al (2014)

El calentamiento se reinició cuando la ODP cambió de fase en 2014

¿A donde fue el CO2 antropogénico?

30%

¿A donde fue el CO2 antropogénico?

Si el océano no hubiera absorbido el CO2,

ahora habría 55 ppm mas en la atmósfera →40% lo absorbió el océano Austral.

Sabine et al 2004

CO2 antropogénico

¿Como determinamos el origen del CO2?

A través de la composición isotópica.

El 99% del C en la atmósfera es 12C, el resto es casi todo 13C (hay muy poco 14C). Las plantas prefieren 12C con respecto a 13C y por lo tanto 13C/12C es menor en las plantas que en la atmósfera.

Como los combustibles fósiles se originan en plantas, cuando los quemamos estamos Emitiendo más 12C. Por lo tanto debería haber un decrecimiento de 13C/12C.

¿Que controla las variaciones glaciares-interglaciares de CO2 atmosférico?

Ciclo del CarbonoCiclo del Carbono

● El reciclaje de elementos (C, N, P, O) entre los componentes del sistema Tierra es fundamental para la habitabilidad del planeta.

● La atmósfera, el océano y las placas transportan material entre las diferentes partes del sistema donde son utilizados por procesos biológicos y físicos.

● Entre los elementos el C es el + importante:● La vida esta basada en C● Efecto invernadero● Acidez oceánica

● Para lograr esto el ciclo del carbono tiene una jerarquia de sub-ciclos que ocurren en una variedad de escalas de tiempo. ● Millones de años para el reciclado de C a través de

rocas sedimentarias y para el intercambio de C con el interior de la Tierra.

● Los volcanes emiten CO2 a la atmósfera pero a una razón muy lenta que permitiría una actividad biológica muy limitada si no existieran mecanismos de reciclado de nutrientes muy eficientes en la biósfera. – Décadas para el reemplazo de CO2 en la atmosfera.

● ¿Que procesos controlan la distribución de carbono en el océano?● Transporte → relacionado a S● “Bomba de solubilidad” → relacionado a T● “Bomba biológica” → relacionado a nutrientes

Existe un flujo continuo de CO2 entre la atmosfera y el oceano y la distribucionde fuentes y sumideros depende de la circulacion oceanica y la productividad.

Flujo de CO2 hacia la atmosfera ocurre en las regiones de afloramiento

Flujo de CO2 hacia el oceano ocurre en regiones de formacion de aguas profundaso donde la concentracion oceanica de CO2 es menor que en la atmosfera.

Sumiderode CO2 atmosferico

Fuente de CO2 para la atmósfera

DIC

DIC y S muestran distribucionesen parte similares

→ circulacion oceanica

DIC

DIC y S muestran grandes diferencias

→ DIC está influenciado por procesosbiologicos mientras que S no.

Cuanto mas fría está el aguamayor cantidad de DICpuede contener.

Bomba de solubilidad

Gradientes verticales de DIC y Tgeneralmente inversamenteRelacionados.

Gradientes verticales de DIC y Tgeneralmente inversamenteRelacionados.

Flujos de calor y CO2 opuestos en signo

¿Pero por que DIC en el oceano profundo excede la concentracionde equilibrio a esa temperatura?

Ciclo marino de carbono organico

● Fitoplancton, tales como diatomeas y cocolitóforos son los productores primarios.

● La fotosintesis ocurre en la zona fótica, o sea donde existe luz para la fotosintesis – 100m en el oceano abierto.

● Los gases (CO2 y O2) usados estan disueltos en el agua. Intercambio con la atmosfera.

Diato

Coco

● La mayor parte de la materia organica en superficie es consumida por zooplancton, p.ej. foraminifera y radiolaria

Fora

Radio

Distribucion media de clorofila

Maximo de nutrientesen 1 km de profundidad

La productividad está limitadapor la disponibildad de nutrientes (P, N)

La disponibilidad de nutrientes en la superficie está dada por el afloramiento de aguas inducidapor el viento

Simulacion de afloramiento en 50m de profundidad

Bomba biologica (flujo de CO2 y nutrientes de superf al fondo)

● Solo el 1% del detritus de superficie llega al fondo marino. El resto es descompuesto en el camino por animales y microbiosliberandose CO2 y nutrientes. ● Del 1% solo el 0.1% es preservado en los sedimentos. El resto es descompuesto por bacterias.La bomba biológica es balanceada por el

afloramiento de aguas profundas que trae nutrientes a la superficie.

DIC y PO4 son el resultadode procesos biológicos similaresy tienen la misma distribucion

→ bomba biologica

… tambien en el Pacifico

¿A donde fue el CO2 antropogénico?

Máximos CO2 están asociados a formación

de aguas profundas en el Atlántico norte e intermedias en el hemisferio sur.

Si el océano no hubiera absorbido el CO2,

ahora habría 55 ppm mas en la atmósfera →40% lo absorbió el océano Austral.

Sabine et al 2004

CO2 antropogénico

Cambio en pH 1700-1990

¿Que controla las variaciones glaciares-interglaciares de CO2 atmosférico?

¿Puede ser que cambios en los oceanos hayan reducido la concentracion de CO2 atmosferico en mas 80 ppm durante el ultimo máximo glaciar?

Cambios en la bomba de solubilidad

- enfriamiento del océano profundo en 2C: -20 ppm- enfriamiento del oceano superficial en 5C: -20 ppm

Cambios en la bomba biológica

- una mayor eficiencia podria dar lugar a -40 ppm

Cambios en la circulación océanica?????

Registro de temperatura terrestre

Registro de temperatura terrestre

Snowball Earth

El ciclo terrestre del carbono y ciclo lento

Atm CO2 =>

Fotos: Carbono Organ =>

Otoño: cae laHoja al suelo

Bacteria y hongosDescomponenLa hoja y Transforman elCO2 en gas=>

Vuelve a la atm

Erosion y transporte por rios al oceano=> Entierra en fondo oceanico => subduccion de placa

(1) debido a gran presion y T se convierte en gas => vuelve a la atm

(2) forma parte de rocas sedimentarias/metam => permanece millones de años hasta que sale a la superf =>Meteorizacion => va a los ríos

Corto(decadas) largo

Fotosintesis: absorcion de CO2 de la atm. + luz + agua = azucares + O2Respiración: azucares+ O2 = CO2 + agua

Retroalimentacion que opera en escalas de millonesde años y ayuda en la mantención de las condiciones de habitabilidad

terrestre.

● Si la Tierra se hubiera congelado completamente no habria sumidero de CO2 y el CO2 emitido por los volcanes se concentra hasta que el ef. Invernadero es suficientemente fuerte como para el descongelamiento.

Como los continentes estaban en los tropicos, mientras se congelaban las altas latitudes la meteorizacion de silicatos seguia actuando de sumidero de CO2.

Retroalimentacion hielo-albedo actua para congelar y luego para descongelar

Necesita unosmillones de añospara elevar el CO2tal que pueda iniciardescongelamiento

Paradoja del joven sol debil

● El origen de la vida se remonta a 3.5 billones de años.

● Para que haya vida es necesaria la existencia de agua liquida

● En esa epoca el sol brillaba un 30% menos que hoy.

● ¿Como es posible que hubiera agua liquida con tan debil radiacion solar?

T e4=S4

1−A

A=0.3 ; S=1366W /m2⇒T e=255K y T s=288K

Si S=0.7∗1366⇒T s=266K=−7C

3 posibles soluciones● El albedo era menor:

deberia haber sido A=0, lo cual es imposible debido a que siempre hay nubes.

● Energía geotérmica era mayor pero solamente 3 veces mas que hoy (sería 0.3W/m2) lo cual es muy chico.

● El efecto invernadero era mayor pues la concentración de CO2 era mayor. Si solamente habia CO2 y H2O se necesitaba tener 1000 veces mas CO2 que el actual.

● Si la T decrece debido a menor luminosidad la razon de meteorizacion de silicatos disminuye, disminuyendo la perdida de CO2. El CO2 emitido por los volcanes se acumula en la atmosfera aumentando el efecto invernadero.