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Malas noticias: los modelos que miden el cambio climático son peores de lo esperado
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CAMBIO CLIMÁTICO

Malas noticias: los modelos que miden el cambio climático son peores de lo esperado

Las simulaciones en supercomputadora se han topado con las complejidades que conlleva programar miles de variedades meteorológicas, como por ejemplo el amplio impacto de las nubes

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Durante casi cinco años, un consorcio internacional de científicos se ha dedicado a perseguir nubes por el cielo, con el fin de resolver un problema que ha supuesto un obstáculo para toda una generación de predicciones meteorológicas: ¿cómo afectan estas volutas de vapor de agua al calentamiento global?

Han rediseñado 2,1 millones de líneas de código utilizado para explorar el futuro del cambio climático, añadiendo ecuaciones aún más complejas para las nubes y cientos de mejoras más. Probaron las ecuaciones una y otra vez, depurando el código entre medias.

Los científicos concluyeron que ni siquiera las herramientas más sofisticadas disponibles pueden producir modelos climáticos de la exactitud que el mundo necesita a medida que el aumento de temperaturas deja marca en casi todas las regiones.

Cuando ejecutaron la versión actualizada de la simulación en 2018, los resultados les dejaron anonadados: la atmósfera terrestre tiene una sensibilidad a los gases de efecto invernadero que es mucho mayor de lo que predecían modelos anteriores, y el futuro aumento de las temperaturas podría ser mucho mayor de lo que se temía, quizás incluso más allá de lo que podríamos solucionar.

Foto: Centro de datos de Google en The Dalles (Oregón, EEUU). (Google)

"Nos pareció muy extraño", explica Gokhan Danabasoglu, investigador principal del proyecto de modelos climáticos del Mesa Laboratory, laboratorio del Centro Nacional de Investigación Atmosférica (NCAR, por sus siglas en inglés), ubicado en Boulder, Colorado. "De ser correcto, ese resultado sería una muy mala noticia".

Al menos 20 modelos climáticos más antiguos y sencillos no coincidían con el nuevo modelo del NCAR, un modelo de código abierto conocido como el Community Earth System Model 2 (CESM2), financiado en su mayoría por la Fundación Nacional de Ciencia de EEUU (National Science Foundation) y considerado el programa climático de mayor influencia del mundo. Pero entonces, uno a uno, una docena más de grupos de modelos climáticos de todo el mundo obtuvieron resultados similares. "Ya no éramos solo nosotros", cuenta el Dr. Danabasoglu.

Los científicos pronto llegaron a la conclusión de que la física de las nubes en un mundo en el que las temperaturas están en aumento, que puede amplificar o amortiguar el cambio climático, había afectado a sus cálculos. "Sabemos que el método anterior es erróneo", explicó Andrew Gettelman, físico del NCAR especializado en nubes que ayudó a desarrollar el modelo CESM2. "Creo que la sensibilidad de nuestro modelo, aunque mayor, también es errónea. Probablemente sea una consecuencia de otros cambios que implementamos para incluir las nubes mejor, de forma más realista. Se resuelve un problema y se crea otro".

Desde entonces, los científicos del CESM2 han estado rediseñando sus algoritmos del cambio climático a partir de un torrente de información nueva sobre los efectos que puede tener un aumento de las temperaturas a la hora de entender la física que está teniendo lugar. Han dejado atrás sus cálculos basados en la sensibilidad climática más extrema, pero sus proyecciones más recientes aún son alarmantes, y aún siguen en constante evolución.

"Nos encontramos ante una situación en la que los modelos están arrojando resultados extraños", afirma Gavin Schmidt

A la hora de elaborar estrategias para limitar las emisiones de gases de efecto invernadero, los líderes políticos mundiales dependen en gran medida de las predicciones de los modelos informáticos del clima. Pero, a medida que sus algoritmos, y los ordenadores que los ejecutan, se vuelven cada vez más poderosos, capaces de procesar cantidades de datos mucho mayores y ejecutar mejores simulaciones, esa misma complejidad hace que los científicos expertos en el clima tengan que lidiar con desajustes entre modelos informáticos que compiten entre sí.

Los modelos climáticos, una herramienta fundamental para calcular cómo sobrevivir en un mundo con temperaturas cada vez más elevadas, se han topado con un muro. Se enfrentan a la complejidad de la física que conlleva el tema, los límites de la computación científica, la incertidumbre acerca de los matices del comportamiento climático y el reto de seguir el ritmo a los niveles cada vez más elevados de dióxido de carbono, metano y otros gases de efecto invernadero. A pesar de las considerables mejoras que se han implementado, los modelos climáticos aún son demasiado poco precisos para interpretarlos al pie de la letra, por lo que realizar predicciones del cambio climático aún conlleva la toma de una serie de decisiones.

"Nos encontramos ante una situación en la que los modelos están arrojando resultados extraños", afirma Gavin Schmidt, director del Instituto Goddard de Estudios Espaciales de la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio de EEUU (NASA), que se sitúa a la vanguardia del modelado climático. "Es un enigma".

Herramientas políticas

El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático de las Naciones Unidas (UNIPCC) coteja los datos climáticos más recientes, extraídos de miles de artículos científicos y de docenas de modelos climáticos, incluido el modelo CESM2, para establecer un criterio internacional para la evaluación de los impactos del cambio climático. Así, proporciona a los responsables políticos de 195 países el consenso científico más reciente relacionado con el calentamiento global. Su próximo gran informe consultivo, que servirá de base para las negociaciones internacionales, se espera para finales de este año.

Foto: Un grupo de activistas representa la orquesta del Titanic (Marta Montojo)

Para los expertos en modelos climáticos, la diferencia en las proyecciones equivale a unos pocos grados de cambio de la temperatura media en respuesta a los niveles de dióxido de carbono añadidos a la atmósfera en los próximos años. Unos pocos grados serán más que suficientes, según la mayoría de los científicos, para que empeoren las tormentas, se intensifiquen las lluvias, aumente el nivel del mar y se produzcan más olas de calor extremas, sequías y otras consecuencias relacionadas con la temperatura, como la pérdida de cosechas y la propagación de enfermedades infecciosas.

Los modelos climáticos ponen al planeta en un tubo de ensayo digital. Cuando los líderes mundiales se reunieron en 1992 en Río de Janeiro para negociar el primer tratado global sobre el clima, solo había cuatro modelos rudimentarios que podían generar proyecciones sobre el calentamiento global para los negociadores del tratado.

En noviembre de 2021, cuando los líderes mundiales se reunieron en Glasgow para negociar límites para las emisiones de gases de efecto invernadero con arreglo al Acuerdo de París de 2015, ya había 49 grupos de investigación diferentes que producían más de 100 modelos climáticos importantes, lo que refleja un aumento del número de personas en este campo. Durante la cumbre, los expertos de la ONU presentaron proyecciones de modelos climáticos sobre futuros escenarios de calentamiento global, incluyendo datos del modelo CESM2.

"Hemos convertido estos modelos en una herramienta para demostrar lo que podría pasarle al planeta", explica Gerald Meehl, investigador principal del Mesa Laboratory del NCAR. "Los responsables políticos no tienen otra forma de obtener esta información".

El pasado mes de octubre, la Real Academia de las Ciencias de Suecia otorgó el Premio Nobel de Física a científicos cuyo trabajo asentó las bases sobre las que se han construido las simulaciones por ordenador del cambio climático.

placeholder Superordenadores. (EFE)
Superordenadores. (EFE)

Los escépticos se han burlado de los modelos climáticos durante décadas, argumentando que exageran los peligros del dióxido de carbono. Sin embargo, cada vez hay más estudios que demuestran que muchos de estos modelos han sido increíblemente precisos. En un estudio reciente, llevado a cabo por científicos de la NASA, el Instituto Breakthrough de Berkeley (California) y el Instituto Tecnológico de Massachusetts, se evaluaron 17 modelos utilizados entre 1970 y 2007 y se descubrió que la mayoría de los cambios climáticos previstos "apenas se diferenciaban de lo que realmente ha ocurrido".

Según Zeke Hausfather, investigador especializado en el clima del Breakthrough Institute, un grupo de investigación medioambiental, que lideró el estudio, "el hecho de que estos primeros modelos hayan sido capaces de predecir el futuro debería darnos confianza".

No obstante, los modelos siguen siendo susceptibles a fallos técnicos y se ven limitados por una comprensión incompleta de las variables que controlan la respuesta de nuestro planeta a los gases de efecto invernadero. Aún quedan preguntas climáticas sin responder acerca de las sutiles interacciones de la tierra, los mares y la atmósfera. Los océanos podrían estar calentándose a una velocidad mayor de la que predecían los modelos anteriores. El efecto del polvo, el hollín, la arena y los aerosoles que hay en el aire aún es difícil de determinar.

El año pasado, el grupo de expertos de las naciones Unidas optó por primera vez por restar importancia a las predicciones más extremas.

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Antes de hacer nuevas predicciones sobre el clima para los responsables políticos, un grupo independiente de científicos utilizó una técnica llamada 'hind-casting' (voz compuesta del inglés 'hind', posterior, y 'forecasting', predecir), para determinar la exactitud con la que los modelos reproducían cambios ocurridos durante el siglo XX y anteriores. Solo se consideraron aceptables los modelos que reproducían con precisión el comportamiento del clima en el pasado.

Durante este proceso, los científicos del consorcio NCAR comprobaron si los modelos avanzados podían reproducir el clima durante la última Edad de Hielo, hace 21.000 años, cuando los niveles de dióxido de carbono y las temperaturas eran mucho más bajos que los actuales. El CESM2, y otros modelos nuevos, proyectaron temperaturas mucho más frías de lo que indicaban las pruebas geológicas. Los científicos de la Universidad de Michigan compararon los nuevos modelos con el clima de hace 50 millones de años, cuando los niveles de gases de efecto invernadero y las temperaturas eran mucho más altos que los actuales. Los nuevos modelos proyectaron temperaturas más altas de lo que sugerían las pruebas.

Aunque eran precisos en casi todos los demás factores climáticos, los nuevos modelos parecían demasiado sensibles a los cambios en los niveles de dióxido de carbono y, durante los últimos años, los científicos han estado ajustándolos meticulosamente para reducir las incertidumbres.

Computando nubes

También está el problema de las nubes.

Las nubes constituyen uno de los mayores retos para los científicos que perfeccionan los modelos climáticos, debido a que son capaces de reflejar la radiación solar hacia el espacio, a la par que de atrapar el calor de la superficie de la Tierra.

placeholder Delegados en la COP26. (Reuters)
Delegados en la COP26. (Reuters)

Las nubes cubren más de dos tercios del planeta en todo momento. Su impacto en el clima depende de lo reflectantes que sean, de su altura y de si es de día o de noche. Pueden acelerar el calentamiento o enfriarlo. Actúan a una escala tan amplia como el océano y tan pequeña como la anchura de un pelo. Su comportamiento puede verse afectado, según los estudios, por factores que van desde los rayos cósmicos hasta los microbios del océano, que emiten partículas de azufre que se convierten en los núcleos de las gotas de agua o los cristales de hielo.

"Si no se entienden bien las nubes, todo se desajusta", afirma Tapio Schneider, científico atmosférico del Instituto Tecnológico de California y de la Climate Modelling Alliance (alianza de modelos del clima), que está desarrollando un modelo experimental. "Las nubes son cruciales a la hora de regular el equilibrio energético de la Tierra".

Los modelos más antiguos, que se basan en métodos más sencillos para modelar los efectos de las nubes, afirmaron durante décadas que duplicar el dióxido de carbono de la atmósfera sobre los niveles preindustriales calentaría el mundo entre 1,5 y 4,5 grados centígrados (entre 2,7 y ocho grados Fahrenheit).

Los nuevos modelos tienen en cuenta la física de las nubes con más detalle. El CESM2 predijo que una duplicación del dióxido de carbono causaría un calentamiento de 5,3 grados centígrados (9,5 grados Fahrenheit), casi un tercio más que la versión anterior de su modelo, según indicaron los científicos del consorcio.

En una evaluación independiente de 39 modelos climáticos globales realizada el año pasado, los científicos descubrieron que 13 de los nuevos modelos producían estimaciones notablemente más altas de las temperaturas globales causadas por el aumento de los niveles atmosféricos de dióxido de carbono que los modelos informáticos más antiguos; a los que los científicos denominaron 'wolfpack' (manada de lobos). Si se comparan con las pruebas históricas de los cambios de temperatura, esas estimaciones se consideraron poco realistas.

El calentamiento global podría seguir siendo lo suficientemente alto como para desafiar los objetivos establecidos

Según un estudio de los científicos del NCAR publicado en enero de 2021, al añadir ecuaciones mucho más detalladas para simular las nubes, los científicos podrían haber introducido pequeños errores que harían que sus modelos fueran menos precisos que con las suposiciones más generales sobre las nubes de los modelos más antiguos.

Teniendo en cuenta estas incertidumbres, el pasado mes de agosto, el grupo de expertos en cambio climático de la ONU redujo su estimación de la sensibilidad climática a un rango de entre 2,5 y 4 grados centígrados (de 4,5 a 7,2 grados Fahrenheit) en su informe más reciente para los responsables políticos. Esto sugiere que el calentamiento global podría seguir siendo lo suficientemente alto como para desafiar los objetivos establecidos por el acuerdo climático de París de 2015, según indicaron los científicos del panel.

El Dr. Gettelman, que ayudó a desarrollar el CESM2, y sus colegas, añadieron en su actualización inicial mejores formas de modelar los casquetes polares y el ciclo del carbono y el nitrógeno en el medio ambiente. Para hacer más realista el océano, añadieron olas impulsadas por el viento. Afinaron la física de sus algoritmos e hicieron más eficiente su antiguo código Fortran.

Es difícil saber en qué punto la complejidad de las nubes había afectado sus esfuerzos, explicó el Dr. Danabasoglu. "Con tantas líneas de código y tanta física, pueden pasar cosas así", prosiguió. "Emocionalmente, hemos invertido mucho en conseguir el mejor modelo posible".

Para cada proyección, el ordenador debe calcular 4,6 millones de puntos de datos cada 30 minutos

Incluso la prueba de diagnóstico más sencilla es un reto. El modelo divide la Tierra en una cuadrícula virtual de 64.800 cubos, cada uno de 100 kilómetros de lado, apilados en 72 capas. Para cada proyección, el ordenador debe calcular 4,6 millones de puntos de datos cada 30 minutos. Para probar una actualización o corrección, los investigadores suelen dejar que el modelo funcione durante 300 años de tiempo simulado en el ordenador.

En su análisis inicial, los científicos descubrieron un fallo en la forma en que el CESM2 modelaba la forma en que la humedad interactúa con el hollín, el polvo o las partículas de la bruma marina, que permiten que el vapor de agua se condense en gotas de nubes. Explicaron que un equipo de 10 expertos en climatología tardó casi cinco meses en descubrir un fallo en los datos y corregirlo.

A través de experimentos sobre el terreno, descubrieron que las nubes brillantes a poca altura sobre la costa de la Antártida no eran ni cristales de hielo ni gotas, como suponían los modelos, sino un líquido sobreenfriado que afectaba a la forma en que las nubes enfriaban la superficie.

Desde que lanzaron el 'software' de código abierto en 2018, los científicos del NCAR han actualizado el modelo CESM2 cinco veces, y hay más mejoras en desarrollo. "Todavía estamos ahondando en el tema", informó Jean-François Lamarque, director del laboratorio de clima y dinámica global del NCAR, que fue el anterior científico jefe del proyecto. "Nos va a llevar bastantes años".

Foto: El sector de la nieve afronta grandes cambios (Jose Luis Gallego)

Por otra parte, según un análisis de datos de satélite realizado por científicos del Instituto Scripps de Oceanografía de San Diego, las nubes están cambiando en respuesta al aumento de las temperaturas globales, de manera que pueden agravar el calentamiento, tal y como preveían los antiguos modelos climáticos. Según los científicos, desde la década de 1980, las nubes en torno a los polos han aumentado, mientras que en las latitudes medias han disminuido. Las nubes de tormenta también se han hecho más altas.

A medida que ha aumentado la temperatura de los océanos en los últimos años, se han formado menos nubes brillantes y reflectantes de baja altura sobre amplias zonas de mar abierto, según un nuevo estudio publicado en septiembre por investigadores del Observatorio Solar Big Bear, en California, y la Universidad de Nueva York. Esto significa que una mayor parte del calor del sol queda atrapada en la atmósfera, donde aumenta la temperatura, un proceso que parece estar acelerándose, según los investigadores.

Superordenadores bajo presión

A los científicos del NCAR en Boulder les gustaría profundizar en el comportamiento de las nubes, las capas de hielo y los aerosoles, pero ya tienen al límite a su superordenador Cheyenne, de cinco años de antigüedad, según los responsables del centro. Un modelo climático capaz de captar los sutiles efectos de los sistemas de nubes individuales, las tormentas, los incendios forestales regionales y las corrientes oceánicas a una escala más detallada requeriría una potencia informática mil veces mayor, afirmaron.

"Existe un equilibrio entre la inclusión de toda la complejidad que conocemos y la capacidad de ejecutar el modelo durante cientos de años varias veces", matiza Andrew Wood, un científico del NCAR que trabaja en el modelo CESM2. "Cuanto más complejo es un modelo, más lento se ejecuta".

"Los modelos informáticos que contienen otros a gran y pequeña escala permiten experimentos que no se pueden hacer en el mundo real"

Los investigadores se enfrentan a una presión mayor para realizar previsiones locales fiables de los futuros cambios climáticos, de modo que los gestores municipales y los planificadores regionales puedan proteger a las localidades más pobladas cuando se produzcan inundaciones, sequías o incendios forestales más extremos. Esto significa que la próxima generación de modelos climáticos debe conectar el aumento de las temperaturas a escala mundial con las condiciones cambiantes de los bosques, las cuencas hidrográficas, los pastizales o las zonas agrícolas locales, explica Jacquelyn Shuman, ecóloga forestal del NCAR que investiga cómo realizar modelos del impacto del cambio climático en los incendios forestales regionales.

"Los modelos informáticos que contienen modelos a gran y pequeña escala permiten hacer experimentos que no se pueden hacer en el mundo real", informa. "Se puede aumentar la temperatura, reducir las precipitaciones o cambiar por completo la cantidad de incendios o rayos que haya en una zona, lo que permite diagnosticar cómo funciona todo. Ese es el siguiente paso. Desde el punto de vista computacional, sería muy costoso".

Los científicos del NCAR están instalando un nuevo superordenador, de 40 millones de dólares, al que han llamado Derecho. Ha sido construido por Hewlett Packard Enterprise y diseñado para realizar cálculos sobre el cambio climático a una velocidad tres veces superior a la de su ordenador actual. Una vez que entre en funcionamiento este año, se espera que se sitúe entre los 25 superordenadores más rápidos del mundo, según los responsables del NCAR.

El Departamento de Energía de Estados Unidos está desarrollando un superordenador para la investigación del clima y otras aplicaciones que, según el departamento, es diez veces más rápido que su máquina más potente, capaz de realizar un trillón de cálculos por segundo. Otros grupos están aprovechando la inteligencia artificial y el aprendizaje automático para captar mejor la microfísica de las nubes.

"Creo que los modelos climáticos son la mejor herramienta que tenemos para entender el futuro, aunque están lejos de ser perfectos", declaró el Dr. Gettelman. "No me preocupa que los nuevos modelos puedan estar equivocados. Lo que me asusta es que puedan estar en lo cierto”.

*Contenido con licencia de 'The Wall Street Journal'.

Durante casi cinco años, un consorcio internacional de científicos se ha dedicado a perseguir nubes por el cielo, con el fin de resolver un problema que ha supuesto un obstáculo para toda una generación de predicciones meteorológicas: ¿cómo afectan estas volutas de vapor de agua al calentamiento global?

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