Simulating the impact of the 11 year solar cycle on climate

Resumen

En la primera parte de esta tesis, se estudia la respuesta atmosférica al ciclo solar de 11 años en un conjunto de simulaciones con el modelo de química clima WACCM3.5 aplicándole diferentes condiciones iniciales. La novedad del estudio está en el realismo de las condiciones de contorno empleadas para la simulación del clima en la época de 1960-2005. Durante picos de actividad solar, el modelo simula un calentamiento y aumento de ozono, que alcanza valores máximos en las capas altas (50 km) y bajas (20 km) de la estratosfera tropical. Durante los inviernos boreales en condiciones de máximo solar, el modelo simula en el hemisferio norte una propagación de anomalía de viento hacia la estratosfera polar y sucesivamente hacia la troposfera, en coherencia el mecanismo propuesto en la literatura a través del cual cambios en la interacción entre ondas y flujo medio amplifican las anomalías de viento zonal y dan lugar a su propagación hacia la baja estratosfera polar durante los meses de invierno. En conclusión, se aporta evidencia a favor de la propagación de la influencia del ciclo solar desde la estratosfera hacia la troposfera y superficie. En la segunda parte de esta tesis, se investiga la viabilidad de la caracterización de la señal del ciclo solar de 11 años mediante métodos de regresión en el análisis de registros limitados, como las observaciones y los datos de satélites. Se encuentra que una fracción importante de la aparente señal solar en temperatura y ozono de la baja estratosfera tropical se debe a dos erupciones volcánicas, cuyas cenizas alcanzaron la estratosfera tropical (El Chichón en 1982, y Pinatubo en 1991). Estas erupciones dan lugar a una señal de 11 años debido a su coincidencia con las fases de máxima actividad solar. Debido a la presencia de otras fuentes de variabilidad, la atribución de la señal de 11 años en un registro de duración limitada, como las observaciones, es complicada. En la alta estratosfera tropical, sólo se necesitan 15 años para una estimación fiable de la señal solar, que consiste en un calentamiento de 0.8 K y un aumento relativo de ozono de 2% en máximos solares, relativo a mínimos del ciclo de 11 años. Sin embargo, en la baja estratosfera tropical, no es posible obtener una estimación robusta de la señal usando una ventana de 25 años. Esto se debe a los efectos de las erupciones de El-Chichón y Mt. Pinatubo. Para una mejor detección de la señal solar en esta región, se necesitan más observaciones de ciclos solares sin erupciones volcánicas.En la última parte de esta tesis, se investiga el impacto de un futuro mínimo de actividad solar bajo condiciones de cambio climático. La debilidad del actual ciclo solar 24 demuestra que el ciclo solar de 11 años está lejos de ser un forzamiento cuasi-periódico. Por lo tanto, repetir los ciclos observados, o el último ciclo 23 para el futuro, como se ha hecho en los modelos del quinto informe del IPCC, no representa un método adecuado para representar la evolución futura del forzamiento solar. Se han realizado simulaciones del periodo 2005-2065 con el modelo WACCM4, con la inclusión del acoplamiento a un modelo de océano. Los resultados muestran que un mínimo solar constante no tendría impacto sobre el calentamiento global de 1.5 K, simulado para el año 2065. Sin embargo, se encuentra un impacto significativo en el clima invernal del hemisferio norte. Un mínimo solar reduciría el calentamiento de las altas latitudes en un 30%, y modularía su distribución espacial. Aunque los cambios relativos a la tendencia de calentamiento global son pequeños y limitados geográficamente, una reducción de la actividad solar tendría impacto en zonas muy sensibles al cambio climático, como el límite del hielo marino en el Estrecho de Bering, y las regiones de tundra y permafrost en la Rusia continental. Los resultados de este estudio tienen implicaciones en la evaluación del impacto del calentamiento global sobre los ecosistemas de las zonas sub-árticas.