El calentamiento global engendra más calentamiento, según un nuevo estudio del MIT

Los investigadores observan un ‘sesgo de calor’ durante los últimos 66 millones de años que puede regresar si desaparecen las capas de hielo

El calentamiento global engendra más, calentamiento extremo, encuentra un nuevo estudio del paleoclima. Los investigadores observan un ‘sesgo de calentamiento’ durante los últimos 66 millones de años que puede regresar si desaparecen las capas de hielo

Es cada vez más claro que las condiciones de sequía prolongada, el calor sin precedentes, los incendios forestales sostenidos y las tormentas frecuentes y más extremas experimentadas en los últimos años son el resultado directo del aumento de las temperaturas globales provocado por la adición de dióxido de carbono a la atmósfera por parte de los humanos. Y un nuevo estudio del MIT sobre eventos climáticos extremos en la historia antigua de la Tierra sugiere que el planeta actual puede volverse más volátil a medida que continúa calentándose.

El estudio, que aparece hoy en Science Advances, examina el registro paleoclimático de los últimos 66 millones de años, durante la era Cenozoica, que comenzó poco después de la extinción de los dinosaurios. Los científicos encontraron que durante este período, las fluctuaciones en el clima de la Tierra experimentaron un sorprendente “sesgo de calentamiento”. En otras palabras, hubo muchos más eventos de calentamiento (períodos de calentamiento global prolongado, que duraron de miles a decenas de miles de años) que eventos de enfriamiento. Además, los eventos de calentamiento tendían a ser más extremos, con mayores cambios de temperatura, que los eventos de enfriamiento.

Los investigadores dicen que una posible explicación de este sesgo de calentamiento puede residir en un “efecto multiplicador”, por el cual un grado modesto de calentamiento, por ejemplo, debido a que los volcanes liberan dióxido de carbono a la atmósfera, acelera naturalmente ciertos procesos biológicos y químicos que mejoran estos fluctuaciones, que conducen, en promedio, a un calentamiento aún mayor.

Curiosamente, el equipo observó que este sesgo de calentamiento desapareció hace unos 5 millones de años, cuando comenzaron a formarse las capas de hielo en el hemisferio norte. No está claro qué efecto ha tenido el hielo en la respuesta de la Tierra a los cambios climáticos. Pero a medida que el hielo ártico actual retrocede, el nuevo estudio sugiere que un efecto multiplicador puede reaparecer y el resultado puede ser una mayor amplificación del calentamiento global inducido por el hombre.

“Las capas de hielo del hemisferio norte se están reduciendo y podrían desaparecer como consecuencia a largo plazo de las acciones humanas”, dice el autor principal del estudio, Constantin Arnscheidt, estudiante graduado del Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias del MIT. “Nuestra investigación sugiere que esto puede hacer que el clima de la Tierra sea fundamentalmente más susceptible a eventos extremos de calentamiento global a largo plazo, como los observados en el pasado geológico”. El coautor del estudio de Arnscheidt es Daniel Rothman, profesor de geofísica en el MIT y cofundador y codirector del Centro Lorenz del MIT.

Un empujón volátil

Para su análisis, el equipo consultó grandes bases de datos de sedimentos que contienen foraminíferos bentónicos de aguas profundas, organismos unicelulares que han existido durante cientos de millones de años y cuyas cáscaras duras se conservan en los sedimentos. La composición de estas conchas se ve afectada por las temperaturas del océano a medida que crecen los organismos; por lo tanto, las conchas se consideran un proxy confiable de las antiguas temperaturas de la Tierra. Durante décadas, los científicos han analizado la composición de estas conchas, recolectadas de todo el mundo y fechadas en varios períodos de tiempo, para rastrear cómo la temperatura de la Tierra ha fluctuado durante millones de años.

“Cuando se utilizan estos datos para estudiar los eventos climáticos extremos, la mayoría de los estudios se han centrado en grandes picos individuales de temperatura, típicamente de unos pocos grados Celsius de calentamiento”, dice Arnscheidt. “En cambio, tratamos de mirar las estadísticas generales y considerar todas las fluctuaciones involucradas, en lugar de seleccionar las grandes”.

El equipo primero llevó a cabo un análisis estadístico de los datos y observó que, durante los últimos 66 millones de años, la distribución de las fluctuaciones de la temperatura global no se parecía a una curva de campana estándar, con colas simétricas que representan una probabilidad igual de calor extremo y frío extremo. En cambio, la curva estaba notablemente torcida, sesgada hacia eventos más cálidos que fríos. La curva también exhibió una cola notablemente más larga, lo que representa eventos cálidos que fueron más extremos, o de mayor temperatura, que los eventos fríos más extremos.

“Esto indica que hay algún tipo de amplificación en relación con lo que de otro modo hubiera esperado”, dice Arnscheidt. “Todo apunta a algo fundamental que está causando este impulso o sesgo hacia eventos de calentamiento. Es justo decir que el sistema de la Tierra se vuelve más volátil, en un sentido de calentamiento”.

Un multiplicador de calentamiento

El equipo se preguntó si este sesgo de calentamiento podría haber sido el resultado de un “ruido multiplicativo” en el ciclo clima-carbono. Los científicos han entendido desde hace mucho tiempo que las temperaturas más altas, hasta cierto punto, tienden a acelerar los procesos biológicos y químicos. Debido a que el ciclo del carbono, que es un impulsor clave de las fluctuaciones climáticas a largo plazo, está compuesto en sí mismo por tales procesos, los aumentos de temperatura pueden conducir a fluctuaciones más grandes, sesgando el sistema hacia eventos extremos de calentamiento.

En matemáticas, existe un conjunto de ecuaciones que describen tales efectos amplificadores o multiplicativos generales. Los investigadores aplicaron esta teoría multiplicativa a su análisis para ver si las ecuaciones podían predecir la distribución asimétrica, incluido el grado de sesgo y la longitud de sus colas.

Al final, encontraron que los datos y el sesgo observado hacia el calentamiento podrían explicarse mediante la teoría multiplicativa. En otras palabras, es muy probable que, durante los últimos 66 millones de años, los períodos de calentamiento moderado se hayan visto reforzados en promedio por efectos multiplicadores, como la respuesta de los procesos biológicos y químicos que calentaron aún más el planeta.

Como parte del estudio, los investigadores también analizaron la correlación entre los eventos de calentamiento pasados y los cambios en la órbita de la Tierra. Durante cientos de miles de años, la órbita de la Tierra alrededor del Sol se vuelve regularmente más o menos elíptica. Pero los científicos se han preguntado por qué muchos eventos de calentamiento pasados parecían coincidir con estos cambios, y por qué estos eventos presentan un calentamiento descomunal en comparación con lo que podría haber provocado el cambio en la órbita de la Tierra por sí solo.

Entonces, Arnscheidt y Rothman incorporaron los cambios orbitales de la Tierra en el modelo multiplicativo y su análisis de los cambios de temperatura de la Tierra, y encontraron que los efectos multiplicadores podrían amplificar de manera predecible, en promedio, los modestos aumentos de temperatura debido a cambios en la órbita de la Tierra.

“El clima se calienta y se enfría en sincronía con los cambios orbitales, pero los ciclos orbitales en sí mismos solo predecirían cambios modestos en el clima”, completa Rothman. “Pero si consideramos un modelo multiplicativo, entonces un calentamiento modesto, junto con este efecto multiplicador, puede resultar en eventos extremos que tienden a ocurrir al mismo tiempo que estos cambios orbitales”. “Los humanos están forzando el sistema de una nueva manera”, agrega Arnscheidt. “Y este estudio muestra que, cuando aumentamos la temperatura, es probable que interactuemos con estos efectos amplificadores naturales”.

Global warming begets more warming, new paleoclimate study finds

Researchers observe a “warming bias” over the past 66 million years that may return if ice sheets disappear.

It is increasingly clear that the prolonged drought conditions, record-breaking heat, sustained wildfires, and frequent, more extreme storms experienced in recent years are a direct result of rising global temperatures brought on by humans’ addition of carbon dioxide to the atmosphere. And a new MIT study on extreme climate events in Earth’s ancient history suggests that today’s planet may become more volatile as it continues to warm.

The study, appearing today in Science Advances, examines the paleoclimate record of the last 66 million years, during the Cenozoic era, which began shortly after the extinction of the dinosaurs. The scientists found that during this period, fluctuations in the Earth’s climate experienced a surprising “warming bias.” In other words, there were far more warming events — periods of prolonged global warming, lasting thousands to tens of thousands of years — than cooling events. What’s more, warming events tended to be more extreme, with greater shifts in temperature, than cooling events.

The researchers say a possible explanation for this warming bias may lie in a “multiplier effect,” whereby a modest degree of warming — for instance from volcanoes releasing carbon dioxide into the atmosphere — naturally speeds up certain biological and chemical processes that enhance these fluctuations, leading, on average, to still more warming.

Interestingly, the team observed that this warming bias disappeared about 5 million years ago, around the time when ice sheets started forming in the Northern Hemisphere. It’s unclear what effect the ice has had on the Earth’s response to climate shifts. But as today’s Arctic ice recedes, the new study suggests that a multiplier effect may kick back in, and the result may be a further amplification of human-induced global warming.

“The Northern Hemisphere’s ice sheets are shrinking, and could potentially disappear as a long-term consequence of human actions” says the study’s lead author Constantin Arnscheidt, a graduate student in MIT’s Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences. “Our research suggests that this may make the Earth’s climate fundamentally more susceptible to extreme, long-term global warming events such as those seen in the geologic past.”

Arnscheidt’s study co-author is Daniel Rothman, professor of geophysics at MIT, and co-founder and co-director of MIT’s Lorenz Center.

A volatile push

For their analysis, the team consulted large databases of sediments containing deep-sea benthic foraminifera — single-celled organisms that have been around for hundreds of millions of years and whose hard shells are preserved in sediments. The composition of these shells is affected by the ocean temperatures as organisms are growing; the shells are therefore considered a reliable proxy for the Earth’s ancient temperatures.

For decades, scientists have analyzed the composition of these shells, collected from all over the world and dated to various time periods, to track how the Earth’s temperature has fluctuated over millions of years.

“When using these data to study extreme climate events, most studies have focused on individual large spikes in temperature, typically of a few degrees Celsius warming,” Arnscheidt says. “Instead, we tried to look at the overall statistics and consider all the fluctuations involved, rather than picking out the big ones.”

The team first carried out a statistical analysis of the data and observed that, over the last 66 million years, the distribution of global temperature fluctuations didn’t resemble a standard bell curve, with symmetric tails representing an equal probability of extreme warm and extreme cool fluctuations. Instead, the curve was noticeably lopsided, skewed toward more warm than cool events. The curve also exhibited a noticeably longer tail, representing warm events that were more extreme, or of higher temperature, than the most extreme cold events.

“This indicates there’s some sort of amplification relative to what you would otherwise have expected,” Arnscheidt says. “Everything’s pointing to something fundamental that’s causing this push, or bias toward warming events.”

“It’s fair to say that the Earth system becomes more volatile, in a warming sense,” Rothman adds.

A warming multiplier

The team wondered whether this warming bias might have been a result of “multiplicative noise” in the climate-carbon cycle. Scientists have long understood that higher temperatures, up to a point, tend to speed up biological and chemical processes. Because the carbon cycle, which is a key driver of long-term climate fluctuations, is itself composed of such processes, increases in temperature may lead to larger fluctuations, biasing the system towards extreme warming events.

In mathematics, there exists a set of equations that describes such general amplifying, or multiplicative effects. The researchers applied this multiplicative theory to their analysis to see whether the equations could predict the asymmetrical distribution, including the degree of its skew and the length of its tails.

In the end, they found that the data, and the observed bias toward warming, could be explained by the multiplicative theory. In other words, it’s very likely that, over the last 66 million years, periods of modest warming were on average further enhanced by multiplier effects, such as the response of biological and chemical processes that further warmed the planet.

As part of the study, the researchers also looked at the correlation between past warming events and changes in Earth’s orbit. Over hundreds of thousands of years, Earth’s orbit around the sun regularly becomes more or less elliptical. But scientists have wondered why many past warming events appeared to coincide with these changes, and why these events feature outsized warming compared with what the change in Earth’s orbit could have wrought on its own.

So, Arnscheidt and Rothman incorporated the Earth’s orbital changes into the multiplicative model and their analysis of Earth’s temperature changes, and found that multiplier effects could predictably amplify, on average, the modest temperature rises due to changes in Earth’s orbit.

“Climate warms and cools in synchrony with orbital changes, but the orbital cycles themselves would predict only modest changes in climate,” Rothman says. “But if we consider a multiplicative model, then modest warming, paired with this multiplier effect, can result in extreme events that tend to occur at the same time as these orbital changes.”

“Humans are forcing the system in a new way,” Arnscheidt adds. “And this study is showing that, when we increase temperature, we’re likely going to interact with these natural, amplifying effects.”
This research was supported, in part, by MIT’s School of Science.
Jennifer Chu | MIT News Office