LOS CLIMAS DE LOS PLANETAS
¿No es acaso la altura del humor silencioso lo que causa un cambio desconocido en el clima de la Tierra?
ROBERT GRAVES, the Meeting
SE CREE QUE, hace de 30 a 10 millones de años, las temperaturas de la Tierra disminuyeron lentamente, pero sólo unos pocos grados centígrados. Pero muchos animales y plantas tienen ciclos biológicos ajustados muy sensibles a la temperatura; grandes zonas forestales tuvieron que recular hacia latitudes más tropicales. El retroceso de las selvas modificó lentamente los hábitats de los pequeños animales peludos binoculares, que sólo pesaban unos pocos kilos y que pasaban su existencia saltando de rama en rama con la ayuda de sus brazos. Una vez desaparecidas las selvas, sólo quedaron aquellas criaturas peludas capaces de sobrevivir en las sabanas de matorrales. Unas decenas de millones de años más tarde, esos animales dejaron dos clases de descendientes: una en la que se incluyen los mandriles y otra de seres humanos. Es posible que debamos nuestra existencia a cambios climáticos que, por término medio, no sobrepasan los pocos grados. Esos cambios han provocado la aparición de algunas especies y la extinción de otras. El carácter de la vida en nuestro planeta ha quedado poderosamente marcado por esas variaciones y cada vez resulta más claro que el clima continúa modificándose en la actualidad.
Existen muchos indicadores de los cambios climáticos del pasado. Algunos métodos penetran en profundidad en el pasado, otros tienen sólo un campo de aplicación limitado. Los métodos también difieren por su fiabilidad. Uno de ellos, con validez de hasta un millón de años, se basa en el cociente de los isótopos de oxígeno 18 y oxígeno 16 en los carbonatos de las conchas de los foraminíferos fósiles. En esas conchas, que pertenecen a especies muy parecidas a las que podemos estudiar en la actualidad, el cociente de oxigeno 16/oxígeno 18 varía en función de la temperatura del agua en la que se formaron. Un método muy parecido al de los isótopos del oxígeno es el que se basa en el cociente entre los isótopos de azufre 34 y azufre 32. Existen otros indicadores fósiles más directos; por ejemplo, la extendida presencia de corales, higueras y palmeras denota temperaturas elevadas y los abundantes restos de grandes animales peludos, como los mamuts, denotan temperaturas frías. El mundo geológico dispone de muchas muestras de las glaciaciones —enormes bloques móviles de hielo que han dejado cantos rodados y vestigios muy característicos de la erosión—. Existe también certeza acerca de la existencia de yacimientos de evaporitas —regiones en las que el agua salada se ha evaporado dejando depósitos salinos—. Esa evaporación se produce preferentemente en los climas cálidos.
Cuando se conjuga toda esta variedad de información climática, aparece un modelo complejo de variación de temperatura. Por ejemplo, en ningún momento la temperatura media de la Tierra es inferior al punto de congelación del agua y en ningún momento tampoco llega a aproximarse al punto normal de ebullición del agua. Pero son muy frecuentes las variaciones de varios grados e incluso pueden haberse producido variaciones de veinte o treinta grados, por lo menos localmente. Se producen fluctuaciones de varios grados centígrados a lo largo de períodos característicos de decenas de miles de años; la sucesión reciente de períodos glaciales e interglaciales mantiene ese ritmo y esa amplitud. Pero existen también fluctuaciones climáticas de períodos mucho mayores, el más largo de los cuales es del orden de varios centenares de millones de años. Los períodos calientes parecen haberse producido hace unos 650 millones de años y unos 270 millones de años. Basándonos en las fluctuaciones climáticas del pasado, nos encontramos en medio de una edad del hielo. Durante la mayoría de la historia de la Tierra no han existido casquetes polares «permanentes» como los que hoy en día constituyen el Ártico y el Antártico. En los últimos siglos, la Tierra ha emergido parcialmente de esa época de hielos gracias a alguna variación climática menor todavía no explicada; existen ciertos indicios que apuntan hacia el hecho de que la Tierra está volviendo a caer en las temperaturas globalmente frías que caracterizan nuestra época, considerada desde la perspectiva de los tiempos geológicos. Es un hecho establecido que hace unos dos millones de años el lugar que ocupa actualmente la ciudad de Chicago se encontraba cubierto por una capa de hielo de una milla de espesor.
¿Qué factores determinan la temperatura de la Tierra? Vista desde el espacio, es una esfera azul en rotación, salpicada de nubes, desiertos de color rojizo-marrón y brillantes casquetes polares blancos. La energía necesaria para el calentamiento de la Tierra procede casi exclusivamente de la luz solar, siendo la cantidad de energía procedente del núcleo caliente de la Tierra inferior a una milésima de un uno por ciento de la que alcanza la superficie en forma de luz visible desde el Sol. Pero no toda la luz solar es absorbida por la Tierra. Una parte es reflejada nuevamente hacia el espacio por los casquetes polares, las nubes y las rocas y las aguas de la superficie terrestre. La reflectividad media, llamada albedo, de la Tierra se mide directamente desde satélites e indirectamente a partir del brillo terrestre reflejado en la cara oscura de la Luna y tiene un valor del 35% aproximadamente. El 65% de la luz solar que es absorbido por la Tierra sirve para calentarla hasta una temperatura que puede calcularse fácilmente. Esta temperatura es de unos -18° C, por debajo del punto de congelación del agua de mar y unos 30° C más fría que la temperatura media medida sobre la Tierra.
La diferencia se debe al hecho de que este cálculo no tiene en cuenta lo que se llama el efecto invernadero. La luz visible procedente del Sol penetra en la clara atmósfera terrestre y se transmite hasta su superficie. Sin embargo, la superficie, al intentar devolver nuevamente la radiación al espacio, se ve forzada por las leyes de la física a hacerlo en infrarrojos. La atmósfera no es tan transparente en infrarrojos y a algunas longitudes de onda de la radiación infrarroja —como a 6,2 micrones o a 15 micrones— la radiación sólo es capaz de desplazarse unos pocos centímetros antes de ser absorbida por los gases atmosféricos. Como la atmósfera de la Tierra es bastante opaca a los rayos infrarrojos, absorbiéndola a muchas longitudes de onda, la radiación térmica despedida por la superficie terrestre es incapaz de escapar hacia el espacio. Para mantener el equilibrio entre la radiación recibida por la Tierra desde el espacio y la radiación emitida desde la Tierra hacia el espacio, la temperatura superficial de la Tierra aumenta. El efecto de invernadero se debe no a los principales componentes de la Tierra, tales como el oxígeno y el nitrógeno, sino casi exclusivamente a sus componentes menores, en especial el dióxido de carbono y el vapor de agua.
Como ya hemos visto, el planeta Venus posiblemente sea un caso en el que la inyección masiva de dióxido de carbono y de menores cantidades de vapor de agua en la atmósfera planetaria ha provocado un efecto de invernadero de proporciones tan grandes que el agua no puede mantenerse en la superficie en estado líquido; de ahí que la temperatura planetaria se eleve hasta un valor extraordinariamente alto, 480° C en el caso de Venus.
Hasta ahora hemos estado considerando temperaturas medias. Pero la temperatura de la Tierra varía de un lugar a otro. Es más baja en los polos que en el ecuador ya que, en general, la luz solar cae directamente sobre el ecuador y oblicuamente sobre los polos. La tendencia a que exista una gran diferencia de temperaturas entre el ecuador y los polos de la Tierra queda muy matizada por la circulación atmosférica. El aire frío se eleva en el ecuador, desplazándose a gran altitud hacia los polos, donde desciende hacia la superficie y desde allí recorre nuevamente el camino, esta vez a pequeña altitud, desde el polo hasta el ecuador. Este movimiento general —complicado por la rotación de la Tierra, por su topografía y por los cambios de fase del agua— es la causa del tiempo atmosférico.
La temperatura media de unos 15° C que se observa actualmente en la Tierra puede explicarse bastante bien a partir de la intensidad de luz solar observada, del albedo global, de la inclinación del eje de rotación y del efecto invernadero. Pero todos esos parámetros pueden variar, en principio; y los cambios climáticos del pasado o del futuro pueden atribuirse a variaciones de algunos de ellos. De hecho, ha habido casi cien teorías diferentes sobre los cambios climáticos en la Tierra, e incluso en la actualidad el tema se caracteriza por la falta de unanimidad de opiniones. Y ello no es debido a que los climatólogos sean ignorantes por naturaleza, sino más bien a causa de la extraordinaria complejidad del tema.
Posiblemente se den los dos mecanismos de retroalimentación, el positivo y el negativo. Supongamos, por ejemplo, que se produjese una disminución de la temperatura de la Tierra en varios grados. La cantidad de vapor de agua de la atmósfera queda determinada casi prácticamente por la temperatura y disminuye, a través de las nevadas, a medida que disminuye la temperatura. Menos agua en la atmósfera significa un efecto invernadero menor y un nuevo descenso de la temperatura, lo cual puede provocar un cantidad todavía menor de vapor de agua atmosférico, y así sucesivamente. De la misma manera, una disminución de la temperatura puede hacer aumentar la cantidad de hielo en los polos, lo cual haría aumentar el albedo de la Tierra y disminuir todavía más la temperatura. Por otro lado, un descenso de la temperatura puede provocar una disminución de la cantidad de nubes, lo cual haría disminuir el albedo medio de la Tierra y aumentar la temperatura —tal vez lo suficiente como para recuperar la temperatura inicial—. Recientemente se ha afirmado que la biología del planeta Tierra hace la función de un termostato que impide desviaciones excesivas de la temperatura, que podrían acarrear consecuencias biológicas globales muy desafortunadas. Por ejemplo, un descenso de la temperatura podría provocar un incremento de especies de plantas resistentes que cubriesen mucho terreno, haciendo disminuir así el albedo.
Conviene mencionar aquí tres de las teorías de los cambios climáticos más elaboradas e interesantes. La primera se basa en cambios de las variables de la mecánica celeste: la forma de la órbita de la Tierra, la inclinación de su eje de rotación y la precesión del eje varían a lo largo de grandes períodos de tiempo, debido a la interacción de la Tierra con otros objetos celestes próximos. Los cálculos detallados de la magnitud de tales variaciones indican que pueden explicar por lo menos una variación de temperatura de varios grados y, teniendo en cuenta la posibilidad de retroalimentaciones positivas, este hecho, por sí solo, puede llegar a explicar variaciones climáticas mayores.
Un segundo tipo de teorías se basa en las variaciones del albedo. Una de las causas más sorprendentes de tales variaciones es la inyección en la atmósfera terrestre de cantidades masivas de polvo, procedente, por ejemplo, de una explosión volcánica como la del Krakatoa en 1883. Se produjo bastante controversia en torno a si ese polvo calienta o enfría la Tierra, pero la mayoría de los cálculos actuales indican que las pequeñas partículas, al caer muy lentamente desde la estratosfera terrestre, aumentan el albedo de la Tierra y, por tanto, la enfrían. Unos estudios recientes de sedimentos indican que las épocas pretéritas de intensa producción de partículas volcánicas coinciden en el tiempo con épocas de glaciación y de bajas temperaturas. Además, los episodios de formación de montañas y de creación de superficies de terreno en la Tierra hacen crecer el albedo global, dado que la tierra es más brillante que el agua.
Por último existe la posibilidad de variaciones del brillo del Sol. Gracias a las teorías de la evolución solar sabemos que a lo largo de miles de millones de años el Sol ha ido aumentando continuamente su brillo. Este hecho plantea inmediatamente un problema a la climatología más antigua de la Tierra, ya que el Sol debe haber sido un 30 o un 40 por ciento menos brillante hace tres o cuatro mil millones de años; eso basta, aun contando con el efecto invernadero, para haber alcanzado temperaturas globales muy por debajo del punto de congelación del agua de mar. Y sin embargo existe una gran cantidad de indicios geológicos —por ejemplo, huellas de rizos submarinos, «lavas en almohadilla» (pillow lavas), producidas por el brusco enfriamiento del magma al sumergirse en el mar, y estromatolitos fósiles producidos por algas marinas— que ponen de manifiesto la presencia de grandes cantidades de agua en aquella época. Para salir de ese apuro, se ha propuesto la posibilidad de que en la atmósfera primera de la Tierra existiesen otros gases de invernadero —especialmente amoníaco— que produjeron el aumento de temperatura necesario. Pero además de esa evolución lentísima del brillo solar, ¿es posible que ocurran variaciones de período corto? Se trata de un problema importante y no resuelto, pero las recientes dificultades para encontrar neutrinos —que, según las teorías de que disponemos, son emitidos desde el interior del Sol— han llevado a la consideración de que el Sol se encuentra actualmente en un período anormal de poco brillo.
La incapacidad por distinguir entre los diversos modelos alternativos de cambios climáticos puede parecer simplemente un problema intelectual especialmente molesto —excepto por el hecho de que cada uno tiene sus consecuencias prácticas e inmediatas de los cambios climáticos—. Algunos datos sobre la tendencia de la temperatura global parecen indicar un aumento muy lento desde el inicio de la revolución industrial hasta 1940 y una alarmante caída de la temperatura global desde entonces. Se ha atribuido ese comportamiento a la combustión de los productos energéticos fósiles, que conlleva dos consecuencias: la liberación de dióxido de carbono, un gas de invernadero, en la atmósfera y, simultáneamente, la inyección en la atmósfera de partículas pequeñas procedentes de la combustión incompleta de los productos. El dióxido de carbono calienta la Tierra; las partículas pequeñas, a través de su pequeño albedo, la enfrían. Podría ser que hasta 1940 estuviese ganando el efecto invernadero y que a partir de entonces lo haga el elevado albedo.
La siniestra posibilidad de que la actividad humana pueda provocar modificaciones climáticas sin quererlo hace aumentar considerablemente el interés por la climatología planetaria. En un planeta con temperaturas en descenso se plantean varias posibilidades de retroalimentación positiva muy preocupantes. Por ejemplo, una combustión creciente de productos energéticos fósiles en un intento de calentarnos a corto plazo puede provocar un enfriamiento rápido duradero. Vivimos en un planeta en el que la tecnología agrícola es responsable de la alimentación de más de mil millones de personas. Las cosechas no han sido producidas para resistir variaciones climáticas. Los seres humanos ya no pueden efectuar grandes migraciones ante un cambio climático o, por lo menos, resulta muy difícil en un planeta controlado por naciones-estado. Empieza a resultar urgente comprender las causas de las variaciones climáticas y desarrollar la posibilidad de llevar a cabo una reconstrucción climática de la Tierra.
Sorprendentemente, algunos de los descubrimientos más interesantes sobre la naturaleza de esos cambios climáticos son el resultado de trabajos, no acerca de la Tierra, sino acerca de Marte. El Mariner 9 entró en órbita marciana el 14 de noviembre de 1971. Tuvo una vida científica útil de un año terrestre completo y proporcionó 7200 fotografías de toda la superficie de polo a polo, así como decenas de miles de espectros y demás información científica. Como vimos anteriormente, cuando el Mariner 9 llegó a Marte, prácticamente no podía verse ningún detalle de la superficie del planeta, ya que éste estaba siendo azotado por una gran tormenta global de polvo. Enseguida se comprobó que las temperaturas atmosféricas aumentaban, si bien las temperaturas superficiales disminuían durante la tormenta de arena; esa sencilla constatación proporciona inmediatamente por lo menos un caso claro de enfriamiento de un planeta por la inyección masiva de polvo en su atmósfera. Se han realizado cálculos utilizando las mismas leyes físicas, tanto para la Tierra como para Marte, en los que ambos casos son considerados como ejemplos distintos del problema general de los efectos sobre el clima de una inyección masiva de polvo en una atmósfera planetaria.
El Mariner 9 hizo otro descubrimiento climatológico totalmente inesperado: un gran número de canales sinuosos repletos de afluentes, en la región ecuatorial y a latitudes medias de Marte. En todos los casos en los que existen datos al respecto, los canales van en la dirección adecuada, pendiente abajo. En algunos de ellos se observan figuras onduladas, bancos de arena, hundimientos de las orillas, «islas» interiores en forma de gota en el sentido de la corriente y otros signos morfológicos que caracterizan los valles fluviales terrestres.
Pero se presenta un gran problema, si se interpretan los canales marcianos como lechos de ríos secos: en apariencia, el agua líquida no existe actualmente en Marte. Simplemente las presiones son demasiado bajas. En la Tierra el dióxido de carbono existe en forma sólida y gaseosa, pero nunca en forma líquida (excepto en los tanques de almacenamiento a presión elevada). De la misma manera, en Marte el agua puede existir en forma sólida (hielo o nieve) o en forma de vapor, pero no como líquido. Por esa razón algunos geólogos se muestran reacios a aceptar la teoría de que los canales contuviesen antaño agua líquida. Y sin embargo tocan a muerto para los ríos terrestres; por lo menos muchos de ellos tienen formas que no concuerdan con otras posibles estructuras como son los tubos de lava colapsados, que pueden ser los causantes de los valles sinuosos de la Luna.
Es más, existe una concentración aparente de canales hacia el ecuador marciano. El hecho sorprendente de las zonas ecuatoriales de Marte es que son los únicos lugares del planeta en los que la temperatura media durante el período de insolación supera el punto de congelación del agua. No existe ningún otro líquido que sea al mismo tiempo tan abundante en el cosmos, de baja viscosidad y con un punto de congelación por debajo de las temperaturas ecuatoriales de Marte.
Entonces, si por los canales marcianos ha fluido agua, ese agua debe haber existido en una época en la que el medio ambiente de Marte era sustancialmente distinto de lo que lo es en la actualidad. Marte posee hoy una atmósfera delgada, temperaturas bajas y no dispone de agua. En algún tiempo del pasado, puede haber tenido presiones más elevadas, posiblemente también temperaturas algo mayores y mucha agua corriente. Esas condiciones parecen más adecuadas para la existencia de formas de vida basadas en los principios bioquímicos que rigen en la Tierra que las condiciones del medio ambiente marciano actual.
Un estudio detallado de las posibles causas de ese tipo de grandes cambios climáticos en Marte ha hecho fijar la atención en un mecanismo de retroalimentación llamado inestabilidad advectiva. La atmósfera de Marte está compuesta fundamentalmente por dióxido de carbono. Parecen existir grandes almacenes de reposición del CO2 helado, por lo menos en uno de los dos casquetes polares. La presión del CO2 en la atmósfera marciana es muy parecida a la presión que debe tener el CO2 en equilibrio con el dióxido de carbono helado, a la temperatura del polo marciano frío. Esa situación se parece mucho a la presión en un sistema de vacío en el laboratorio determinada por la temperatura de un «dedo helado» en el sistema. En la actualidad, la atmósfera marciana es tan delgada que el aire caliente que sube desde el ecuador y se estabiliza en los polos desempeña un papel casi despreciable en la tarea de calentar las latitudes altas. Pero imaginemos que la temperatura de las regiones polares aumentase ligeramente. La presión atmosférica total también aumenta, la eficacia del transporte de calor por advección desde el ecuador al polo aumenta a su vez, las temperaturas polares aumentan todavía más y se presenta la posibilidad de adentrarse en las altas temperaturas. De igual manera, una disminución de la temperatura, por la causa que sea, puede desencadenar una fuga hacia las bajas temperaturas. La física de esta situación marciana es más fácil de manejar que en el caso comparable de la Tierra, por la sencilla razón de que los componentes principales de la atmósfera, el oxígeno y el nitrógeno, no pueden condensarse en los polos.
Para que se produzca un incremento significativo de la presión en Marte, la cantidad de calor absorbido por las regiones polares del planeta debe aumentar de un 15 a un 20 por ciento durante un período de un siglo por lo menos. Se han identificado tres causas posibles de variación del calentamiento del casquete y resultan ser muy parecidas a los tres modelos de variación climática terrestre mencionados más arriba, lo cual no deja de ser muy interesante. La primera causa tiene que ver con la inclinación del eje de rotación de Marte con respecto al Sol. Estas variaciones son mucho más espectaculares que en el caso de la Tierra, ya que Marte se encuentra cerca de Júpiter, el planeta más masivo del sistema solar, y las perturbaciones gravitacionales provocadas por Júpiter son más pronunciadas. En este caso, las variaciones de la presión y la temperatura global se producirán a escalas de tiempo comprendidas entre cien mil años y un millón.
En segundo lugar, una variación del albedo de las regiones polares puede provocar también grandes cambios climáticos. Ya se pueden observar en Marte importantes tormentas de arena y polvo, debido a que los casquetes polares se abrillantan y se oscurecen con las estaciones. Se ha sugerido que el clima de Marte podría hacerse más hospitalario si pudiese desarrollarse una especie resistente de planta polar que hiciese disminuir el albedo de las regiones polares marcianas.
Por último, existe también la posibilidad de ciertas variaciones de la luminosidad del Sol. Algunos de los canales marcianos tienen en su interior cráteres de impacto ocasionales; la determinación de la edad de los canales a través de la frecuencia de impactos de materiales procedentes del espacio interplanetario demuestra que algunos de esos cráteres deben tener algo así como mil millones de años de edad. La situación recuerda la última época de temperaturas globales elevadas en el planeta Tierra y sugiere la cautivadora posibilidad de grandes variaciones climáticas simultáneas en la Tierra y en Marte.
Las misiones Viking han hecho mejorar nuestros conocimientos acerca de los canales marcianos en un sentido amplio, han proporcionado indicios bastante independientes acerca de una densa atmósfera primigenia y han puesto de manifiesto la existencia de un gran almacén de reposición de dióxido de carbono helado en el hielo polar. Cuando sean totalmente asimilados los resultados de los Viking, éstos ampliarán nuestro conocimiento del entorno actual, así como de la historia pretérita del planeta y de la comparación entre los climas de la Tierra y Marte.
Cuando los científicos se encuentran ante problemas teóricos de extraordinaria dificultad, siempre queda el recurso de la experimentación. Sin embargo, en lo relativo a estudios sobre el clima de todo un planeta, los experimentos resultan caros y difíciles de realizar y, además, tienen potenciales y delicadas repercusiones sociales. Por la mayor de las fortunas, la naturaleza ha venido a ayudarnos, proporcionándonos planetas cercanos con climas sustancialmente distintos y variables físicas sustancialmente distintas. Tal vez la prueba más difícil que deban superar las teorías de la climatología es la de ser capaces de explicar los climas de todos los planetas más próximos, la Tierra, Marte y Venus. Todo lo que aprendamos estudiando un planeta será inevitablemente de gran utilidad en el estudio de los demás. La climatología planetaria comparada está resultando ser una disciplina, todavía en período de gestación, que representa un enorme interés intelectual y permite grandes aplicaciones prácticas.