El efecto sol-clima: la hipótesis del guardián del invierno (I). La búsqueda de una señal solar

de Javier Vinós y Andy May

“Probablemente ningún subcampo de la meteorología haya tenido tanto esfuerzo como los efectos de la variabilidad solar en el tiempo y el clima. Y ninguno ha tenido tan poco que mostrar por el trabajo de investigación”. Helmut E. Landsberg (1982)

1.1 Introducción

El sol ha sido identificado como la fuente del clima desde los albores de la inteligencia humana y, en consecuencia, el sol fue adorado en muchas culturas antiguas. Las grandes manchas solares son visibles a simple vista cuando el sol está bajo en el horizonte y parcialmente oscurecido por el polvo o el humo. Varios mitos e iconografía sugieren que las culturas antiguas de América, África y Asia conocían las manchas solares; sin embargo, la primera mención escrita de una mancha solar proviene de Theophrastus’ De Signis Testestatum C. 325 a.C. Este primer registro escrito de la variabilidad solar ya estaba ligado a un efecto climático, pues Teofrasto menciona su asociación con la lluvia. Teofrasto es considerado el padre de la botánica y fue alumno de Aristóteles que le sucedió al frente del Liceo cuando Aristóteles, maestro de Alejandro Magno, tuvo que huir de Atenas por el sentimiento anti-macedonio. La mención de Theophrastus de pasada de las manchas solares debe haberse referido al conocimiento común del pasado, ya que vivió durante el gran mínimo solar griego de 390-310 a. C. (Usoskin 2017) y es muy poco probable que alguien en ese momento haya visto una mancha solar con sus ojos desnudos. La mayoría de las observaciones de manchas solares a simple vista que conocemos provienen de China, donde se han encontrado registros a partir del 165 a. El dibujo más antiguo conocido de manchas solares reales es del Chronicon ex crónico por Juan de Worcester, fechado en el manuscrito en diciembre de 1128, durante el gran máximo medieval de actividad solar.

Las auroras son un fenómeno de luz atmosférica que resulta de la interacción del viento solar y el campo geomagnético, generalmente producido entre 10 y 20° de los polos geomagnéticos. Aurora es la diosa romana del amanecer, hermana del Sol y la Luna. Cada mañana, abría las puertas del cielo para que saliera el sol y luego corría por el cielo de la mañana en su carro para alertar de un nuevo día. El nombre de aurora boreal se lo dio Galileo al fenómeno atmosférico en 1619, indicando su dirección norte (boreal). Las auroras se ven ocasionalmente en latitudes medias y rara vez en latitudes bajas, cuando una tormenta geomagnética agranda temporalmente el óvalo de la aurora. Las auroras se han observado desde la antigüedad. Los primeros registros de aurora parecen ser tres tablillas de arcilla asirias c. 660 a. C. (Hayakawa et al. 2019). El profeta Ezequiel también registró una aurora c. 593 aC en la Biblia, y Aristóteles escribió sobre las auroras en su tratado Meteorologica en el 340 a. Sin embargo, la asociación de las auroras con la actividad solar fue imposible de realizar hasta la llegada de la ciencia moderna. Anders Celsius fue el primero en proponer que las auroras estaban vinculadas al campo magnético terrestre en 1733, pero el vínculo solar tuvo que esperar hasta el evento de Carrington de 1859, cuando se produjo la erupción solar detectada por Richard Carrington y Richard Hodgson que provocó una gran perturbación geomagnética. fue seguida por la aurora boreal más intensa y de menor latitud en la historia registrada. Se utilizan registros históricos de auroras desde la antigüedad, junto con registros históricos de manchas solares a simple vista, para estudiar la actividad solar pasada.

La invención del telescopio en 1608 pronto fue seguida por múltiples observaciones telescópicas de manchas solares. Los primeros registros corresponden a Thomas Harriot en 1610, y la primera publicación a Johannes Fabricius en 1611 (Vázquez & Vaquero 2009). Galileo Galilei y Christoph Scheiner llevaron a cabo observaciones sistemáticas de las manchas solares en 1612 y ambos se dieron cuenta de que nunca estaban lejos del ecuador solar y giraban con el sol. Las observaciones telescópicas de manchas solares llegaron justo a tiempo para registrar el gran mínimo solar de Maunder (GSM) desde alrededor de 1645 hasta 1715. Desde entonces, no ha tenido lugar ningún otro GSM, ya que el Mínimo de Dalton no era un GSM (Usoskin 2017).

Los antiguos egipcios conocían al menos una estrella variable hace tres milenios. Ahora hay evidencia de que el Calendario de El Cairo, fechado entre 1244 y 1163 a. C., registra, como días de suerte y de mala suerte, el período de la estrella binaria eclipsante Algol, asociada con el dios egipcio Horus (Jetsu & Porceddu 2015). Algol fue la segunda estrella variable descrita por los astrónomos modernos en 1669. Fue precedida por el descubrimiento de que Mira estaba pulsando con un período de 11 meses por Johannes Holwarda en 1638. El número de estrellas variables conocidas creció lentamente hasta c. 1850 cuando se aceleró, y particularmente desde la introducción de la astrofotografía en la década de 1880. El Catálogo General de Estrellas Variables de 2017 (versión GCVS 5.1) contiene datos de 52.011 estrellas variables. Actualmente, el sol se considera una estrella variable con una variación muy leve de un milimagnitud. Más del 80 % de las estrellas similares al Sol muestran una variabilidad como la del Sol (Connolly et al. 2021).

Figura 1.1

Figura 1.1. Monumentos históricos del sol y el clima.
Actividad solar desde 1600 según Usoskin et al. 2021 (Fig. 8), y Wu et al. 2018 para el 20el siglo, en unidades Weber abiertas de flujo solar. Se indican algunos hitos en el estudio del efecto sol-clima. 1608, invención del telescopio. 1801, hipótesis del clima y las manchas solares de Herschel. 1843, descubrimiento del ciclo solar por Heinrich Schwabe. 1968, descubrimiento de Roger Bray del ciclo de actividad solar de 2500 años asociado con un ciclo climático de 2500 años. 1974, Colin Hines propone un mecanismo sol-clima mediado por ondas planetarias. 1976, artículo histórico de John Eddy sobre el Mínimo de Maunder. 1986, Karin Labitzke descubre el primer efecto sólido del sol y el clima en la atmósfera polar durante los inviernos. 1996, propuesta de Joanna Haigh del mecanismo sol-clima “de arriba hacia abajo”. 2022, propuesta de la hipótesis del mecanismo sol-clima “Winter Gatekeeper”.

1.2 William Herschel, Heinrich Schwabe y el frenesí temprano del sol y el clima

Con la llegada del telescopio y el interés por las manchas solares, surgió la especulación de que los cambios en el número de manchas solares y los cambios en el clima estaban relacionados, como sugirió Teofrasto en el 325 a. El astrónomo jesuita italiano Giambattista Riccioli y el astrónomo mexicano José Antonio Alzate hicieron la misma sugerencia en 1651 y 1784 respectivamente.

Músico, compositor, matemático, astrónomo y el mejor constructor de telescopios de su tiempo, el descubridor de Urano y la radiación infrarroja, William Herschel fue el primero en proponer que el sol era una estrella variable y que las manchas solares reflejaban cambios en la actividad solar que tenían un efecto sobre el clima En un artículo presentado en 1801 en la Royal Society dijo:

“Ahora estoy muy inclinado a creer que… [abundant sunspots], puede hacernos esperar una copiosa emisión de calor, y por tanto estaciones suaves. Y que por el contrario,… la ausencia de… [sunspots]denotará una emisión de calor adicional, puede inducirnos a esperar temporadas severas” (Herschel 1801).

Es interesante que Herschel también fue el primero en relacionar correctamente más manchas solares con mayores emisiones solares, a diferencia de todos los observadores anteriores y casi todos los que lo siguieron hasta el 20el siglo. Luego procedió a relacionar el precio del trigo desde 1650, obtenido de Adam Smith’s La riqueza de las naciones, a las primeras cuentas de manchas solares, encontrando una correspondencia. La proposición de Herschel de esta correspondencia es probablemente incorrecta. Él mismo advirtió que probablemente el criterio no era real ya que el precio de las materias primas también está regulado por su demanda, pero la falta de registros de temperatura no le dejaba otro método. La figura 1.2 muestra que la producción de granos es una mejor opción, como era de esperar. La gran mortalidad de la hambruna de 1317 y la Peste Negra de 1346 que mató a un tercio de la población europea resultó en una disminución de la demanda que mantuvo bajos los precios de los cereales a pesar de la caída de la producción durante el Mínimo de Spörer c. 1400-1500.

La propuesta de sol y clima de Herschel fue recibida con burla. Lord Brougham se burló y lo llamó “un gran absurdo” y siguió diciendo que “Desde la publicación del viaje de Gulliver a Laputa nunca se ha ofrecido nada tan ridículo al mundo” (Revisión de Edimburgo 1803).

Figura 1.2

Figura 1.2. El efecto de los cambios climáticos de la Pequeña Edad de Hielo en las sociedades humanas de Europa.
a) La reconstrucción de la actividad solar muestra los mínimos solares de Wolf, Spörer, Maunder y Dalton. Después de Wu et al. (2018). La regresión cuadrática (línea delgada) sigue el cambio a largo plazo en la actividad solar. b) Precio del trigo en florines holandeses por 100 kg (invertido), para Francia (línea continua), Inglaterra (línea discontinua) y Alemania (línea discontinua). Después del Cordero (1995). c) Tres cultivos principales de rendimiento neto de grano por acre en Inglaterra, con datos anuales (línea delgada) y tendencia a largo plazo (línea gruesa). Según Campbell & Ó Gráda (2011). d) Crecimiento de la población del hemisferio norte en %. Después de Zhang et al. (2011). Los recuadros inferiores identificaron los períodos considerados como crisis de los siglos XIV y XVII por historiadores Las barras verticales (ACE, evento climático abrupto) son períodos de deterioro climático. Después de Vinós (2022).

Las observaciones solares detalladas de Herschel podrían haber revelado el ciclo solar de 11 años, excepto que tuvieron lugar durante el Mínimo de Dalton. Ese descubrimiento tuvo que esperar a Heinrich Schwabe que buscaba un hipotético planeta dentro de la órbita de Mercurio, llamado Vulcano, propuesto por muchos astrónomos de la época. Durante 17 años (¡solo un período y medio!) hizo observaciones solares detalladas tratando de distinguir un tránsito de Vulcano entre las manchas solares. Publicaba sus observaciones solares todos los años, y en 1843 informó:

“De mis observaciones anteriores, que he informado cada año en esta revista, parece que hay una cierta periodicidad en la aparición de manchas solares y esta teoría parece cada vez más probable a partir de los resultados de este año. … Si se compara el número de grupos con el número de días en que no se ven manchas, se encuentra que las manchas solares tienen un período de unos 10 años, y que durante cinco años de este período aparecen con tanta frecuencia que durante ese tiempo hay muy pocos o ningún día en que no se vean manchas en absoluto” (Schwabe 1843).

La idea de Schwabe atrajo poca atención hasta la inclusión de sus datos de manchas solares en la obra monumental de Alexander von Humboldt de 1851. Kosmos. Luego, cuatro astrónomos, incluido Rudolf Wolf, director del observatorio de Berna, notaron que los cambios periódicos en las pequeñas fluctuaciones diarias del campo geomagnético se correspondían en período y época con el ciclo de manchas solares descrito por Schwabe. Rudolf Wolf comenzó entonces un estudio sistemático de las variaciones solares que dieron origen al registro de manchas solares. Heinrich Schwabe, a pesar de no encontrar a Vulcano (se encuentra en el sistema estelar triple de los 40 Eridani, según Star Trek), recibió la Medalla de Oro de la Royal Astronomical Society en 1857.

El descubrimiento del ciclo solar desencadenó un frenesí por encontrar periodicidades de 11 años en cualquier registro meteorológico. En la década de 1860, solo se publicaron tres artículos sobre la conexión entre el sol y el clima. La siguiente década fueron más de cien (Hoyt & Schatten 1997), y en las siguientes décadas continuaron multiplicándose. En 1958, la Sociedad Meteorológica Estadounidense incluyó en su bibliografía 1278 artículos sobre las relaciones entre el clima y el sol. La mayoría de los estudios de sol y clima entre 1870 y 1920 coincidieron en que había una correlación negativa entre las manchas solares y las temperaturas en la mayoría de los lugares donde se podía encontrar una buena correlación.

De este período destacan los estudios de Wladimir Köppen. Köppen estableció un sistema de clasificación climática aún en uso e hizo contribuciones sustanciales a varias ramas de la ciencia. Fue uno de los científicos climáticos más destacados de su tiempo y, junto con su yerno Alfred Wegener, prestó un apoyo crucial a la teoría de Milankovitch. Los estudios de clima solar de Köppen fueron rigurosos. Su artículo de 1873 sobre el período de temperatura de once años fue el más completo hasta ese momento y publicó una actualización en 1914. Concluyó que el sol causa una periodicidad en la temperatura de la superficie de la Tierra, no solo en muchos lugares sino también en escala hemisférica y global. En ese momento, los pequeños cambios en CO2 los niveles no podrían haber sido la causa de los cambios climáticos detectados por Köppen.

A principios de siglo, el consenso era que no había duda de que los ciclos solares de 11 y 22 años se correlacionaban negativamente con la temperatura de la superficie en la mayoría de los lugares e incluso a nivel hemisférico y global, mostrando una correlación positiva con la precipitación en latitudes bajas y altas y una negativo en latitudes medias. En 1903 Nordmann declaró: “La temperatura media terrestre exhibe un período sensiblemente igual al de las manchas solares; el efecto de las manchas es disminuir la temperatura media terrestre, es decir, la curva que representa las variaciones de esta es paralela a la curva inversa de la frecuencia de las manchas solares.” (Hoyt y Schatten 1997).

1.3 La constante solar y el subcampo desacreditan

La cantidad de energía solar que llega a la Tierra, o irradiancia solar total (TSI), comenzó a medirse con la invención del pirheliómetro por Claude Poillet en 1837. La precisión de los datos durante el siglo XIX era pobre debido a la falta de fiabilidad de los primeros instrumentos y la falta de estandarización adecuada en las primeras mediciones. A pesar de estas deficiencias, los astrofísicos de la época notaron que las variaciones en TSI deberían ser muy pequeñas, dando origen al concepto de constante solar. En 1878 Samuel Langley inventó el bolómetro y en 1890 se convirtió en director del Observatorio Astrofísico Smithsonian. Con la ayuda de Charles Abbot, quien lo sucedió en 1906, establecieron un programa para determinar las variaciones solares constantes con estaciones ubicadas en los picos de las montañas en los EE. UU. y Chile. Los datos de 1923 a 1954 mostraron pequeñas variaciones asociadas al ciclo solar de 0,02 a 0,25 % y un controvertido aumento de 0,2 % durante el período de 31 años. Charles Abbot estaba convencido de la conexión sol-clima, y ​​después del final del programa escribió en el primer número del ahora llamado Solar Energy Journal que: «Como la radiación solar y el clima parecen verse afectados por períodos idénticos de variación, es probable que los cambios climáticos sean producidos por la variación solar». Luego procedió a comparar los pronósticos solares de precipitación y temperatura en St. Louis y Peoria con datos meteorológicos reales de 1854 a 1939, como evidencia de su tesis (Abbot 1957). Sin embargo, reconoció la dificultad de atribuir cambios climáticos significativos a variaciones tan pequeñas en la constante solar, reconociendo que la opinión general estaba en contra de su hipótesis.

El consenso de la época había pasado de apoyar la conexión sol-clima a principios del siglo XXel siglo a rechazarlo a mediados de siglo. El cambio no ocurrió por una mejor determinación de la constante solar, que en ese momento todavía podía acomodar una variabilidad importante, sino por algo que sucedió alrededor de 1920. Todas esas correlaciones estadísticamente significativas que los mejores científicos de la época, como Wladimir Köppen, había encontrado en unas siete décadas de datos meteorológicos (c. 1840-1910), comenzaron a fallar alrededor de 1920, o peor aún, se invirtieron, algo que nadie podía explicar. La situación se volvió muy confusa, algunos autores afirmaban una correlación positiva, otros una correlación negativa y otros ninguna correlación. Se propusieron hipótesis elaboradas, que indicaban un paradigma problemático, y todo el subcampo cayó en descrédito. En 1950, muchos consideraban que el estudio de las relaciones entre el sol y el clima era una actividad indigna para un meteorólogo (Hoyt y Schatten, 1997), y Abbot reconoció este estado en su artículo de 1957.

Figura 1.3

Figura 1.3. Gráfico de algunas inversiones de correlación (R) y fallas (F) para variables meteorológicas y manchas solares seleccionadas. De Herman y Goldberg 1978.

El momento de la inversión del signo en varias correlaciones sol-clima tendió a agruparse entre 1920 y 1930 (Fig. 1.3). Correlación de temperatura invertida, así como muchas otras variables meteorológicas, como la precipitación, los vientos, la ubicación preferencial de la baja islandesa y la fuerza del monzón indio. Aunque las inversiones de los signos no pudieron explicarse, sugirieron una relación entre el sol y el clima, pero no una basada en los cambios de TSI, ya que la relación entre las emisiones solares y la actividad de las manchas solares no se invierte. Esta importante conclusión se le escapó a la mayoría de los investigadores del clima en ese momento y se les escapa a muchos de ellos hoy. A principios del 20el Siglo, los cambios climáticos eran desconocidos, pero hoy se sabe que c. En 1924 se produjo un cambio de régimen en el Pacífico de una Oscilación Decadal del Pacífico fría a una cálida (Mantua & Hare 2002). Este cambio tuvo lugar justo después del mínimo solar de 1923 y resultó en el calentamiento global (principios del 20el calentamiento del siglo), a pesar de que la actividad solar estuvo por debajo del promedio hasta 1934.

Figura 1.4

Figura 1.4. Una inversión de la correlación sol-precipitación c. 1800 reportados en 2005.
c) Cambio en la atmósfera 14C como indicador inverso de la actividad solar. W, S, M, D, corresponden a los mínimos de Wolf, Spörer, Maunder y Dalton. d) Niveles del lago Victoria deducidos de diatomeas de aguas poco profundas (SWD) en un núcleo. e) Niveles del lago Naivasha (Kenia) en metros. La línea vertical punteada y la flecha marcan una inversión del clima solar durante el mínimo de manchas solares de Dalton. De Stager et al. 2005.

Según Hoyt y Schatten (1997), las correlaciones entre la temperatura del sol han cambiado de signo varias veces durante los últimos 400 años y han sido negativas entre 1600-1720 y 1800-1920, y positivas entre 1720-1800 y 1920 y el presente. La inversión de 1800 se ilustra en la figura 1.4.

1.4 Roger Bray, John Eddy y el renacimiento de la década de 1970

Mientras el subcampo sol-clima caía en descrédito, se estaban plantando las semillas para su renacimiento. Andrew Douglass era un astrónomo que había sido despedido por Percival Lowell en 1901 por su escepticismo sobre la naturaleza artificial de los canales marcianos. A lo largo de toda su carrera, Douglass estuvo convencido del efecto del sol y el clima, y ​​en 1904 notó una correlación entre el ancho de los anillos de los árboles en Arizona, relacionado con las condiciones de precipitación y las manchas solares. Siguiendo esta relación, desarrolló el nuevo subcampo de la dendrocronología durante los siguientes 40 años, el único método preciso para datar estructuras antiguas hasta el advenimiento de la datación por radiocarbono. Douglass estudió los anillos anuales de los árboles en relación con el clima y la actividad solar y fue el descubridor del ciclo solar centenario (nombrado por él como el ciclo solar triple-triple). No lo encontró en los registros de manchas solares, sino en su efecto climático sobre el crecimiento de los anillos de secuoyas (Douglass 2019). Es el único caso de un ciclo solar identificado por primera vez en el registro paleoclima.

Willard Libby desarrolló la datación por radiocarbono a fines de la década de 1940. Para que el método fuera preciso, era esencial saber cómo la atmósfera 14C/12La relación C había cambiado con el tiempo. Los científicos tuvieron que construir una curva de calibración (IntCal) a partir de anillos de árboles fechados con precisión mediante el método dendrocronológico de Douglass, para transformar las proporciones de radiocarbono en edades de calendario. Hans Suess en California y Minze Stuiver en Arizona estuvieron entre los que lideraron el esfuerzo. En 1961, Stuiver fue el primero en sugerir que la atmósfera 14Las variaciones de C que duraron unos pocos siglos o menos se debieron a la modulación solar de los rayos cósmicos. 14Producción de C en la atmósfera superior (Stuiver & Quay 1980). De repente, el sol parecía ser más variable durante largos períodos de tiempo de lo que indicaban las mediciones constantes solares recientes.

Este hallazgo abrió la puerta al uso de la recientemente reconstruida 14C cambia para estudiar la variabilidad solar y su relación con los cambios climáticos en el pasado lejano. A partir de 1963, y basado en sus estudios glaciológicos y botánicos, Roger Bray propuso que existía una estrecha relación entre la actividad solar y el clima durante los últimos siglos y milenios. En 1968 identificó el ciclo solar y climático de 2500 años que recientemente lleva su nombre (Vinós 2016). Este largo ciclo solar es el más importante, en términos de efecto climático, durante el Holoceno. El mínimo más reciente en el ciclo solar de Bray, durante 1388-1834 (Bray 1968), coincidió con la Pequeña Edad de Hielo (LIA) descubierta por François Matthes en 1939. Roger Bray propuso por primera vez que la LIA tenía una causa solar. Durante las décadas de 1960 y 1970, Roger Bray publicó 14 artículos en Nature and Science que relacionaban la variabilidad solar y la actividad volcánica con el cambio climático, pero como era un botánico que investigaba el clima independientemente de Nueva Zelanda y estaba alejado de otros científicos del clima solar, no se le atribuyó el mérito. sus hallazgos injustamente. Su ciclo recibió el absurdo nombre de “Hallstatt” por Paul Damon y Charles Sonnet (Damon & Sonnet 1991), a pesar de conocer el trabajo de Bray.

En 1974, Robert Currie publicó un estudio de 226 estaciones meteorológicas en todo el mundo, que en 1993 se actualizó utilizando 1.200 estaciones estadounidenses. Usando nuevos métodos estadísticos recién desarrollados, encontró una señal solar de 10,5 y una lunar de 18,9 en muchos de ellos, pero interpretó que los efectos locales podrían enmascarar la señal regional en algunas estaciones. Curiosamente, detectó que las estaciones al Este de las Montañas Rocosas mostraban una correlación positiva entre la actividad solar y la temperatura, mientras que las estaciones al Oeste de las Montañas Rocosas mostraban una negativa (Currie 1993), un efecto no muy diferente de la inversión de la señal en la correlación observada en la década de 1920 En 1980, Currie detectó una señal de ciclo de manchas solares de 11 años en la rotación de la Tierra. No fue el primero en hacerlo después de la invención del reloj atómico, pero dado que los efectos solares en la Tierra son tan controvertidos (probablemente debido a la falta de un mecanismo aceptado), el efecto de rotación Sol-Tierra se ha «descubierto» de forma independiente varias veces. la última vez en 2010, y sigue siendo ignorada.

Sin embargo, el primer mecanismo viable para el efecto sol-clima fue sugerido por Colin Hines en 1974. Un año antes, Wilcox et al. (1973) descubrieron que la estructura del sector del campo magnético solar afectaba el área promedio de las vaguadas de baja presión durante el invierno en el hemisferio norte a una altitud de 300 mb (aproximadamente 30 000 pies o 9 100 metros). Hines (1974) se mostró escéptico ante cualquier efecto sol-clima, pero sugirió que las ondas planetarias sujetas a una reflexión variable en la atmósfera superior pueden inducir patrones de interferencia variables en la atmósfera inferior. Estos podrían constituir un posible candidato para el efecto, si fuera real.

Un artículo de amplia circulación de Joe King (1975) hizo mucho para popularizar el renovado interés en las relaciones sol-clima al presentar una gran variedad de evidencia y concluyó que:

“La evidencia acumulada es tan convincente que ya no es posible negar la existencia de fuertes conexiones entre el clima y los cambios de radiación”.

Preparó el escenario para el artículo histórico de John Eddy en Science un año después. Eddy sacó a la luz el hallazgo olvidado de Gustav Spörer y Edward Maunder de que durante el período 1645-1715 el sol se comportó de una manera muy inusual y mostró muy pocas manchas solares. Eddy, muy interesado en la historia de la astronomía, apoyó su hallazgo con observaciones de manchas solares a simple vista, observaciones de auroras, observaciones de eclipses y 14Datos C (Eddy 1976). El artículo de Science sobre el Mínimo de Maunder se hizo muy popular. Eddy siguió con varios artículos sobre la relación sol-clima durante los últimos 7500 años (Fig. 1.5).

Figura 1.5

Figura 1.5. Interpretación de la relación sol-clima durante los últimos 7500 años por John Eddy.
a) Esquema 14Variabilidad C que muestra 18 desviaciones de lo normal. Los números 2 y 3 corresponden a los mínimos de Maunder y Spörer. b) Interpretación envolvente a largo plazo del ciclo solar basada en 14datos C. c) Estimaciones climáticas. G1, glaciares alpinos; G2, Glaciares en todo el mundo; T, temperatura de Inglaterra; W, Severidad invernal para el área de París-Londres. De Eddy 1977.

George Siscoe revisó con optimismo la década dorada de la investigación del sol y el clima en la década de 1970 (Siscoe 1978), citando tres avances importantes. Los de Wilcox y Eddy, y los estudios que vinculan la sequía en el suroeste de América del Norte con el ciclo magnético solar Hale de 22 años. Pero mientras el subcampo sol-clima estaba nuevamente lleno de actividad, avanzó con reuniones muy concurridas, dada su naturaleza interdisciplinaria y controvertida, todavía fue criticado. Barrie Pittock publicó una mirada crítica a 140 artículos sobre el sol y el clima (Pittock 1978) y concluyó “que a pesar de una literatura masiva sobre el tema, en la actualidad hay poca o ninguna evidencia convincente de correlaciones estadísticamente significativas o útiles en la práctica entre los ciclos de manchas solares y el tiempo o el clima”.

1.5 Calentamiento global de la década de 1980 y la segunda desaparición del sol y el clima

En la década de 1980, el renacimiento del clima solar de las décadas de 1960 y 1970 se quedó sin energía debido a las mejoras en las mediciones de la constante solar. Los radiómetros de cavidad se equiparon por primera vez en el experimento Earth Radiation Budget a bordo del satélite Nimbus 7 en noviembre de 1978. El experimento Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor (ACRIM) comenzó con la Solar Maximum Mission en febrero de 1980. Por primera vez, los valores constantes solares alcanzaron la precisión de dos decimales de un porcentaje. Se determinó que la disminución de la constante solar desde el máximo del ciclo solar de 1980 hasta el mínimo de 1986 fue del 0,15 %, o 2 W/m2. Pero ya en 1982 se había determinado que la variación anual era de sólo 0,02%. La gran mayoría de los investigadores creía que solo los cambios en la energía total podían afectar el clima, para ellos un cambio de ± 0,07% no podía producir efectos significativos. Quienes defendían la idea de que pequeños cambios solares podían actuar sobre las inestabilidades atmosféricas que amplificaban su efecto climático no estaban de acuerdo para explicar cómo podían hacerlo en una atmósfera intrínsecamente inestable.

En 1980, Nastrom y Belmont parecían haber identificado cómo actuaba el efecto sol-clima. Utilizando datos de radiosondas de 174 estaciones en el hemisferio norte durante el período 1949-1973, descubrieron que los vientos troposféricos mostraban una señal solar clara. Descubrieron que la velocidad del viento y la temperatura respondían al ciclo solar y que el efecto era máximo cerca de la tropopausa durante el invierno (Nastrom y Belmont 1980). En 1983 los mismos autores declararon su resultado estadísticamente insignificante después de más pruebas (Venne et al. 1983). También en 1980 Minze Stuiver, la autoridad en datación por radiocarbono que había iniciado reconstrucciones pasadas de la actividad solar en 1961, publicó un influyente artículo en Nature comparando los nuevos datos detallados 14Reconstrucción de la variabilidad C y varios registros climáticos prolongados (Stuiver 1980). Llegó a la conclusión de que los períodos de baja actividad solar como el Mínimo de Maunder habían tenido lugar varias veces durante los últimos 6.000 años y que una relación entre la serie climática y la 14C registro derivado de la actividad solar para el último milenio no pudo ser establecido.

El artículo de Minze demolió el trabajo de John Eddy. Dos años más tarde, Eddy certificó la muerte de los estudios sobre el sol y el clima como ciencia convencional:

“Las mediciones de las naves espaciales han establecido que la producción radiativa total del Sol varía en un nivel de 0,1 a 0,3 %. … Se puede esperar que tales cambios perturben la temperatura de la superficie terrestre en una fracción de grado centígrado y se ha encontrado evidencia probable de esta señal inducida por la energía solar. El efecto, aunque importante en términos de comprensión del sistema climático, es demasiado pequeño para ser significativo en las predicciones meteorológicas o climáticas prácticas”. (Eddy y col. 1982).

Como dice el viejo proverbio: «Engáñame una vez, qué vergüenza, engáñame dos veces, qué vergüenza». Los investigadores del clima solar se habían quemado dos veces, en las décadas de 1920 y 1980; no debería volver a suceder. El subcampo cayó en absoluto desprestigio. Nada con las palabras “solar” y “clima” en la misma frase debía volver a tomarse en serio. El momento era perfecto para el CO2 hipótesis del cambio climático, ya que el calentamiento global comenzó por segunda vez en el 20el siglo y esta vez podría atribuirse únicamente a CO2 cambios. No podía ser el sol y quien lo sugiriera se enfrentaba al ridículo ya una carrera insignificante. Ha llegado a un punto en el que incluso los efectos solares claros sobre la rotación de la Tierra o sobre El Niño/Oscilación del Sur son meticulosamente ignorados.

Figura 1.6

Figura 1.6. La actividad solar ha ido en aumento desde las profundidades de la Pequeña Edad de Hielo.
La duración de cada ciclo solar debe tenerse en cuenta al comparar la actividad solar. Arriba, la suma de las manchas solares de cada año del ciclo se divide por la cantidad de años del ciclo, y el promedio de manchas solares de 1700-2020 se resta del resultado. El resultado se muestra como un gráfico de barras con un ancho de barra proporcional a la duración del ciclo. Línea es la línea de tendencia de regresión lineal. Abajo, número internacional anual de manchas solares de WDC-SILSO. El período 1934-2008 es el período de 75 años con mayor actividad solar en al menos 700 años, ya que sabemos que la actividad solar fue muy baja durante la LIA desde c. 1270. Este período recibe el nombre de máximo solar moderno. La estrecha correspondencia en el tiempo entre el período de 75 años de mayor actividad solar y el período de 75 años de mayor calentamiento global (1925-2000) en 700 años es poco probable que sea una coincidencia y merece una investigación exhaustiva que no se está llevando a cabo. De Vinos 2022.

El cambio fue completo para aquellos que deseaban continuar sus carreras. Wilcox, Svalgaard y Scherrer habían publicado en 1976 “Sobre la realidad de un efecto solar-meteorológico” (Wilcox y col. 1976). Estuvieron cerca de resolver el problema. Estaban en la parte correcta del planeta (los extratrópicos del Hemisferio Norte), en el lugar correcto (la troposfera superior-estratosfera inferior), en el momento correcto del año (durante el invierno), observando la variable correcta (presión), y ver un efecto claro. El hecho de que el efecto sol-clima sea más fuerte en las latitudes árticas durante el invierno es una confirmación más de lo que podría deducirse de la inversión de las correlaciones sol-tiempo: el sol no puede afectar el clima invernal del Ártico a través de cambios en TSI porque no hay irradiación solar durante el invierno. noche polar, y allí no importa cuán pequeños o grandes sean los cambios de TSI para un sol que no brilla. Se requiere la existencia de un mecanismo diferente.

Colin Hines (1974) ya había identificado el mecanismo sol-clima basado en Wilcox et al. resultados; era la propagación diferencial y la reflexión de ondas planetarias debido a cambios en la velocidad del viento zonal. Los mismos cambios identificados por Nastrom y Belmont y posteriormente descartados. Pero Wilcox et al. se alejó. Perdieron la oportunidad de encontrar pruebas de un efecto del sol y el clima en esta búsqueda climatológica de 200 años. Ese honor sería para una mujer más interesada en la ciencia que en su carrera o reputación. Wilcox, et al. El coautor Leif Svalgaard ha dedicado sus últimos años a refutar enérgicamente cualquier sugerencia de que la variabilidad solar pueda haber contribuido al calentamiento global moderno y a promover incansablemente un cambio controvertido en el registro de manchas solares que respalda mejor sus puntos de vista.

1.6 Karin Labitzke y la no aclamada primera prueba sólida de una señal solar

En 1982, el National Research Council publicó una monografía sobre “Variabilidad solar, tiempo y clima”. Se lee como un certificado de defunción del subcampo. Incluye artículos de James Holton y Barrie Pittock, entre otros, bajo la dirección de John Eddy. James Holton, uno de los principales expertos en la atmósfera, analizó los posibles mecanismos físicos para un efecto sol-clima a través de un acoplamiento dinámico entre la estratosfera y la troposfera en una luz negativa (Holton 1982). Al considerar el mecanismo de Hines (1974), Holton admitió que los cambios en el flujo estratosférico relacionados con la variabilidad solar podrían alterar la reflexión/absorción de las ondas planetarias y, a través de la interferencia de las ondas, producir efectos en la troposfera. Para él, este mecanismo proporcionó un posible vínculo entre la variabilidad solar y el tiempo y el clima troposféricos, que podría ser significativo a pesar de la enorme diferencia de energía entre la entrada solar y la respuesta climática. Sin embargo, concluyó que el mecanismo era especulativo.

Dos años antes, Holton y Tan (1980) habían publicado un artículo seminal en el que descubrieron que los vientos estratosféricos ecuatoriales, a pesar de girar alrededor de la Tierra a gran altura sobre el ecuador, modulaban la circulación global. Estos vientos se conocen como la Oscilación Cuasi-Bienal (QBO) porque alternan entre dirección este y oeste con una cuasi-periodicidad ligeramente superior a dos años. El efecto del QBO en la circulación del Hemisferio Norte descubierto por Holton y Tan fue alterar el geopotencial medio (presión) en el polo durante el invierno a través de ondas planetarias. Este hallazgo debería haber suscitado todo tipo de preguntas sobre la posible implicación de la actividad solar, ya que estaba claramente relacionado con el de Wilcox et al. hallazgos e involucró el mecanismo de ondas planetarias de Colin Hines, pero en ese momento una explicación solar era (todavía es) inaceptable para la mayoría de los académicos. Durante el invierno, fuertes vientos del oeste rodean la región polar atrapando un centro de baja presión de aire frío, formando un fuerte vórtice polar. La modulación del vórtice del polo norte por parte del QBO es tan importante que recibió el “Efecto Holton-Tan” nombre. Curiosamente, la modulación del geopotencial del polo norte por el QBO solo fue significativa durante la temporada de invierno, cuando el viento zonal medio es del oeste y hay ondas planetarias que se propagan verticalmente. Holton y Tan tuvieron que introducir la condición de las ondas planetarias porque en ciertos momentos se rompía la correlación.

Karin Labitzke (1987) notó que la correlación entre el vórtice polar y el QBO se rompía a veces durante la fase occidental del QBO, pero solo cuando la actividad solar estaba cerca de su máximo cíclico. Decidió segregar los datos sobre las temperaturas polares estratosféricas según la fase QBO. La muy baja correlación entre la actividad solar y las temperaturas polares, cuando se consideran todos los datos, se vuelve muy alta usando los datos segregados (Fig. 1.7). Después de 186 años, Labitzke había resuelto la búsqueda iniciada por William Herschel en 1801. En un artículo de seguimiento con Harry van Loon (Labitzke & van Loon 1988) ampliaron el estudio sobre el efecto solar en la presión y temperatura atmosféricas invernales al hemisferio norte. troposfera. Una de las principales conclusiones de este trabajo es que la señal del QBO en la estratosfera extratropical se fortaleció en los mínimos solares y se debilitó en los máximos solares. El hecho de que la orientación QBO invierta el efecto solar de un signo a su opuesto no es diferente a otras inversiones de signo de correlación en el efecto sol-clima, y ​​una tercera indicación de que el efecto no puede ser mediado por cambios en TSI.

En Peixoto y Oort (1992) indispensable Física del Clima Los hallazgos del manual Labitzke y van Loon fueron debidamente evaluados. Después de declarar que es la evidencia estadística más convincente de una relación solar-clima encontrada, continúan:

“Incluso en la superficie terrestre, las correlaciones entre la actividad solar y la presión a nivel del mar o la temperatura de la superficie… son inusualmente altas y parecen explicar una fracción importante de la variabilidad interanual total en la circulación invernal” (Peixoto & Oort 1992).

Sin embargo, el final de Labitzke de la búsqueda de 186 años de un efecto sol-clima, iniciada por William Herschel en 1801, no podría haber llegado en un momento más inconveniente. El calentamiento global ya fue atribuido al CO2 y el dogma científico estaba completamente en contra de su hallazgo, ya que todos los estudios sobre el sol y el clima habían sido desacreditados. James Holton dijo:

“Superficialmente, no puedo encontrar nada malo en ello, pero no hay absolutamente ninguna base física, y eso me molesta. Estas personas tienen la correlación más alta que he visto, pero si fuera un apostador, apostaría en contra”. (Kerr, 1987).

Había encontrado una clara y efecto indiscutible de la actividad solar sobre el clima. No se puede discutir, pero se puede ignorar. E iba a ser ignorado como una rareza con poco efecto práctico y sin lugar en la comprensión del clima moderno.

Figura 1.7

Figura 1.7. El hallazgo de Karin Labitzke en 1987 de un efecto sol-clima.
A) Falta de correlación entre la temperatura de la estratosfera del Polo Norte en invierno y la actividad solar (flujo solar de 10,7 cm) cuando se consideran los datos de todos los años. B) Clara correlación positiva cuando solo se consideran los años de la fase oeste de QBO. No se muestra la clara correlación negativa cuando solo se consideran los años de la fase este de QBO. De Kerr 1987.

1.7 Consecuencias

El consenso científico sobre un importante efecto sol-clima pasó de estar en contra, antes de 1850, a estar a favor entre las décadas de 1860 y 1920, negativo entre las décadas de 1920 y 1960, positivo nuevamente en las décadas de 1960 y 1970, y luego negativo desde la década de 1980. Solo demuestra que el consenso científico no tiene cabida en la ciencia. Las opiniones de los científicos no son ciencia. Sólo la evidencia constituye la ciencia. Aunque la evidencia puede ser descartada o ignorada, permanece, esperando el momento en que será debidamente revaluada.

La caída del subcampo sol-clima a principios de la década de 1980 desalentó más investigaciones sobre cómo la variabilidad solar afecta el clima. El fortalecimiento de la CO apoyada políticamente2 hipótesis del cambio climático convirtió el subcampo en una zona muerta científica. Solo un puñado de investigadores decidió pagar el alto precio de reputación y carrera de perseguir este interés de investigación. El difícil tema de investigación de la relación sol-clima experimentó escasos avances entre 1870 y 1980, considerando la cantidad de trabajo de investigación invertido. Convertirlo en un campo de mala reputación después de 1980 ha resultado en un progreso más lento a pesar de los rápidos avances en climatología en las décadas posteriores.

A pesar de estas dificultades, a medida que los modelos intentan reproducir fenómenos reales y el reanálisis se alimenta con datos climáticos reales, el efecto sol-clima sigue apareciendo, desafiando los intentos de golpear un topo para mantenerlo enterrado. En 1996, Joanna Haigh mostró en un artículo histórico en Science que los cambios en la circulación atmosférica, reproducidos débilmente en los modelos, tenían un claro origen solar (Haigh 1996). Los cambios en el ozono tropical parecían ser críticos para el efecto en el modelo. Pronto quedó claro que los cambios en TSI durante el ciclo solar no involucraban suficiente energía para explicar los efectos climáticos observados. Entonces, se asumió que algún tipo de mecanismo amplificador era el responsable. Aunque los modelos climáticos no incluían la estratosfera hasta hace poco, Haigh desarrolló lo que se conoce como el “Mecanismo de arriba hacia abajo” para amplificar el efecto solar sobre el clima (Fig. 1.8).

Figura 1.8

Figura 1.8. Mecanismo de arriba hacia abajo para amplificar el efecto solar sobre el clima.
La radiación UV solar actúa sobre la capa de ozono en la estratosfera aumentando su temperatura (T) y la cantidad de ozono (O3). El cambio de temperatura altera el gradiente de temperatura latitudinal y, a través del equilibrio del viento térmico, afecta los vientos zonales medios zonales (ΔU). El cambio en los vientos zonales altera las propiedades de la atmósfera para propagar ondas planetarias. El efecto crea una divergencia anómala (>0) del flujo de Eliassen-Palm (F) proporcional a la vorticidad del potencial de remolino, cambiando la deposición de momento y energía cinética. La fuerza del vórtice polar (no mostrado) depende de esos cambios, impulsando cambios en la Oscilación Ártica (AO), la Oscilación del Atlántico Norte (NAO) y las circulaciones de Hadley y Walker. Las flechas interrumpidas gruesas indican acoplamiento. Después de Gray et al. 2010.

La visión ortodoxa del efecto sol-clima en la actualidad se puede resumir en la revisión de Judith Lean de 2017. El aumento del 0,1 % en la irradiación total entre el mínimo y el máximo solar está asociado con un aumento de 0,1 °C en la temperatura global de la superficie de la Tierra. Hay procesos dinámicos que alteran la respuesta regional tanto en la superficie como en la atmósfera. Se considera que el efecto de un gran mínimo solar, como el Mínimo de Maunder, es inferior a unas pocas décimas de °C de enfriamiento global (Lean 2017).

En las siguientes cinco partes de esta serie de artículos, explicaremos la hipótesis del efecto sol-clima propuesta recientemente por Winter Gatekeeper (Vinós 2022). Se trata de algunos fenómenos climáticos muy complejos, lo que explica por qué escapó a ser descubierto durante 220 años. En la siguiente parte veremos que la visión ortodoxa del cambio climático sancionada por el IPCC ignora los efectos de la variabilidad solar en al menos cinco fenómenos muy importantes relacionados con el clima que esencialmente lo refutan. Se espera que haya llegado el momento de otro cambio en el consenso entre el sol y el clima.

Nota: Esta es la primera de una serie de seis partes sobre el efecto de la variabilidad solar en el cambio climático. La serie anterior de 13 partes de Javier sobre el cambio climático se publicó entre 2016 y 2018 y se puede leer en judithcurry.com introduciendo «Nature Unbound» en el cuadro de búsqueda. Generó más de 4000 comentarios y fue la base de su libro de septiembre de 2022, Clima del pasado, presente y futuro. Un debate científico, 2Dakota del Norte ed., donde se incluye parte del material de esta serie.

Glosario [Vinos&May-AbbrevGlossary]

Bibliografía [Vinos&May-Bibliography ]

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