Un Sistema Climático Fractal frente al pensamiento lineal

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Sistema climático Fractal: Fuente: Google imágenes

 Ya os hemos comentado en más de una ocasión que el clima posee un comportamiento típico de los Sistemas no linealeso quizás Sistemas complejos. Otros autores apuntan que su comportamiento corrobora que se trata de un sistema caótico. De hecho uno de los primeros ejemplos de estos últimos es el archiconocido Efecto Mariposadetectado por el físico Edward Lorenz en 1963. Todos ellos poseen características comunes y algunas diferencias que no trataremos en este post. Ahora bien, bien comparten la propiedad de que su dinámica resulta ser bastante impredecible con rasgos a menudo  Fractales o Multifractales es decir, sistemas invariantes a los cambios de escala que  son conformes a Leyes potenciales en más de tres o cuatro órdenes de magnitud. Obviamente la predicción de este tipo de estructuras y procesos resulta ser bastante más impredecible de lo que desearíamos con vistas a predecir qué ocurrirá en el futuro. Como sabéis  El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) basa sus predicciones sobre lo qué ocurrirá en el futuro haciendo uso principalmente de los Modelos de Clima Global, que son de naturaleza esencialmente lineal. Por esta razón siempre he sido bastante escéptico ante las predicciones del IPCC. A pesar de todo, este panel de expertos reconoce que  el calentamiento climático traerá más fenómenos violentos e imprevisibles, como las sequías e inundaciones más intensas y prolongadas. Tampoco niegan que las predicciones de los Modelos de Clima Global, pueden ser alteradas por fenómenos que afectan a corrientes como la del Golfo, que ya describimos en nuestro post “Cambio climático y la Teoría del Recalentón”. De pararse la mencionada corriente (hecho que ya ha sido constatado en el pasado), se traduciría, por ejemplo, en que la Península Ibérica padecería mucho más frio que en la actualidad, que no aumente de las temperaturas, como suele leerse en la prensa científica y general. Y de nuevo por esta razón, desconfío de los resultados de numerosísimos artículos que son publicados todos los años, en base a los mentados escenarios del IPCC.  Sin embargo todo el mundo desea que los científicos les digamos que ocurrirá en el futuro, cuando en realidad se trata de un asunto muy espinoso, en parte por nuestro desconocimiento, pero también por la propia naturaleza del sistema climático.

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Sistema climático Fractal y su ley potencial: Fuente: Google imágenes

 Los lectores más asiduos de esta bitácora saben sobradamente que gran parte de mi carrera profesional se ha basado en el análisis de la evolución de los suelo, pero también de sus patrones espaciales, la mayoría de los cuales atesoran estructuras Fractales o Multifractales. Por ejemplo mis dos últimos libros versan sobre este tema, así como de los constructos que utilizamos para elaborar sus taxonomías, que dicho de paso también son fractales y/o multifractales. Me refiero más concretamente a las monografías tituladas Pedodiversity (edafodiversidad) y Magic Numbers (los números mágicos de las taxonomías) publicadas respectivamente por una editorial de EE.UU. y  la propia UE.

 El artículo que os ofrecemos hoy (Climate variations analyzed 5 million years back in time) nos informa del comportamiento fractal y multifractal de los climas pasados, como también de la mencionada dificultad de predicción en lo que respecta a los escenarios futuros. Empero no poder predecir exactamente no significa que si un comportamiento es fractal o multifractal, no podamos conocer algunos de los patrones climáticos que acaecerán en los próximos decenios, siglos y milenios, por cuanto, son invariantes a los cambios de escala, ya sean especiales o temporales. Los autores del estudio han buceado en el pasado detectando, por ejemplo, que en los periodos interglaciares como el que disfrutamos, son conforme a una dinámica fractal, mientas que los gélidos glaciares a otra multifractal. Digamos que resulta más fácil extraer regularidades de los primeros que de los segundos.

 Tan solo discrepo de los autores en un punto. Según ellos el calentamiento climático podría producir un patrón diferente a los aludidos, lo cual nos informaría de ciertos aspectos relevantes de cómo la humanidad se encuentra cambiando el sistema climático. Personalmente yo no entiendo tal razonamiento. En el pasado se han producido eventos catastróficos de todo tipo, incluidos los imprevisibles impactos de meteoritos, gigantescas erupciones volcánicas, etc., a pesar de lo cual no disponemos de evidencias para aseverar que en aquellos periodos remotos, el clima no siguiera atesorando un comportamiento fractal o multifractal.   Personalmente puedo aseguraros que somos varios los investigadores los que hemos detectado que numerosísimas(os) estructuras y procesos superficiales terrestres se comportan como sistemas complejos o no lineales, surgiendo estructuras fractales y multifractales por doquier.  ¿Por qué el clima iba a ser diferente, con o sin perturbaciones?.

 Os dejo con la noticia, fruto del artículo original publicado en Nature. He traducido del suajili al castellano-español, los párrafos que se me antojan más relevantes. Seguidamente os dejo bastantes post que hemos escrito sobre tales estructuras (….) llamémosles caóticas en sentido amplio, para aquellos que deseen abundar más sobre este tema.

Juan José Ibáñez

Climate variations analyzed 5 million years back in time
by Staff Writers; Copenhagen, Denmark (SPX) Mar 18, 2016

When we talk about climate change today, we have to look at what the climate was previously like in order to recognise the natural variations and to be able to distinguish them from the human-induced changes.

Researchers from the Niels Bohr Institute have analysed the natural climate variations over the last 12,000 years, during which we have had a warm interglacial period and they have looked back 5 million years to see the major features of the Earth’s climate. The research shows that not only is the weather chaotic, but the Earth’s climate is chaotic and can be difficult to predict. The results are published in the scientific journal, Nature Communications.

Investigadores del Instituto Niels Bohr han analizado las variaciones naturales del clima durante los últimos 12.000 años, durante los cuales hemos tenido un período interglaciar cálido y han mirado hacia atrás 5 millones de años para entender las principales características del clima de la Tierra. La investigación demuestra que no sólo es el clima caótico, sino que también el sistema climático terrestre en su conjunto también lo es, por lo que puede ser difícil de predecir que acaecerá en el futuro. Los resultados se han publicado en la revista científica Nature Communications

The Earth’s climate system is characterised by complex interactions between the atmosphere, oceans, ice sheets, landmasses and the biosphere (parts of the world with plant and animal life). Astronomical factors also play a role in relation to the great changes like the shift between ice ages, which typically lasts about 100,000 years and interglacial periods, which typically last about 10-12,000 years.

El sistema climático de la Tierra se caracteriza por las complejas interacciones entre la atmósfera, los océanos, las capas de hielo, masas de tierra y la biosfera. Los factores astronómicos también juegan un papel en relación con los grandes cambios que acaecen entre las edades de hielo, que suele durar alrededor de 100.000 años y períodos interglaciares, el ultimo de los cuales lleva entre nosotros  unos 10-12.000 años.

Climate repeats as fractals
You can look at the climate as fractals, that is, patterns or structures that repeat in smaller and smaller versions indefinitely. If you are talking about 100-year storms, are there then 100 years between them? – Or do you suddenly find that there are three such storms over a short timespan?

“If you are talking about very hot summers, do they happen every tenth year or every fifth year? How large are the normal variations? – We have now investigated this,” explains Peter Ditlevsen, Associate Professor of Climate Physics at the Niels Bohr Institute at the University of Copenhagen. The research was done in collaboration with Zhi-Gang Shao from South China University, Guangzhou in Kina.

The researchers studied: Temperature measurements over the last 150 years. Ice core data from Greenland from the interglacial period 12,000 years ago, for the ice age 120,000 years ago, ice core data from Antarctica, which goes back 800,000 years, as well as data from ocean sediment cores going back 5 million years.

We only have about 150 years of direct measurements of temperature, so if, for example, we want to estimate how great of variations that can be expected over 100 years, we look at the temperature record for that period, but it cannot tell us what we can expect for the temperature record over 1000 years. But if we can determine the relationship between the variations in a given period, then we can make an estimate.

These kinds of estimates are of great importance for safety assessments for structures and buildings that need to hold up well for a very long time, or for structures where severe weather could pose a security risk, such as drilling platforms or nuclear power plants. We have now studied this by analysing both direct and indirect measurements back in time,” explains Peter Ditlevsen.

The research shows that the natural variations over a given period of time depends on the length of this period in the very particular way that is characteristic for fractals.

This knowledge tells us something about how big we should expect the 1000-year storm to be in relation to the 100-year storm and how big the 100-year storm is expected to be in relation to the 10-year storm. They have further discovered that there is a difference in the fractal behaviour in the ice age climate and in the current warm interglacial climate.

La investigación muestra que las variaciones naturales en un determinado  periodo de tiempo depende de la duración del mismo de una forma qyue denuncia un comportamiento fractal.

Este conocimiento nos dice algo acerca de cómo de intensa debemos esperar que sea una tormenta de 1000 años respecto  a otra que acaece cada 100 años y esté con la magnitud  que ocurre en un intervalo de 10 años. Ellos han descubierto, además, que hay una diferencia en el comportamiento fractal en el clima entre un periodo glacial y otro interglaciar como el que disfrutamos.

Abrupt climate fluctuations during the ice age
“We can see that the climate during an ice age has much greater fluctuations than the climate during an interglacial period. There has been speculation that the reason could be astronomical variations, but we can now rule this out as the large fluctuation during the ice age behave in the same ‘fractal’ way as the other natural fluctuations across the globe,” Peter Ditlevsen.

fluctuaciones climáticas bruscas durante la edad de hielo

“Podemos ver que el clima durante una edad de hielo tiene fluctuaciones mucho mayor que el clima durante un período interglaciar. Se ha especulado que la razón podría haber sido variaciones astronómicas, pero ahora podemos descartar esta posibilidad que la gran fluctuación durante la edad de hielo se comportan de la misma manera ‘fractal’ que las otras fluctuaciones naturales en todo el mundo”.

The astronomical factors that affect the Earth’s climate are that the other planets in the solar system pull on the Earth because of their gravity. This affects the Earth’s orbit around the sun, which varies from being almost circular to being more elliptical and this affects solar radiation on Earth.

The gravity of the other planets also affects the Earth’s rotation on its axis. The Earth’s axis fluctuates between having a tilt of 22 degrees and 24 degrees and when the tilt is 24 degrees, there is a larger difference between summer and winter and this has an influence on the violent shifts in climate between ice ages and interglacial periods.

The abrupt climate changes during the ice age could be triggered by several mechanisms that have affected the powerful ocean current, the Gulf Stream, which transports warm water from the equator north to the Atlantic, where it is cooled and sinks down into the cold ocean water under the ice to the bottom and is pushed back to the south. This water pump can be put out of action or weakened by changes in the freshwater pressure, the ice sheet breaking up or shifting sea ice and this results in the increasing climatic variability.

Los cambios bruscos de clima durante la edad de hielo, podrían activarse por varios mecanismos que afectan a la poderosa oceánica a la que se denomona Corriente del Golfo, responsable de transportar el agua caliente desde el ecuador hacia el norte del Atlántico, donde se enfría y se hunde bajo el agua fría bajo el hielo hasta el fondo, retornando de nuevo hacia el sur. Esta bomba de agua se puede quedar  fuera de combate o ser debilitada por los cambios en la presión de agua dulce, la rotura de las  láminas del hielo del ártico, traduciéndose en un aumento de la variabilidad climática.

Natural and human-induced climate changes
The climate during the warm interglacial periods is more stable than the climate of ice age climate.

In fact, we see that the ice age climate is what we call ‘multifractal’, which is a characteristic that you see in very chaotic systems, while the interglacial climate is ‘monofractal’. This means that the ratio between the extremes in the climate over different time periods behaves like the ratio between the more normal ratios of different timescales,” explains Peter Ditlevsen

“De hecho, vemos que el clima en la edad de hielo se comporta más como un multifractales (más caótica y difícil de predecir  que en el caso que como los interglaciares fractales)  mientras que el clima interglaciar es ‘monofractal’. Esto significa que la relación entre los extremos climáticos durante diferentes períodos de tiempo se comportan como la razón entre las proporciones más normales de las diferentes escalas de tiempo”

This new characteristic of the climate will make it easier for climate researchers to differentiate between natural and human-induced climate changes, because it can be expected that the human-induced climate changes will not behave in the same way as the natural fluctuations.

The differences we find between the two climate states also suggest that if we shift the system too much, we could enter a different system, which could lead to greater fluctuations.

Esta propiedad del clima hará que sea más fácil para los investigadores diferenciar entre los cambios climáticos naturales y provocados por el hombre, ya que se puede esperar que los cambios climáticos humanamente inducidos no se comportaren de la misma manera que las fluctuaciones naturales.

“Las diferencias que encontramos entre los dos estados climáticos también sugieren que si alteramos el sistema demasiado, podríamos entrar en patrones de circulación océano-atmósfera diferentes, lo que podría conducir a mayores fluctuaciones.

We have to go very far back into the geological history of the Earth to find a climate that is as warm as what we are heading towards. Even though we do not know the climate variations in detail so far back, we know that there were abrupt climate shifts in the warm climate back then,” points out Peter Ditlevsen.

Debemos retrotraernos millones de años hacia el pasado,  en la historia geológica de la Tierra, para encontrar un clima que es tan caliente como hacia el que nos dirigimos. A pesar de que no conocemos aquellas fluctuaciones climáticas detalladamente, si se ha comprobado que acaecieron enormes cambios climáticos abruptos en el clima cálido de periodos pretéritos

UPDATE: The article is Open Access at Nature Communications
http://www.nature.com/ncomms/2016/160316/ncomms10951/full/ncomms10951.html

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