De la mateixa manera que un cotxe modifica la velocitat si passa d’anar per pla a emprendre una rampa de pujada o si hom prem l’accelerador, el clima de la Terra canvia si els equivalents climàtics al pendent o a la força de tracció del motor modifiquen el seu valor, sigui per la causa que sigui. Abans d’explicar quins són els factors que configuren el clima de la Terra, i si estan o no canviant, és bo que ens aturem a definir el concepte clau d’aquest article: el clima. Hom pot dir que el clima és l’estadística de l’oratge (el temps meteorològic) al llarg d’un període relativament llarg de temps cronològic i per a un determinat territori. Així, l’àrea per a la qual es defineix el clima pot ser tan petita com uns pocs quilòmetres quadrats (en aquest cas, sovint es parla de microclima). Però és més habitual parlar de clima d’un territori més extens, limitat o no políticament, on les característiques geogràfiques i meteorològiques siguin més o menys comunes (la Mediterrània occidental, el Sàhara…). També es pot generalitzar encara més el terme, i parlar del clima global, és a dir, per a tota la Terra.

Pel que fa a les variables que s’inclouen en una climatologia, sovint es limiten a la temperatura de l’aire i la precipitació. Però es poden fer estudis climàtics de moltes variables més: el vent, la radiació solar, la nuvolositat… o combinar-les per obtenir una descripció més completa. En relació amb la caracterització estadística, el més simple és limitar-la a la mitjana corresponent a una determinada base temporal (anual, per exemple) però una descripció completa del clima requereix també la de les variacions al llarg de l’any i dels extrems de les distribucions; és a dir, els fenòmens que es donen extraordinàriament però que poden tenir efectes rellevants (Martín Vide, 2002).

Per què tenim el clima que tenim? 

D’entrada hem de dir que ens referirem al clima de tota la Terra i el caracteritzarem per una sola variable: la temperatura mitjana de l’aire a la superfície, que actualment és propera a 15 ºC. Per tant, la pregunta que volem explicar és per què la temperatura de l’aire a la superfície de la Terra és precisament aquesta.

La Terra bescanvia energia amb la resta de l’Univers, de manera que tendeix a assolir un equilibri entre l’energia que rep i la que emet. Com que l’intercanvi d’energia només es pot fer mitjançant radiació (atès que l’espai al voltant del planeta és buit), hom diu que la Terra es troba en balanç radiatiu. Així, la Terra rep energia provinent del Sol: la radiació solar, bàsicament llum visible però també radiació ultraviolada i en l’infraroig proper. Donada l’activitat actual del Sol, i la distància a la qual la Terra orbita al voltant de l’astre, la radiació mitjana al llarg de l’any que arriba sobre un metre quadrat de superfície horitzontal perpendicular al feix solar és de 1367 W (valor que s’anomena constant solar, cosa que ja indica que varia molt poc, almenys en escales de temps relativament curtes). Com que el feix solar no arriba a tota la Terra perpendicularment, i com que en qualsevol moment la Terra només exposa la meitat de la seva superfície al Sol, el valor efectiu d’energia solar que arriba a tota la Terra de mitjana resulta ser la quarta part, 342 W/m2.

Si anés absorbint contínuament aquesta energia i no tingués algun mecanisme diguem-ne de refredament, la Terra s’aniria escalfant. Però la Terra no absorbeix tota l’energia solar que li arriba. Una determinada fracció, quantificada amb el que s’anomena albedo planetari, és reflectida de nou cap a l’espai. Aquesta energia reflectida no escalfa la Terra, i per tant, l’albedo terrestre és un factor molt important. D’altra banda, la llei de Planck ens diu que tot cos que es troba a una temperatura per sobre del zero absolut emet radiació. Així, la Terra emet radiació, i donades les temperatures habituals la radiació emesa correspon a l’infraroig tèrmic, que en el context climàtic s’anomena radiació terrestre, per distingir-la de la solar.

Figura 1. Esquema simplificat del balanç energètic en el planeta Terra.
Figura 1. Esquema simplificat del balanç energètic en el planeta Terra.

Doncs bé, si el clima de la Terra depengués només del balanç entre la radiació solar neta absorbida (és a dir, la diferència entre la que prové del Sol i la que és reflectida) i la radiació terrestre emesa, la temperatura estaria molt per sota de la que actualment observem. Per tant, per explicar el clima de la Terra ens cal un segon element: l’atmosfera. L’atmosfera és la capa formada bàsicament per una barreja de gasos, l’aire, que envolta la Terra. A més de gasos, l’atmosfera conté partícules, les quals si són d’aigua o de gel i es presenten en prou abundància en un determinat lloc i moment constitueixen els núvols, mentre que si són d’altres composicions s’anomenen en general aerosols. Els núvols afecten sensiblement el balanç radiatiu. Principalment perquè els núvols reflecteixen radiació solar cap a l’espai de manera molt eficient, com sap qualsevol persona que hagi volat en avió per damunt d’una capa de núvols: vistos des de sobre, els núvols són molt blancs. Amb els núvols, l’albedo del planeta passa a ser del 30 %. Lògicament, si la quantitat de radiació solar reflectida és més gran, la que és absorbida és més petita, és a dir que, si tenim en compte aquest efecte dels núvols, la temperatura de la Terra seria encara més baixa, uns 18 ºC sota zero.

Afortunadament, l’atmosfera té un altre paper en el balanç radiatiu. Es tracta del fet que alguns gasos que formen part de l’aire tenen la propietat d’absorbir radiació de determinades longituds d’ona. Aquests gasos no són pas els més abundants en l’atmosfera (el nitrogen i l’oxigen) sinó d’altres que es troben en concentracions molt més baixes: el vapor d’aigua, el diòxid de carboni (CO2), el metà, l’òxid nitrós, l’ozó i altres gasos encara més rars. Aquests gasos presenten bandes d’absorció en la regió de l’infraroig tèrmic, és a dir, que absorbeixen radiació terrestre. Per tant, l’atmosfera absorbeix radiació terrestre, i això impedeix que part d’aquesta energia escapi cap a l’espai; és a dir, reduint el refredament. Aquest fenomen es coneix comefecte d’hivernacle i depèn, lògicament, de la quantitat de gasos amb aquesta propietat que hi hagi a l’atmosfera, i també de les seves característiques concretes (hi ha gasos que, per unitat de massa, presenten un efecte d’hivernacle molt més gran que altres). A més, els núvols no només reflecteixen radiació solar cap a l’espai, sinó que també són eficients absorbidors de radiació terrestre i per tant contribueixen a l’efecte d’hivernacle. També els aerosols hi representen un paper: n’hi ha que tenen un efecte dominant de reflexió de la radiació (solar) mentre que d’altres són eficients absorbidors de tot l’espectre de radiació (solar i terrestre).

Ara sí, si determinem la temperatura que ha de tenir la superfície de la Terra per tal que, amb una emissivitat reduïda per l’efecte d’hivernacle, compensi la radiació solar absorbida, aquesta resulta ser d’uns 15 ºC. Els fluxos d’energia, en forma de radiació, que configuren el balanç energètic que dóna lloc a aquesta temperatura es representen, esquemàticament, en la figura 1.

Els canvis del clima

Si analitzem l’evolució del clima de la Terra al llarg de tota la seva existència, trobarem que a escales de milers de milions d’anys, el clima ha variat molt substancialment. Aquests canvis estan relacionats directament amb els canvis en l’energia emesa pel Sol (com totes les estrelles, el Sol evoluciona, i ha estat –i encara està– augmentant la seva lluminositat), i els canvis en la composició de l’atmosfera terrestre (per exemple, des de l’aparició de la vida sobre la Terra s’han extret de l’atmosfera grans quantitats de CO2 gràcies a la fotosíntesi, que al seu torn ha alliberat l’oxigen que actualment és el segon gas més abundant) (Uriarte, 2003). Però situem-nos en escales temporals molt més curtes i properes, per exemple el darrer milió d’anys, és a dir, en períodes en què el Sol bàsicament no ha canviat la seva lluminositat, en què els continents i oceans presenten una distribució igual a l’actual, i en què la composició atmosfèrica pot considerar-se invariable pel que fa als gasos més abundants.

Figura 2. Concentracions de gasos a l'atmosfera durant l'era industrial (dreta) i des de l'any 0 fins 1750 (esquerra).
Figura 2. Concentracions de gasos a l’atmosfera durant l’era industrial (dreta) i des de l’any 0 fins 1750 (esquerra).

Els canvis en el clima més destacats en aquest període «recent» són els cicles de glaciació-interglacial. Es tracta de períodes més freds que el present (amb temperatures 6-10 ºC per sota de l’actual), d’uns 100.000 anys de durada, en què els casquets polars s’estenen fins a latituds mitjanes i el nivell del mar es troba molt per sota de l’actual; seguits de períodes d’uns 20.000 anys de durada amb un clima similar al present. Aquests cicles es relacionen causalment amb els cicles dels paràmetres orbitals de l’òrbita terrestre al voltant del Sol (Milankovitch, 1920). En efecte, l’òrbita modifica l’excentricitat (és a dir, és més o menys circular o el·líptica), l’obliqüitat (la inclinació de l’eix de rotació de la Terra respecte del pla de l’eclíptica) i la precessió dels equinoccis (en quina data la Terra es troba més propera al Sol) en diversos cicles superposats de desenes de milers d’anys. La combinació d’aquests cicles no modifica de manera molt important la quantitat de radiació solar que arriba a la Terra però sí que fa variar notablement el repartiment de la radiació entre els hemisferis i al llarg de l’any. Atesa la presència de més terres emergides en l’hemisferi nord, sembla que una disminució de la radiació incident els mesos d’estiu en aquest hemisferi és l’origen del refredament global que acaba provocant una glaciació. Però per explicar-ho cal recórrer a diverses retroaccions positives, és a dir, que reforcen la causa original.

Llegiu l’article sencer a la web de Mètode.

Josep Calbó. Professor titular del Departament de Física. Universitat de Girona.

Què és Mètode?

Per a VilaWeb el vostre suport ho és tot

Sostenir un esforç editorial del nivell i el compromís de VilaWeb, únicament amb la publicitat, és molt difícil. Per això necessitem encara molts subscriptors nous per a allunyar qualsevol ombra de dificultats per al diari. Per a vosaltres aquest és un esforç petit, però creieu-nos quan us diem que per a nosaltres el vostre suport ho és tot.

Podeu fer-vos subscriptors de VilaWeb en aquesta pàgina.

Vicent Partal
Director de VilaWeb