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Incendios forestales australianos de 2019-2020 causaron un calentamiento estratosférico persistente

11/12/2024
incendios forestales australianos de 2019-2020 portada

Este artículo científico demuestra que los incendios forestales australianos de 2019-2020 inyectaron 0.9Tg aprox. de humo en la estratosfera que contenía un 2,5% de carbono negro, la cual es la mayor cantidad de humo observada en la era satelital, lo cual aumentó 1-2K la temperatura de la estratosfera durante más de 6 meses y produjo una disminución del ozono.

Presentación

 Persistent Stratospheric Warming Due to 2019–2020 Australian Wildfire Smoke” (“Calentamiento estratosférico persistente debido al humo de los incendios forestales australianos de 2019-2020”) es un artículo científico elaborado por Yu, P., Davis, S., Toon, O., Portmann, R., Bardeen, Ch., Barnes, J. Telg, H., Maloney, Ch., y Rosenlof, K., y publicado en Marzo de 2021 en la revista Geophysical Research Letters, en el que se demuestra con datos científicos cómo los incendios forestales australianos de 2019-2020 causaron una gran cantidad de humo con carbono negro que provocó el aumento de la temperatura estratosférica y la disminución de ozono durante 6 meses.

Los incendios forestales australianos que ardieron entre diciembre de 2019 y enero de 2020 (los más devastadores de la historia de Australia), inyectaron aproximadamente 0,9Tg de humo en la estratosfera, la cual es la mayor cantidad observada en la era satelital, debido a la absorción de energía solar.

Las partículas de humo de los incendios forestales están compuestas principalmente de carbono orgánico (OC) y carbono negro (BC). El OC es en gran medida no absorbente en longitudes de onda del medio visible, mientras que el BC es un fuerte absorbente de luz visible. Cuando el BC absorbe la luz solar, calienta el aire circundante y eleva la parcela de aire calentado. Por lo general, el BC representa alrededor del 2% del humo del bosque boreal, el 3% del del bosque templado y hasta el 8% del humo de los incendios de sabanas y pastizales. Una comparación de simulaciones numéricas con observaciones satelitales del ascenso de la columna, sugiere que la masa de humo de los incendios forestales australianos de 2019-2020 contenía un 2,5 % de carbono negro.

Asimismo, las simulaciones sugieren que el humo permaneció en la estratosfera durante todo el año 2020 y que calentó la estratosfera de manera mensurable en aproximadamente 1-2 K durante más de 6 meses en latitudes medias del hemisferio sur. De hecho, las partículas de humo fueron detectadas en toda la estratosfera del hemisferio sur después de unos meses por los instrumentos espaciales SAGE III/ISS y OMPS.

Por otro lado, las partículas de humo estratosférico y troposférico perturban significativamente el equilibrio radiativo de la Tierra (el que se da entre los flujos de energía entrante y saliente) a través de la dispersión de onda corta y la absorción de onda larga. Se estima que el forzamiento radiativo efectivo promedio global en cielo despejado en la parte superior de la atmósfera en 2020 fue de −0,03 W m−2, con un valor de superficie de −0,32 W m−2. Suponiendo que las partículas de humo se recubren con ácido sulfúrico en la estratosfera y tienen tasas de reacción heterogéneas similares a las del aerosol de sulfato, se estimó una disminución química inducida por el humo en el ozono total de la columna de 10 a 20 unidades Dobson, de agosto a diciembre en latitudes medias y altas del sur.

humo incendios forestales australianos de 2019-2020

Así pues, en este estudio se demuestra que la cantidad de carbono negro emitido durante los incendios forestales australianos de 2019-2020 perturbó las temperaturas estratosféricas y el equilibrio radiativo a escala hemisférica, así como también afectó a la carga de ozono en latitudes altas, que tuvo pérdidas casi récord en octubre de 2020.

Métodos empleados

Para estudiar el transporte, la microfísica, la química y los impactos climáticos del humo de los incendios australianos de 2019-2020, los científicos utilizaron un modelo de aerosol seccional informático, el Community Aerosol and Radiation Model for Atmospheres (CARMA), acoplado con el Community Earth System Model (CESM-CARMA), el cual tiene 56 capas verticales desde la superficie hasta 45km, con una resolución vertical de aproximadamente 1km en la troposfera superior y la estratosfera inferior.

En el modelo, inyectaron humo en la troposfera superior a 12km dentro de una caja de cuadrícula sobre el sudeste de Australia cerca de (39°S, 150°E), y asumieron que la fracción de masa de carbono negro inyectada era del 2,5%. Para probar la sensibilidad a la fracción de BC, realizaron experimentos adicionales con valores de fracción de BC de 0% y 5%. Inyectaron el humo a una velocidad constante de 10 a.m. a 3 p.m. (hora local) en 4 días individuales (del 29 al 31 de diciembre de 2019 y el 4 de enero de 2020), correspondientes a las fechas en las que se observó que los pirocumulonimbos alcanzaban la estratosfera.

Pusieron en marcha su modelo en modo dinámica especificada durante 6 meses hasta el 29 de diciembre de 2019, mediante el análisis del Sistema de Observación de la Tierra Goddard versión 5 (GEOS-5) de la NASA. A partir del 29 de diciembre, ejecutaron dos conjuntos del modelo libremente durante 1 año (utilizando meteorología generada por el modelo). Y usando esta configuración del modelo, también ejecutaron nueve pares de miembros del conjunto perturbando la condición inicial al comienzo de la parte de ejecución libre de la simulación nominal, es decir, la cantidad de humo y la fracción de BC. Cabe indicar que como tal, el modelo no captura el vórtice polar del hemisferio norte que batió récords en 2020, ni tampoco la disrupción de QBO que ocurrió en febrero de 2020.

mapa Geos-5 de la NASA

Resultados de los análisis de los incendios forestales australianos de 2019-2020

A continuación, se muestran y explican los resultados obtenidos en dichos modelos.

Ascenso y evolución de la columna de humo

Se observó que la columna de humo de los incendios forestales australianos de 2019-2020 se elevaba por encima de los 20 km en el primer mes.

Como se muestra en la Figura 1 inferior, el coeficiente de extinción de aerosol estratosférico de fondo simulado en longitudes de onda del espectro visible medio está entre 1 × 10-4 y 3 × 10-4 /Km, desde los 18 a los 24 km sin el humo. El aerosol de fondo está compuesto principalmente de sulfato puro proveniente de la oxidación de sulfuro de carbonilo y partículas de sulfato orgánico mixtas de origen troposférico. El modelo SAGE III/ISS muestra que los coeficientes de extinción de aerosoles en las latitudes medias del hemisferio sur (SH) se ven mejorados por un factor de 3 a 5 entre los 18 y los 24 km a principios de 2020. En las simulaciones que se muestran en la Figura 1, el escenario 3xPNE concuerda mejor con el modelo SAGE III/ISS. Además, el modelo sugiere que la masa de humo inyectada es lo suficientemente grande como para mejorar la relación de mezcla de aerosoles de la estratosfera inferior global por un factor de 1 a 3 para marzo de 2020.

Figura 1 estudio calentamiento persistente de incendios forestales australianos de 2019-2020

Como ya se dijo, el carbono negro absorbe la luz solar y el calentamiento eleva la columna de humo y las parcelas de aire circundantes. La cantidad de calentamiento y, por lo tanto, la velocidad de ascenso de la columna, está determinada por la cantidad de carbono negro dentro del humo. Sin embargo, la profundidad óptica total está dominada por la cantidad de carbono orgánico en la columna. Por lo tanto, utilizaron el tiempo de ascenso observado de la columna para limitar la cantidad de carbono negro en la columna, y la extinción observada aumentada para limitar la profundidad óptica total, como se muestra en las Figuras 1 y 2, donde la Figura 1 anterior muestra la sensibilidad de la extinción a diferentes cantidades de humo utilizando una fracción de BC del 2,5 %; mientras que en la Figura 2, los paneles muestran simulaciones con la misma masa total de humo inyectado (0,9Tg), pero con diferentes fracciones de masa de BC (0%, 2,5% y 5%), y donde se puede ver que los datos observados por el satélite OMPS-LP indican que la columna de humo se elevó de 16 a 22km entre el 13 de enero y principios de marzo y que las simulaciones con un 2,5% de carbono negro coinciden mejor con el ascenso observado de la columna (Figura 2b).

Figura 2 estudio calentamiento persistente de incendios forestales australianos de 2019-2020

A partir de esta simulación y con la referencia sin humo, calcularon la velocidad vertical residual media euleriana transformada para diagnosticar el movimiento vertical del aire inducido por el humo meridional. Estos cálculos indicaron un movimiento ascendente significativo promediado por zonas en las latitudes medias del hemisferio sur en enero, cuando el humo se mantuvo relativamente concentrado. En los meses posteriores, el ajuste de la temperatura estratosférica equilibró el calentamiento radiativo, y eso, combinado con la dilución de la columna, no dio como resultado ningún otro movimiento vertical significativo.

Propagación latitudinal del humo

Las observaciones satelitales OMPS-LP muestran que las partículas de humo se propagaron por toda la estratosfera del hemisferio sur en un lapso de dos meses. En la estratosfera inferior (<16 km), el transporte se realizó hacia los polos, alcanzando los 80°S en febrero de 2020. Las porciones del humo que se elevaron a mayor altura (hasta 25km) se desplazaron hacia el ecuador. Cuanto más alto llegaba el humo, mayor era su tiempo de residencia y mayor la mezcla en todo el hemisferio, debido a la cizalladura del viento y la dispersión.

Asimismo, las simulaciones sugieren que una pequeña cantidad de humo fue transportada a través del ecuador hasta el hemisferio norte (NH) a fines de enero de 2020.

Y por otro lado, las observaciones del Observatorio de Mauna Loa muestran que la relación de retrodispersión de aerosoles es un factor de 3 a 5 mayor que las simulaciones del modelo. La gran discrepancia probablemente se atribuya a las inyecciones volcánicas de Raikoke y Ulawun, que no fueron incluidas en los resultados del modelo de este estudio.

humo incendios forestales australianos de 2019-2020 visto desde el aire

Calentamiento estratosférico persistente

Para el análisis de temperatura observacional, utilizaron la colección de datos mensuales asimilados (ASM) del reanálisis Modern Era Retrospective Analysis for Research and Applications-2 (MERRA-2). La anomalía de temperatura residual de dicho reanálisis muestra un calentamiento estratosférico significativo a partir de enero de 2020 desde 50°S a 50°N. Se encontraron anomalías de temperatura residual promedio por zona de hasta 1K en más de la mitad del globo en la estratosfera inferior en enero de 2020, estando las más grandes de enero y febrero en la estratosfera inferior de latitud media, hemisferio sur y trópicos. El calentamiento de MERRA-2 decae significativamente en marzo y abril. Por ello, plantearon la hipótesis de que el calentamiento estratosférico en el hemisferio sur y los trópicos es una consecuencia del calentamiento diabático inducido por el humo.

Por otra parte, también usaron CESM-CARMA para diagnosticar la distribución espacio-temporal y la magnitud del calentamiento causado por los incendios forestales australianos de 2019-2020, lo cual dio resultados similares a las anomalías de temperatura residual de MERRA-2.

El calentamiento modelado persiste desde enero hasta septiembre de 2020, mientras que las señales de calentamiento en MERRA-2 decaen rápidamente en marzo. Sin embargo, la temperatura real (como lo indica MERRA-2) se verá afectada por factores no incluidos en las ejecuciones de modelos, como los aerosoles volcánicos y la variabilidad interna.

Como se muestra en la Figura 3a inferior, el humo en la simulación 3xPNE calienta la estratosfera de latitudes medias (60°S–20°S) entre 1 y 2K en febrero y marzo de 2020, lo que coincide con las señales de calentamiento en los datos del reanálisis MERRA-2. La simulación con 5xPNE, que incluye más material absorbente, duplica la anomalía de temperatura modelada y no coincide bien con las observaciones. Y el carbono negro limitado en la simulación 1xPNE, no produjo ningún calentamiento estratosférico estadísticamente robusto. Tampoco se encontró una respuesta de temperatura significativa para ningún escenario de emisión en la troposfera superior (300hPa) por debajo de donde se encuentra el humo (Figura 3e), lo cual contrasta con los casos de erupciones volcánicas (Agung, El Chichon y Pinatubo) que producen descensos de temperatura a 300hPa, mientras que calientan la estratosfera a 50hPa hasta en 1,5K.

Asimismo, el calentamiento estratosférico es más significativo en las latitudes medias del SH, donde el humo entró en la estratosfera. Las simulaciones predicen un calentamiento más débil, pero aún significativo, para latitudes medias y altas en el SH y los trópicos (Figuras 3b-3d). Además, el aumento de la cantidad de carbono negro conduce a un calentamiento estratosférico más fuerte.

Figura 3 estudio calentamiento persistente incendios forestales australianos de 2019-2020

Cabe indicar que el modelo produce un calentamiento más persistente que el indicado por el conjunto de datos de reanálisis MERRA-2 en la estratosfera inferior de las regiones supertropicales y tropicales. Si bien es posible que la retroalimentación radiativa-dinámica en el modelo pueda estar sobreestimando el calentamiento, vale la pena señalar que otras perturbaciones estratosféricas recientes probablemente hayan influido en las temperaturas estratosféricas, incluidos los volcanes Raikoke y Ulawun, sin mencionar otras fuentes de variabilidad interna de la estratosfera (por ejemplo, QBO, vórtice polar) que podría ocultar el calentamiento persistente de los incendios forestales australianos de 2019-2020.

Forzamiento radiativo efectivo

Las simulaciones con temperatura fija de la superficie del mar sugieren que el forzamiento radiativo efectivo (FRE) local máximo en cielo despejado del humo es de aproximadamente -5W/m2 en la parte superior de la atmósfera (TOA), y el de la superficie de aprox. -20W/ m2 en el este de Australia, en promedio, en los primeros 10 días desde el 29 de diciembre de 2019. En el año 2020, el FRE medio global simulado en cielo despejado es de -0,03W/ m-2 en la TOA y el forzamiento radiativo de la superficie es de -0,32W/ m2, en promedio.

En el caso del carbono negro estratosférico, el FRE es más relevante desde el punto de vista climático, ya que el rápido ajuste del calentamiento estratosférico provoca un gran forzamiento radiativo de onda larga que se opone al de onda corta de la absorción del carbono. Además, el forzamiento radiativo efectivo del carbono negro en la TOA depende de la altitud y, cuanto mayor sea el ascenso del humo, más forzamiento negativo se espera en la TOA. Así, se estima que el FRE en la TOA disminuya en 0,02 W/m2 con la altitud a la que se eleva el humo, de 20 a 30km.

fuego incendios forestales australianos de 2019-2020

Cambio en el ozono estratosférico en latitudes medias y altas

Khaykin et al. (2020) informaron de mínimos de ozono dentro de la columna de humo individual de los incendios forestales australianos de 2019-2020, los cuales desaparecieron cuando la columna de fuego dejó de elevarse. Sin embargo, además de esto, las simulaciones predicen anomalías negativas de ozono persistentes en latitudes medias y altas del SH de agosto a diciembre de 2020, lo cual se muestra en la siguiente Figura 4, tras realizar simulaciones de sensibilidad para investigar las causas de la pérdida de ozono debido al humo de los incendios forestales de 2019-2020.

Figura 4 del estudio de calentamiento persistente de los incnedios forestales autralianos de 2019-2020

Las partículas de ácido sulfúrico volcánico proporcionan superficies de reacción efectivas para reacciones químicas heterogéneas que agotan el ozono. No está claro si las partículas orgánicas envejecidas (que probablemente estén recubiertas o mezcladas con ácido sulfúrico en unos pocos meses en la estratosfera) proporcionan áreas superficiales tan efectivas para la química heterogénea como lo hace el aerosol de ácido sulfúrico. En la simulación de la Figura 4 asumieron que las partículas de humo proporcionan una tasa de reacción superficial igual a la de las partículas de ácido sulfúrico, como un límite superior para la estimación sobre el agotamiento del ozono inducido por la química del humo.

Como se muestra en la Figura 4a, la comparación entre simulaciones con y sin humo, muestra que el humo de los incendios causa anomalías negativas persistentes de ozono de 10 a 20 unidades Dobson (DU) en latitudes medias y altas del SH (40°S–90°S), y que la química heterogénea en las partículas de humo de los incendios forestales australianos de 2019-2020 causa anomalías negativas de ozono de 5 a 7 DU en la banda de latitud de 40°S–90°S (Figura 4b).

Por otra parte, también llevaron a cabo simulaciones de sensibilidad en las que los vientos y la temperatura están impulsados ​​por el análisis GEOS-5, en donde se predice un agotamiento similar del ozono al comparar simulaciones con la química heterogénea activada y desactivada.

El resto de las anomalías simuladas del ozono se deben al calentamiento y a los cambios dinámicos inducidos por el humo de los incendios. Este agotamiento inducido por el humo aumenta modestamente la profundidad del agujero de ozono en dichas simulaciones. Debido a que las partículas de humo simuladas permanecen principalmente en latitudes medias, las anomalías de ozono predichas son más grandes a lo largo del borde del vórtice que en el núcleo del vórtice. El tamaño simulado del agujero de ozono antártico (definido como el área con una columna total de ozono inferior a 220 DU) promediado del 7 de septiembre al 13 de octubre de 2020, es de aproximadamente 2,1 × 107 km2 con el humo de los incendios forestales australianos de 2019-2020, lo cual es aproximadamente un 12% más grande que en el caso sin humo. Esta simulación de aumento del área del agujero de ozono debido al humo, es coherente con el agujero de ozono observado en 2020, que fue el tercero más grande de la última década y un 18% más grande que el promedio de 2010-2019.

imagenes comparativas agujero capa de ozono 2019-2020

Conclusión sobre los efectos de los incendios forestales australianos de 2019-2020 en la Tierra

Del 29 de diciembre de 2019 al 4 de enero de 2020, los incendios forestales australianos inyectaron alrededor de 0,9Tg de humo en la estratosfera, la mayor inyección de humo estratosférico observada por satélite hasta la fecha.

Las observaciones satelitales muestran que el humo se extendió por todo el hemisferio sur (SH) y, a gran escala (no columnas individuales), ascendió a 22km en los primeros 3 meses. Al comparar el ascenso simulado de la columna con las observaciones, estimaron que las partículas de humo estaban compuestas por un 2,5% de carbono negro y un 97,5% de carbono orgánico u otros materiales en masa.

En las simulaciones de modelos, la estratosfera de latitudes medias en el hemisferio sur se calentó entre 1 y 2K durante 6 meses, debido al calentamiento diabático de las partículas de humo negro. También se encontró un calentamiento estratosférico similar en el conjunto de datos de reanálisis MERRA2 de enero a marzo, aunque el calentamiento modelado es más persistente que el del análisis MERRA2. El calentamiento simulado también se extiende a las latitudes medias del NH, lo que se debe al transporte descendente de aire en el NH en respuesta al calentamiento del humo. Sin embargo, el modelo no incluyó las erupciones volcánicas que ocurrieron en los trópicos y el NH en 2019 y que probablemente perturbaron la estratosfera en el NH.

Por otro lado, el modelo predice un forzamiento radiativo efectivo medio global en cielo despejado de −0,03W/m2 en la TOA y un forzamiento radiativo global en superficie de −0,32W/m2 en promedio en 2020. Cuando se tratan químicamente de la misma manera que el aerosol de sulfato, se predice que las partículas de humo de los incendios forestales australianos de 2019-2020 causarán una pérdida de ozono de aproximadamente 10 a 20 DU en las latitudes medias y altas del SH.

Finalmente, este estudio destaca que el humo de los incendios forestales de récord puede causar impactos persistentes en la dinámica y la química de la estratosfera.

Fuente de este artículo

Este artículo fue publicado originalmente en la revista Geophysiscal Research Letters bajo la referencia: Yu, P., Davis, S., Toon, O., Portmann, R., Bardeen, Ch., Barnes, J. Telg, H., Maloney, Ch., y Rosenlof, K. (2021) Persistent Stratospheric Warming Due to 2019–2020 Australian Wildfire Smoke. Geophysical Research Letters 48 (7): e2021GL092609 https://doi.org/10.1029/2021GL092609; estando disponible con acceso libre en AGU Advancing Earth and Space Science.

Incendios forestales australianos de 2019-2020 causaron un calentamiento estratosférico persistente
Nombre del artículo
Incendios forestales australianos de 2019-2020 causaron un calentamiento estratosférico persistente
Descripción
Este artículo científico demuestra que los incendios forestales australianos de 2019-2020 inyectaron 0.9Tg aprox. de humo en la estratosfera que contenía un 2,5% de carbono negro, la cual es la mayor cantidad de humo observada en la era satelital, lo cual aumentó 1-2K la temperatura de la estratosfera durante más de 6 meses y produjo una disminución del ozono.
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