El termostato dinámico oceánico es un mecanismo físico mediante el cual los cambios en el forzamiento radiativo promedio influyen en los gradientes de las temperaturas de la superficie del mar (TSM) en el Océano Pacífico y en la intensidad de la circulación de Walker. Un aumento del forzamiento radiativo (calentamiento) es más efectivo en el Pacífico Occidental que en el Oriental, donde la surgencia de masas de agua fría amortigua el cambio de temperatura. Esto aumenta el gradiente de temperatura Este-Oeste y fortalece la circulación de Walker. Una disminución del forzamiento radiativo (enfriamiento) produce el efecto contrario.
Este proceso se ha invocado para explicar las variaciones en los gradientes de temperatura del Océano Pacífico que se correlacionan con la insolación y las variaciones climáticas. También podría ser responsable de la correlación hipotética entre los fenómenos de El Niño y las erupciones volcánicas, así como de los cambios en los gradientes térmicos que se produjeron durante el siglo XX. No está claro si el termostato dinámico oceánico controla la respuesta del Océano Pacífico al calentamiento global antropogénico, ya que existen procesos contrapuestos; potencialmente, podría impulsar una tendencia climática similar a La Niña durante la fase inicial del calentamiento, antes de que otros procesos la anulen.
Antecedentes
El Pacífico ecuatorial es una región clave para la Tierra en términos de su influencia relativa sobre la circulación atmosférica mundial. Un gradiente de temperatura característico entre el Este y el Oeste está vinculado a una circulación atmosférica, la circulación de Walker, y además controlado por dinámicas atmosféricas y oceánicas. El Pacífico Occidental alberga la denominada «zona cálida», donde se registran las temperaturas de la superficie del mar (TSM) más cálidas de la Tierra. Por el contrario, en el Pacífico Oriental, existe una zona llamada «lengua fría» que siempre es más fría que la zona cálida, a pesar de que ambas se encuentran en la misma latitud, debido a la surgencia de aguas frías. El gradiente de temperatura entre ambas zonas, a su vez, induce una circulación atmosférica, la circulación de Walker, que responde fuertemente al gradiente de la TSM.
Un componente importante del clima es El Niño-Oscilación del Sur (ENOS), un modo de variabilidad climática. Durante su fase positiva/El Niño, las aguas del Pacífico Central y Oriental están más cálidas de lo normal, mientras que durante su fase fría/La Niña están más frías de lo normal. Acoplados a estos cambios de la TSM, varía la diferencia de presión atmosférica entre el Pacífico Oriental y Occidental. Las variaciones del ENOS y de la circulación de Walker tienen efectos a nivel mundial en el clima, incluidos desastres naturales como incendios forestales, sequías, inundaciones y la actividad de ciclones tropicales. La circulación atmosférica modula la absorción de calor por parte del océano, la intensidad y la posición de la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT), las precipitaciones tropicales y la intensidad del monzón indio.
Hipótesis original de Clement et al. (1996) y antecedente de Sun y Liu (1996)
Ya en mayo de 1996, Sun y Liu publicaron una hipótesis según la cual las interacciones acopladas entre los vientos oceánicos, la superficie del océano y las corrientes oceánicas pueden limitar las temperaturas del agua en el Pacífico Occidental. Como parte de ese estudio, descubrieron que el aumento de las temperaturas de equilibrio provoca un mayor gradiente de temperatura entre el Pacífico Oriental y el Occidental.
El mecanismo del termostato dinámico oceánico fue descrito en una publicación específica de Clement et al. (1996) en un modelo acoplado océano-atmósfera del océano ecuatorial. Dado que en el Pacífico Occidental las TSM solo están determinadas por el calor almacenado y los flujos de calor, mientras que en el Pacífico Oriental también intervienen la advección horizontal y vertical. De este modo, una fuente de calentamiento impuesta calienta principalmente el Pacífico Occidental, induciendo vientos del este más fuertes que facilitan la surgencia en el Pacífico Oriental y enfrían su temperatura - un patrón opuesto al que se esperaría del calentamiento. El agua fría que aflora a lo largo del ecuador luego se extiende alejándose de este, reduciendo el calentamiento total de la cuenca. El gradiente de temperatura entre el Pacífico Occidental y el Oriental aumenta, fortaleciendo los vientos alisios y aumentando aún más la surgencia; esto resulta finalmente en un estado climático similar a La Niña. El mecanismo es estacional, ya que la surgencia es menos efectiva en la primavera boreal y más efectiva en el otoño boreal; por lo tanto, opera principalmente en otoño. Debido a la estructura vertical de la temperatura, la variabilidad del ENOS se vuelve más regular durante el enfriamiento por el mecanismo del termostato, pero se amortigua durante el calentamiento.
El modelo de Clement et al. (1996) solo toma en cuenta las anomalías de temperatura y no considera el balance energético completo. Después de un tiempo, el calentamiento se extendería a las regiones de origen del agua ascendente y en la termoclina, amortiguando finalmente el termostato. El defecto principal del modelo es que supone que la temperatura del agua ascendente no cambia con el tiempo.
Investigaciones posteriores
Estudios posteriores han verificado el mecanismo del termostato dinámico oceánico para varios modelos climáticos con diferentes estructuras de calentamiento y también la ocurrencia de la respuesta opuesta - una disminución del gradiente de TSM - en respuesta al enfriamiento climático. En los modelos completamente acoplados, la tendencia de la circulación atmosférica a intensificarse a medida que disminuye la insolación a veces anula la respuesta del termostato ante la disminución de la actividad solar. Liu, Lu y Xie (2015) propusieron que un termostato dinámico oceánico también puede operar en el Océano Índico, y el concepto se ha extendido para abarcar el Indo-Pacífico en su conjunto, en lugar de limitarse únicamente al Pacífico ecuatorial.
El agua fluye desde el Pacífico Occidental hacia el Océano Índico a través de los estrechos entre Australia y Asia, un fenómeno conocido como flujo de Indonesia. Rodgers et al. (1999) plantearon que unos vientos alisios más fuertes, asociados con el termostato dinámico oceánico, podrían aumentar la diferencia de nivel del mar entre los océanos Índico y Pacífico, aumentando el flujo y enfriando aún más el Pacífico. An et al. (2022) plantearon que un efecto similar en el Océano Índico podría provocar cambios en el Dipolo del Océano Índico después de la eliminación de dióxido de carbono.
Papel en la variabilidad climática
El termostato dinámico oceánico se ha utilizado para explicar:
La observación de que, durante el estadio isotópico marino 3, el enfriamiento en Groenlandia está asociado con un cambio climático similar a El Niño en el Pacífico. La disminución de la variabilidad de ENOS durante períodos con alta variabilidad solar. La transición hacia una Oscilación Decadal del Pacífico fría a finales del siglo XX.
Influencias volcánicas y solares
El mecanismo del termostato dinámico oceánico se ha invocado para vincular las erupciones volcánicas con los cambios de ENOS. Las erupciones volcánicas pueden enfriar la Tierra mediante la inyección de aerosoles y dióxido de azufre en la estratosfera, que reflejan la radiación solar entrante. Se ha sugerido que, en los registros paleoclimáticos, las erupciones volcánicas suelen ir seguidas de eventos de El Niño, pero es cuestionable si esto se aplica a las erupciones históricas conocidas y los resultados de los modelos climáticos no son concluyentes. En algunos modelos climáticos, un proceso de termostato dinámico oceánico provoca el inicio de eventos de El Niño después de erupciones volcánicas; en otros, procesos atmosféricos adicionales anulan el efecto del termostato dinámico oceánico sobre los gradientes de TSM en el Pacífico.
El proceso del termostato dinámico oceánico puede explicar las variaciones en las TSM en el Pacífico Oriental que se correlacionan con cambios en la insolación como el Mínimo de Dalton y con el ciclo solar. Durante el Holoceno temprano y medio, la insolación en otoño y verano era mayor, pero también durante la Anomalía Climática Medieval entre los años 900 y 1300 d. C., las TSM frente a las costas de Baja California, en el Pacífico Oriental, eran más frías de lo habitual. El Suroeste de América del Norte sufrió megasequías severas durante esta época, lo que también podría relacionarse con una tendencia similar a La Niña en las TSM del Pacífico. Por el contrario, durante los períodos de baja insolación y durante la Pequeña Edad de Hielo, las TSM aumentaron. Esta región se encuentra dentro de la Corriente de California, la cual está influenciada por el Pacífico Oriental y que controla la temperatura del agua ascendente. Esto se corroboró aún más mediante análisis con especies adicionales de foraminíferos. El aumento de la productividad en las aguas oceánicas frente a las costas de Perú durante la Anomalía Climática Medieval y el Período cálido romano entre los años 50 y 400 d. C., cuando el clima mundial era más cálido, puede ocurrir a través de un estrechamiento de la termoclina impulsado por el termostato y una mayor surgencia de aguas ricas en nutrientes. Sin embargo, se han propuesto mecanismos adicionales que conectan el clima del Pacífico ecuatorial con los cambios de insolación.
Papel en el cambio climático reciente
Los cambios en las TSM del Pacífico ecuatorial causados por el calentamiento global antropogénico constituyen un problema importante en los pronósticos climáticos, ya que influyen en los patrones climáticos locales y globales. Se espera que el mecanismo del termostato dinámico oceánico reduzca el calentamiento antropogénico del Pacífico Oriental en comparación con el Pacífico Occidental, fortaleciendo así el gradiente de TSM y la circulación de Walker. Esto se ve contrarrestado por un debilitamiento de la circulación de Walker y el enfriamiento evaporativo más efectivo del Pacífico Occidental debido al calentamiento global. Esta compensación entre diferentes efectos dificulta la estimación del resultado final de la circulación de Walker y el gradiente de TSM. En los modelos CMIP5, por lo general, no es el efecto dominante.
Se ha recurrido al termostato dinámico oceánico para explicar los cambios contradictorios observados en el Océano Pacífico durante el siglo XX. En concreto, parece haber un aumento simultáneo del gradiente de TSM, pero también un debilitamiento de la circulación de Walker, especialmente durante el verano boreal. Todas estas observaciones son inciertas, debido a las elecciones específicas de los parámetros utilizados para describir los gradientes de TSM y la intensidad de la circulación de Walker, así como a problemas de medición y sesgos. Sin embargo, el mecanismo del termostato dinámico oceánico podría explicar por qué el gradiente de TSM ha aumentado durante el calentamiento global y también por qué la circulación de Walker se intensifica en otoño e invierno, ya que estas son las estaciones en las que la surgencia es más intensa. Por otro lado, el calentamiento en el Océano Atlántico y, en general, los cambios en los gradientes de temperatura entre océanos podrían desempeñar un papel importante.
Cambios proyectados para el futuro