Cuando la científica atmosférica Ivana Cvijanovic llevó su simulación climática por ordenador hasta el límite, descubrió un resultado inquietante: a medida que el hielo marino del Ártico se acercaba a la desaparición total, unos enormes sistemas de alta presión empezaban a formarse a miles de kilómetros de distancia de la costa oeste de los Estados Unidos.

Este sistema de presión bloqueaba las grandes tormentas que se dirigían a California (EE. UU.), cortando el paso de la lluvia. El modelo de Cvijanovic muestra que, a medida que el hielo marino del Polo Norte se desvanezca, como se espera que suceda en las próximas décadas, los agricultores del Valle Central se podrían encontrar con que las nubes han cerrado el grifo, y lo mismo pasaría en las estaciones de esquí de Sierra Nevada y las ciudades (ver Las señales de que el cambio climático perdió totalmente el control en 2017).

Foto: La científica climática Ivana Cvijanovic realizó un trabajo de campo en la vertiente norte de Alaska como parte de su investigación doctoral.

Los resultados, publicados en Nature Communications en diciembre, también sugieren que la reducción del hielo marino puede haber tenido un papel relevante en la sequía extrema y costosa que ha asolado California durante la mayor parte de esta década. Esta fue impulsada por un "sistema de presión irrisoriamente resistente" que se parece mucho al que predice la simulación de Cvijanovic.

Los modelos climáticos a menudo se ridiculizan y se tildan de aproximaciones poco fiables de los sistemas complejos de la Tierra, particularmente entre los negacionistas del cambio climático (ver Las dos tácticas para convencer de que el cambio climático no existe). Pero gracias a los ordenadores cada vez más potentes, la inclusión de más variables y otros avances técnicos, las simulaciones climáticas se han vuelto increíblemente poderosas.

Pueden predecir cómo el calentamiento global ya está alterando el planeta y cómo lo hará en el futuro de forma cada vez más exacta. Estas mejoras están ayudando a los científicos a desentrañar los complejos mecanismos que impulsan los fenómenos meteorológicos extremos.

Cabe destacar que Cvijanovic había intentado estudiar durante años las desconcertantes conexiones entre el hielo que se derrite y los cambios de precipitación a distancias lejanas. Pero los modelos climáticos estándar no permitían simular estos procesos de una manera realista, hasta que un reciente avance llegó de una fuente a priori poco probable: la investigación de armas nucleares.

Volver a lanzar la moneda

La curiosidad de Cvijanovic empezó a crecer cuando se incorporó como investigadora postdoctoral en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California en 2014. Dos veranos antes, el hielo marino del Ártico se había derretido mucho más rápido de lo que esperaban los científicos. Casi 13 millones de kilómetros cuadrados de hielo desaparecieron del período de máximo derretimiento, que tuvo lugar a finales de marzo. Se trata de la mayor pérdida de hielo jamás registrada, y con mucha diferencia.

Era una señal evidente de que algo andaba mal en los modelos climáticos (y en el extremo más aterrador del espectro). 

Los modelos climáticos son simulaciones de ordenador que calculan cómo la Tierra reacciona ante diversas influencias, como aumentos masivos en las emisiones de dióxido de carbono. Para ello se ejecutan ecuaciones matemáticas que intentan representar las leyes físicas de la mejor forma posible. Calculan cómo las condiciones cambiantes se propagan a través del tiempo y el espacio, al convertir los océanos, la superficie y la atmósfera en una cuadrícula tridimensional de cajas. En las últimas décadas, la resolución de esas cajas aumentó de 500 kilómetros cuadrados a menos de 25 kilómetros cuadrados en algunos casos, incluso para los modelos que incorporaban océanos, hielo marino, vegetación y otros factores interconectados.

Sin embargo, a pesar de todas estas grandes mejoras, todavía hay grandes diferencias entre lo que predicen los modelos y lo que pasa en realidad, como demostró la dramática pérdida de hielo en el mar (ver Tres efectos del cambio climático son más graves de lo esperado).

Este suceso llamó especialmente la atención del investigador de Lawrence Livermore Donald Lucas. El científico era miembro de un equipo de investigadores climáticos y diseñadores de armas nucleares en el laboratorio, que previamente habían colaborado en un proyecto de tres años para mejorar los niveles de confianza en los resultados de las simulaciones climáticas.

Foto: El científico investigador de Lawrence Livermore Donald Lucas, que dirigió una investigación para comprender por qué el hielo marino del Ártico se estaba derritiendo más rápido de lo que predecían los modelos climáticos.

EE. UU. no ha llevado a cabo pruebas explosiones con armas nucleares desde 1992, por lo que depende de inspecciones y modelos para evaluar la fiabilidad de las existencias antiguas. Los científicos de Lawrence Livermore han utilizado durante mucho tiempo los superordenadores del laboratorio para simular la degradación de materiales, como el plutonio, y han ayudado a desarrollar nuevas formas de calcular los niveles de confianza.

En lugar de ejecutar la simulación una vez, la repiten muchas veces, ajustando ligeramente ciertas variables para producir un conjunto de posibilidades. A partir de ahí, los investigadores pueden calcular la probabilidad estadística de ciertos resultados a partir de cosas como la frecuencia con la que ocurren en los resultados y cómo estos se ajustan a los datos de las inspecciones físicas.

"Se lanza la moneda una y otra vez para construir una distribución de la probabilidad del resultado", explica Lucas.

Él y sus colegas decidieron aplicar el mismo enfoque a los modelos climáticos, escribiendo programas para ajustar docenas de parámetros en el código fuente de un modelo climático público. Aprovecharon cerca de la mitad de un superordenador en Lawrence Livermore durante casi tres años para producir 100.000 años de simulaciones en una amplia gama de escenarios climáticos.

Pero en el verano de 2012, Lucas se dio cuenta de que incluso esos resultados estaban muy lejos de predecir la pérdida de hielo marino del Ártico que realmente ocurrió. Así que los investigadores emprendieron otro experimento de modelización centrado en el hielo del mar. Al consultar con expertos qué variables podrían estar en juego y cambiar esos parámetros, su equipo fue capaz de simular la desaparición del hielo marino del Ártico, acercándose mucho más a la realidad.

Resultó que había tres variables que explicaban el 95 % del cambio. Dos de ellas estaban relacionadas con el tamaño de las partículas de nieve en el hielo marino, que afecta a la cantidad de luz solar que se refleja. La última, conocida como la "conductividad térmica de la nieve", define esencialmente cómo de rápido se mueve el calor a través del hielo. Al igual que las otras dos variables, normalmente se trata como una constante en el modelo que utilizó el equipo. Sin embargo en este caso, los investigadores la situaron dentro de un rango que reflejaba su variabilidad en el mundo real.

Lucas no se atreve a afirmar que han encontrado las piezas que faltan en el rompecabezas de los modelos de hielo marino. Pero explica que, al permitir una gama de variaciones "plausibles", han descubierto que pueden "explicar la mayoría de las diferencias entre las observaciones y las simulaciones [de modelo de hielo marino], pero no todas", dijo Lucas en un correo electrónico.

Foto: Lucas visita nuevas supercomputadoras en Lawrence Livermore Lab.

La configuración perfecta

El experimento también creó una herramienta mucho más fina para que Cvijanovic explorara la cuestión que se había preguntado durante mucho tiempo: ¿Por qué los antiguos períodos de rápido calentamiento en el Hemisferio Norte, conocidos como eventos Dansgaard y Oeschger, parecían coincidir con dramáticos cambios de precipitación en los trópicos?

Hacia el final de su doctorado en la Universidad de Copenhague (Dinamarca), en 2011 y 2012, Cvijanovic formó parte de un grupo de modelado que intentó dar sentido a estos abruptos cambios climáticos tan evidentes en las muestras de núcleos de hielo de Groenlandia.

Ella había hecho algunos intentos básicos para explorar estas conexiones agregando flujos de energía en simulaciones, que esencialmente aumentaron artificialmente la pérdida de hielo marino. Pero el trabajo de su colega en Lawrence Livermore le permitió modelar la pérdida extrema de hielo de una manera más realista, modificando parámetros dentro de lo que se considera como el posible nivel de variación en la naturaleza.

Cvijanovic recuerda: "Esa fue la configuración perfecta. No estás haciendo nada que no sea físico, no estás haciendo trampa para observar esta pérdida de hielo en el mar".

La investigadora se centró en las tres variables descubiertas en el trabajo de Lucas. Ejecutó el modelo varias docenas de veces y, en última instancia, dio valores a esas variables en el extremo de sus rangos. A veces tardó una semana entera en realizar un único análisis en los superordenadores de Lawrence Livermore, así que el proceso duró meses. Pero finalmente se comenzó a tener una imagen clara.

Cuando hay poco hielo para reflejar el calor de vuelta al espacio, la región se calienta constantemente. Una pequeña cantidad de ese calor adicional llega a los trópicos, pero es suficiente para provocar cambios en los vientos y precipitaciones que alteran los patrones de convección y circulación. Estos, a su vez, producen ondas masivas de alta y baja presión en la atmósfera, formando una cresta persistente que aterriza en el Pacífico Norte. Esa característica dirige las tormentas hacia el norte, lejos de California y hacia Alaska y Canadá.

Fue un experimento difícil que necesitó años de mejoras colectivas en la tecnología y en las técnicas de modelado climático. Ahora se necesita más trabajo para probar los hallazgos y determinar cómo otros procesos pueden aumentar o disminuir el efecto de que se derrita el hielo marino del Ártico, dicen otros científicos. Pero la simulación proporcionó algunas de las primeras pruebas reales de la conexión teórica entre la pérdida de hielo y las sequías lejanas. Sobre todo, ha sido una clara advertencia sobre los inminentes peligros que se avecinan.