Los autores de este artículo científico vieron que, al oscurecer la superficie de la nieve, las deposiciones de carbono negro y polvo afectan al deshielo de la nieve de montañas de los Alpes franceses y los Pirineos y desencadenan numerosas retroalimentaciones a nivel regional, las cuales tratan de explicar aquí mediante simulaciones numéricas.
Presentación
“Black carbon and dust alter the response of mountain snow cover under climate change” (“El carbono negro y el polvo alteran la respuesta de la capa de nieve de montaña ante el cambio climático”) es un artículo científico elaborado por Cordero, R.R., Sepúlveda E., Feron, S., Damiani, A., Fernandoy, F., Neshyba, S., Rowe, P. M., Asencio, V., Carrasco, J., Alfonso, J. A., Llanillo. P., Wachter, P., Seckmeyer, G., Stepanova, M., Carrera, J.M., Jorquera, J. Wang, C., Malhotra, A., Dana, J., Khan. A. y C, G., publicado en la revista científica Nature Communications en Febrero de 2022, en el que sus autores explican mediante simulaciones numéricas cómo las deposiciones de carbono negro y polvo afectan al deshielo de la nieve de montañas de los Alpes franceses y los Pirineos por el cambio climático durante el período 1979-2018.
Los cambios en la capa de nieve tienen consecuencias drásticas para numerosos componentes del sistema terrestre, como los recursos hídricos, los ecosistemas y el clima, a través de complejas retroalimentaciones. En respuesta al cambio climático, la duración de la capa de nieve en las zonas montañosas ha disminuido a escala global desde la década de 1950. Como consecuencia de la disminución de la capa de nieve y el aumento del deshielo, el pico de escorrentía por deshielo se ha desplazado en unos 10 días de media durante el periodo 1965-2005 en los Alpes. Los cambios, tanto en la magnitud como en la cronología de la escorrentía por deshielo, amenazan la disponibilidad de recursos hídricos en las regiones aguas abajo, en particular para el riego. Estas tendencias de la capa de nieve se atribuyen principalmente a cambios en los factores atmosféricos, y especialmente al calentamiento que se intensificó en las últimas décadas hasta alcanzar 0,3 ± 0,2°C por década en las zonas montañosas a escala global.
Las partículas absorbentes de luz (PAL), como el carbono negro, el carbono marrón u orgánico, el polvo mineral y las algas, son factores determinantes en los cambios de la capa de nieve. Estas partículas oscurecen la superficie de la nieve al depositarse sobre ella y amplifican diversos mecanismos de retroalimentación nieve-albedo, modificando drásticamente la evolución y la duración de la capa de nieve. De hecho, las PAL aceleran el engrosamiento de la microestructura de la nieve, lo que conlleva una mayor absorción de energía solar y una aceleración de la retroalimentación intrínseca del albedo de la nieve. Además, las PAL se retienen parcialmente en la superficie de la nieve durante el deshielo, amplificando la disminución del albedo. Por lo tanto, el impacto de las PAL en la capa de nieve está modulado por las condiciones meteorológicas, lo que da lugar a complejas interacciones entre las PAL y los factores meteorológicos que influyen en la evolución de la capa de nieve.
El carbono negro es el aerosol con mayor capacidad de absorción en la atmósfera y su deposición influye notablemente en las tasas de deshielo, como se puede observar, por ejemplo, en las altas montañas de Asia, Europa, América del Norte y del Sur. Sin embargo, aún no se ha evaluado la contribución de los cambios regionales en la deposición de carbono negro al descenso observado de la capa de nieve. En Europa central, se observó un aumento en la deposición desde 1850 hasta la década de 1970 debido a actividades antropogénicas, lo cual se ha sugerido que contribuyó al inicio del retroceso glaciar en los Alpes. No obstante, la deposición de carbono negro ha disminuido desde la década de 1980 debido a una reducción de las emisiones, probablemente relacionada principalmente con la disminución de las emisiones del tráfico. Sin embargo, el impacto de esta reciente tendencia negativa no se ha cuantificado en la capa de nieve hasta la fecha.
Por su parte, aunque los eventos de deposición de polvo mineral suelen ser más episódicos que la deposición de carbono negro, pueden tener un impacto visible generalizado en la superficie de la nieve, con un efecto radiativo predominante. En Europa, las cordilleras se ven afectadas generalmente por eventos de deposición de polvo procedentes del Sáhara, que contribuyen al 50-70% de la deposición total anual de polvo. Sin embargo, la marcada variabilidad espacial y temporal, junto con la falta de datos a largo plazo, dificulta la identificación de tendencias en las últimas décadas.
Actualmente, faltan evaluaciones regionales del efecto combinado de la deposición de partículas de baja altitud (LAP) sobre los cambios en la capa de nieve a lo largo de periodos prolongados y se requiere una representación precisa de la retroalimentación nieve-albedo desencadenada.
Así pues, el objetivo de este estudio es cuantificar el efecto combinado de la deposición de carbono negro y polvo sobre la dinámica y las tendencias de la capa de nieve a escala regional en los Alpes franceses y los Pirineos, durante el período 1979-2018.
Además, la capa de nieve representa un factor determinante de los procesos hidrológicos en ambas cordilleras. Su variabilidad influye notablemente en la disponibilidad de recursos hídricos en el sur de Francia y el norte de España, así como en los ingresos generados por el turismo de invierno en ambos países.
Asimismo, el análisis aquí desarrollado se basa en simulaciones numéricas realizadas con el modelo detallado de capa de nieve Crocus, que considera las complejas interacciones entre los aerosoles de baja presión y la nieve.
Por lo tanto, este estudio ejemplifica el impacto del carbono negro y el polvo en la capa de nieve estacional en las regiones montañosas de latitudes medias.
Métodos de trabajo
A continuación, se narran los procedimientos y métodos de trabajo llevados a cabo por los investigadores.
Descripción del sitio de estudio: Alpes franceses y Pirineos
El estudio abarca los Alpes franceses y los Pirineos. Los Alpes franceses corresponden a las cabeceras del río Ródano, uno de los principales ríos de Europa, y muchos de sus afluentes.
En los Alpes franceses, la mayoría de las montañas se encuentran entre los 300 y los 3600m s.n.m., con un máximo en el Mont Blanc a 4810m s.n.m. En este estudio, los Alpes se dividen en los Alpes del Norte, con una elevación que oscila entre los 1500 y los 3000m s.n.m., y los Alpes del Sur, entre los 1800 y los 3000m s.n.m. Estos rangos de elevación fueron seleccionados por cumplir la condición de una profundidad media de nieve simulada superior a 30cm durante el período invernal (del 1 de diciembre al 30 de abril), y considerando todos los inviernos del período 1979-2018.
La cordillera de los Pirineos, por su parte, abarca distintas montañas ubicadas en Francia, España y Andorra, la mayoría de las cuales oscilan entre los 300 y los 3000m s.n.m., con un máximo de 3404m s.n.m. en el Pico Aneto (España). Igualmente, en este estudio, los Pirineos se dividen en Pirineos del Norte y Pirineos del Sur. Las elevaciones seleccionadas, que cumplen la condición de profundidad de nieve, van desde los 1800 hasta los 3000m s.n.m. para los Pirineos del Norte y desde los 2100 hasta los 3000m s.n.m. para los Pirineos del Sur.
Los Pirineos corresponden a las cabeceras de varios ríos importantes del sur de Francia (Garonne y Adour) y del norte de España (Ebro).
Los Alpes y los Pirineos franceses presentan condiciones climáticas diversas, que abarcan desde el clima mediterráneo hasta el continental europeo.
Asimismo, en los Alpes y Pirineos franceses se concentra la gran mayoría de las estaciones de esquí de Francia. La industria francesa del esquí ocupa el tercer lugar a nivel mundial en cuanto a número de visitantes en las últimas décadas. Por lo tanto, los cambios en la fecha de deshielo de la nieve en los Alpes y Pirineos franceses revisten gran relevancia para la industria nacional del esquí.
Reanálisis meteorológico S2M
El reanálisis atmosférico S2M se basa en el sistema de análisis meteorológico SAFRAN (Système d’Analyse Fournissant des Renseignements Atmosphériques à la Neige). Los datos de SAFRAN se basan en perfiles verticales atmosféricos simulados por un modelo atmosférico. Estas estimaciones se corrigen mediante interpolación óptima con datos meteorológicos de superficie, principalmente observados, procedentes de diversas redes.
Los resultados de SAFRAN incluyen variables meteorológicas horarias: temperatura del aire a 2m y humedad relativa, cantidad y fases de precipitación, radiación directa y difusa de onda corta incidente, radiación de onda larga incidente, velocidad del viento y nubosidad. Se supone que estos datos son homogéneos dentro de un macizo determinado (1000Km3). En este estudio, para cada macizo, los datos meteorológicos dependen únicamente de la elevación (un punto de datos cada 300m), considerando una superficie plana.
Deposición de carbono negro y polvo del modelo CNRM-ALADIN
Los flujos de deposición de carbono negro y polvo los obtuvieron del modelo climático regional CNRM-ALADIN. Este modelo incluye un esquema interactivo de aerosoles troposféricos capaz de representar las principales especies de aerosoles, como el carbono negro y el polvo, en la troposfera. Estos aerosoles son variables pronósticas, sujetas a transporte, deposición seca y eliminación dentro y debajo de las nubes.
En este estudio, utilizaron datos horarios de flujos de deposición de carbono negro seco y húmedo, así como de polvo, provenientes de una simulación del período 1979-2018 basada en el reanálisis ERA-Interim, con el fin de garantizar una cronología realista de la evolución de la deposición de aerosoles. Esta simulación fue realizada en un dominio regional que abarca Europa, el mar Mediterráneo y el norte de África, con una resolución horizontal de 12km y 91 niveles verticales.
Extrajeron puntos de esta simulación, correspondientes a los Alpes y los Pirineos, para el período 1979-2018, y los redujeron a escala para obtener el forzamiento de carbono negro y polvo en la geometría SAFRAN. Para ello, seleccionaron puntos dentro de los límites de un macizo dado, entre 5 y 10, dependiendo de su área, así como también seleccionaron puntos adicionales.
En los puntos de muestreo, calcularon la media horaria y el gradiente altitudinal horario de cada variable: deposición seca y húmeda de carbono negro y polvo. Debido a las diferencias en la cronología de las precipitaciones entre SAFRAN y CNRM-ALADIN y para que coincidieran con los datos de forzamiento atmosférico de SAFRAN, sumaron los flujos horarios de deposición seca y húmeda y los redistribuyeron según las precipitaciones de SAFRAN. Cabe indicar que también evaluaron las incertidumbres de este enfoque.
Simulaciones y evaluación de la capa de nieve
Las simulaciones las realizaron con el modelo detallado de manto nivoso multicapa SURFEX/ISBA-Crocus, el cual incluye, entre otros, estratificación dinámica, descripción completa del balance energético superficial, área superficial específica, contenido de agua líquida como variable pronóstica, tipos de nieve, metamorfismo de nieve seca y húmeda, y una representación explícita de partículas de baja actividad (LAP) con un esquema radiativo espectral totalmente acoplado para la absorción de radiación solar dentro del manto nivoso con una resolución espectral de 20nm. Aquí, las propiedades radiativas del carbono negro y polvo pueden ser definidas por el usuario, ya sea en función del índice de refracción o de la eficiencia de absorción de masa de las LAP. Además, hay que tener en cuenta el posible aumento de la absorción debido a la mezcla interna de partículas o al recubrimiento de partículas.
El modelo se ejecutó durante el período 1979–2018, en una geometría semidistribuida (es decir, por bandas de elevación de 300m, para cada macizo, siguiendo la geometría SAFRAN). Para cada punto de simulación, la fracción de cobertura de nieve se estableció en 1 cuando hay nieve en el suelo. Cabe señalar que solo simularon la nieve estacional y no tuvieron en cuenta la nieve en los glaciares. Por lo tanto, las LAP acumuladas durante una temporada se eliminan con la escorrentía cuando la capa de nieve se derrite.
Para investigar el efecto explícito del carbono negro y el polvo en la evolución de la capa de nieve, establecieron cuatro configuraciones:
(1) simulación de nieve pura sin partículas de aire (Spure)
(2) simulación que considera el carbono negro y los flujos de deposición de polvo (SBC + Dust)
(3) simulación que considera solo la deposición de carbono negro (SBC)
(4) simulación que considera solo la deposición de polvo (SDust)
Además, la versión original del modelo Crocus considera una representación implícita de las partículas de aire. De hecho, el albedo de la nieve disminuye con la edad de la nieve y, por lo tanto, considera implícitamente un oscurecimiento de la superficie de la nieve. Sin embargo, esta representación no permite considerar la variabilidad temporal de la deposición. Para la evaluación del modelo, las simulaciones (Sbaseline) realizadas con esta versión se comparan con la que permite una representación explícita del carbono negro y el polvo (es decir, SBC + Dust).
Las simulaciones de la capa de nieve se evaluaron comparándolas con observaciones satelitales del área de la capa de nieve (SCA) y observaciones in situ de la profundidad de la nieve en 495 estaciones:
Uso de imágenes satelitales
Para cada macizo, la profundidad de nieve simulada (SCA y SCD) se compararon con el producto de nieve MODIS, que se descarga del Centro Nacional de Datos de Nieve y Hielo para el período 2000-2016 y se proyecta sobre una cuadrícula de 500m de resolución en el mismo sistema de coordenadas que el modelo digital de elevación (MDE).
La profundidad de nieve simulada también se proyecta sobre la misma resolución de 500m del MDE. Luego, utilizaron un umbral de 0,03m para convertir la profundidad de nieve simulada en presencia o ausencia de nieve para cada celda de la cuadrícula.
Tras esto, los resultados indican altas correlaciones y un error cuadrático medio (RMSE) bajo para todas las simulaciones.
Comparación con mediciones de profundidad de nieve
Las simulaciones se evaluaron utilizando 495 estaciones de medición de profundidad de nieve ubicadas en los Alpes y Pirineos franceses, que abarcan un rango de altitud de 1200 a 2700m s.n.m., durante el período 1983-2018.
Se realizaron dos tipos de evaluación. Primero, compararon la profundidad de nieve simulada y observada. Para ello, utilizaron tres métricas de error: el error cuadrático medio (RMSE), el error absoluto medio (MAE) y el sesgo medio (un sesgo positivo indica una profundidad de nieve simulada posterior a la observada).
Los resultados mostraron que considerar la representación explícita del carbono negro y polvo supera a la configuración de simulación de nieve pura con un sesgo general de -0,68 días, un RMSE de 19,2 días y un MAE de 13,3 días. Cabe indicar que el RMSE se ve influenciado por valores extremos, frecuentemente debido a un día sin nieve a principios del invierno en la serie temporal observada.
Para investigar la significancia estadística de las diferencias en las puntuaciones entre las simulaciones Spure y SBC+Dust, utilizaron un experimento Bootstrap: extrajeron aleatoriamente 35 años con reemplazo durante el período 1983–2018, que incluye la mayoría de las observaciones in situ. Dicha extracción aleatoria se realizó 1000 veces para ambas simulaciones Spure y SBC+Dust, para obtener 1000 series de 35 años, proporcionando 1000 valores de sesgo, RMSE y MAE. Así, vieron que las distribuciones de sesgo, RMSE y MAE mostraron que la diferencia en sesgo, RMSE y MAE entre las simulaciones Spure y SBC+Dust, es estadísticamente significativa.
Asimismo, también llevaron a cabo una evaluación adicional centrada en las tasas de deshielo diarias, comparando las variaciones diarias simuladas y medidas de la profundidad de la nieve en caso de deshielo.
Estrategia de cuantificación de la contribución del carbono negro y polvo
La contribución del carbono negro y el polvo fue cuantificada a escala regional, considerando cuatro regiones: Alpes del Norte y del Sur y Pirineos, para así limitar las incertidumbres del reanálisis SAFRAN, en comparación con las incertidumbres estimadas a escala local de una estación, que se ven afectadas principalmente por efectos locales.
Sobre la duración de la capa de nieve
En primer lugar, calcularon el SMOD, definido como la última fecha del período más largo con al menos 30cm de nieve, para cada simulación. Luego, para cuantificar el impacto del carbono negro y el polvo en el acortamiento de la temporada, calcularon las diferencias de SMOD entre Spure y SBC+Dust para cada macizo, altitud y año. Las diferencias (es decir, ΔSMOD) se dan por altitud y ubicación, y la dispersión corresponde a la variabilidad anual.
También cuantificaron las diferencias para la simulación entre Spure y SBC y SDust, para evaluar la influencia de la deposición de carbono negro y polvo en el SMOD por separado.
Finalmente, también se muestran las diferencias entre Spure y Sbaseline.
Sobre la variabilidad anual de la capa de nieve
Utilizaron un enfoque estadístico basado en el análisis de varianza (ANOVA) para evaluar la contribución del carbono negro y el polvo a la variabilidad anual del SMOD, y calcularon la contribución de los dos parámetros «condiciones meteorológicas» y «BC + Polvo» a la varianza del SMOD.
Sobre la tendencia de la capa de nieve
Calcularon las tendencias de los forzamientos meteorológicos (temperatura y precipitación sólida), el carbono negro y polvo durante el periodo 1979-2018, y aplicaron una prueba t de Student para evaluar su significancia.
Las tendencias de la capa de nieve simulada (SMOD) y la densidad de masa de nieve de Spure y SBC+Dust se cuantificaron siguiendo el mismo método. A continuación, para cada año, calcularon las diferencias de SMOD entre Spure y SBC+Dust (y también entre SBC y SDust por separado), para obtener un conjunto de datos (39 años) a partir de estas diferencias.
Posteriormente, calcularon la tendencia de este conjunto de datos y evaluaron su significancia mediante la prueba t, para evaluar la significancia del impacto del carbono negro y el polvo en la tendencia.
Impactos hidrológicos del carbono negro y polvo
Para evaluar el impacto del carbono negro y polvo en la hidrología, calcularon la fecha de máxima escorrentía (CMD) del deshielo para cada simulación. La CMD se define como la fecha en la que se alcanza el 50% de la escorrentía anual total por deshielo.
La escorrentía simulada por deshielo mediante Crocus, se proyectó sobre un modelo digital de elevación (MDE) de 500m para los Alpes y los Pirineos.
Los Alpes del Norte y del Sur, junto con los Pirineos, se consideraron cuatro cuencas hidrográficas distintas y, por ello calcularon la escorrentía total para cada cuenca durante los 39 años.
Calcularon la media con la desviación estándar (que indica la variabilidad temporal) para cada cuenca, considerando Spure y SBC+Dust, para evaluar el impacto del carbono negro y el polvo en la cantidad y el momento de la escorrentía.
Posteriormente, evaluaron el impacto del carbono negro y el polvo en la variabilidad anual de la CMD siguiendo el mismo método que para la capa de nieve.
Resultados del estudio sobre el efecto del carbono negro y polvo en el deshielo de la nieve de montañas
Y estos son los resultados del estudio sobre cómo afecta el carbono negro y polvo al deshielo de la nieve de las montañas de los Pirineos y los Alpes, obtenidos por los científicos:
Reducción de la duración de la capa de nieve estacional debido al carbono negro y polvo
La comparación de las simulaciones de nieve pura con las simulaciones que consideran el carbono negro y el polvo muestra que, al oscurecer la superficie de la nieve, el efecto combinado de ambos factores provoca un inicio más temprano de la capa de nieve estacional (SMOD) en 17,8 y 16,1 días de media en los Alpes franceses y los Pirineos, respectivamente, durante el periodo 1979-2018, como se muestra en la Figura 1 inferior. Estas reducciones corresponden al 9,1% y al 8,8% de la duración media anual de la capa de nieve.
Asimismo, al mediodía local, el carbono negro y polvo disminuyen el albedo superficial medio entre 0,03 y 0,05 de media, dependiendo de la zona, e incrementan la energía solar absorbida por el manto nival entre 7 y 13W m⁻² de media.
Este acortamiento se calcula como la diferencia en la fecha de deshielo (SMOD) entre las simulaciones de nieve pura y todas las configuraciones: simulaciones que consideran carbono negro y polvo (rojo), solo carbono negro (gris), solo polvo (naranja), y considerando implícitamente los LAP (es decir, una disminución del albedo basada únicamente en la edad de la nieve (blanco, rayado)).
Las diferencias de SMOD se calculan en función de la altitud, considerando todo el período de estudio (1978-2018), para los Pirineos del Norte y del Sur (izquierda) y los Alpes del Norte y del Sur (derecha). En la Figura 1, las cajas muestran los cuartiles de la distribución correspondientes a la variabilidad interanual y espacial. Los rangos mínimo y máximo (excluyendo valores atípicos) se indican mediante las líneas verticales.
La reducción de la profundidad de la capa de nieve debida a la deposición de carbono negro y polvo (ΔSMOD en la Figura 1) varía de 0 a 47 días. La magnitud de la reducción de la SMOD muestra fuertes variaciones interanuales debido a la fuerte variación interanual de las tasas de deposición de carbono negro y polvo.
Además, la reducción de la SMOD también depende de la ubicación y la elevación. Se observa un mayor impacto absoluto de carbono negro y polvo en la SMOD, expresado en número de días, en elevaciones más altas. Esto se relaciona con un deshielo más tardío y una temporada de nieve más larga, donde el polvo y el carbono negro están expuestos a una mayor radiación solar incidente, lo que amplifica su efecto en la aceleración del deshielo.
Asimismo, es probable que el efecto del carbono negro predomine en la parte norte de los Alpes franceses, donde se observa una mayor deposición de este. El SMOD simulado al considerar el carbono negro se adelanta en promedio 14,2 días (7,1%) en los Alpes del Norte y 13,3 días (6,9%) en los Alpes del Sur, en comparación con la simulación de nieve pura. Sin embargo, las partes meridionales de ambas cordilleras están más expuestas a los vientos del sur que transportan polvo sahariano, por lo que presentan mayores depósitos de polvo que sus contrapartes septentrionales.
La Figura 1 también muestra la reducción de SMOD entre la simulación de nieve pura y una simulación denominada «línea base» que solo considera implícitamente los LAP al disminuir el albedo en función del tiempo transcurrido desde la última nevada sin ningún vínculo con la concentración real de LAP. Este tratamiento simple del impacto radiativo de los LAP, representado únicamente por un oscurecimiento de la nieve superficial con el tiempo, es la práctica más común en la modelización de la nieve, pero tiene la desventaja de descuidar las variaciones espaciales o temporales de los flujos de deposición de LAP.
El SMOD simulado en la configuración de línea base se comparó posteriormente con la simulación explícita promediada por 7,3 días para los Alpes y 9,3 días para los Pirineos. Esto sugiere que la variabilidad temporal y espacial de los flujos de deposición de carbono negro y polvo probablemente tenga un efecto importante en el SCD.
Efecto del carbono negro y polvo en la variabilidad interanual de la capa de nieve
Mediante un análisis de varianza cuantificaron la contribución de los diferentes factores atmosféricos a la variabilidad interanual de la capa de nieve. Tras esto, vieron que el efecto combinado del carbono negro y el polvo explica hasta el 30,7% de la varianza de la capa de nieve a 2100m s.n.m. en los Alpes y hasta el 21,8% en los Pirineos, lo cual se muestra en la siguiente Figura 2, donde los círculos más grandes indican las contribuciones de los parámetros considerando el papel del carbono negro + polvo (rojo), y los círculos más pequeños representan la contribución del carbono negro (gris) y del polvo (naranja) por separado. El término de secuenciación (negro) indica la contribución del carbono negro, el polvo y el forzamiento meteorológico, y se debe a la dependencia de la contribución del carbono negro y el polvo con respecto a las condiciones meteorológicas.
Para flujos de deposición de carbono negro y polvo dados, el impacto en la capa de nieve depende de las condiciones meteorológicas, por ejemplo, la misma cantidad de carbono negro y polvo depositada en la superficie de la nieve tiene un mayor impacto si un largo periodo sin nevadas sigue a la deposición, que cuando una nueva nevada entierra las partículas inmediatamente después de la deposición.
Mediante el método ANOVA, pudieron separar dos tipos de contribución a la varianza del SMOD: la contribución de la deposición de partículas de aerosol atmosférico (PAA) observada en condiciones meteorológicas promedio y las contribuciones a través de las interacciones entre las condiciones meteorológicas y la deposición de PAA. Esta última se denomina parte de secuenciación. Esta secuenciación de las condiciones meteorológicas y la deposición de carbono negro y polvo contribuye entre un 2,9% y un 9,1% a la varianza total, mientras que la deposición solo contribuye entre un 12,7% y un 25,5% de la varianza total, como se indica en la misma Figura 2. Por lo tanto, la deposición de polvo y carbono negro contribuye notablemente a la varianza del SMOD, lo que se debe, en parte, a la secuenciación entre las condiciones meteorológicas y la deposición.
Por otro lado, la contribución del carbono negro y polvo a la variabilidad interanual del SMOD es mayor en los Alpes que en los Pirineos. Esto se debe a los efectos combinados de tres factores diferentes: menor deposición de carbono negro, deshielo más temprano y una variabilidad interanual ligeramente mayor de las condiciones meteorológicas en los Pirineos que en los Alpes.
La deposición de carbono negro contribuye al 19,3% y al 12,4% de la varianza total del SMOD para los Alpes del Norte y del Sur, y al 6,2% y al 5,9% para los Pirineos del Norte y del Sur, respectivamente. La contribución del carbono negro a la variabilidad interanual del SMOD es generalmente mayor que la del polvo, excepto en los Pirineos del Sur, más afectados por brotes episódicos de polvo.
En resumen, estos resultados muestran que el carbono negro y el polvo son factores determinantes de la variabilidad interanual del SMOD. El cálculo de su contribución se realizó sobre la serie temporal de 39 años sin eliminar la tendencia, incluyendo así los efectos de las tendencias de las últimas cuatro décadas en las variables atmosféricas de entrada, como la temperatura del aire, el carbono negro y los flujos de deposición de polvo.
Tendencias pasadas (1979-2018)
La simulación del SMOD para la nieve con carbono negro y polvo muestra una tendencia negativa en las últimas décadas (1979-2018), lo que indica un deshielo más temprano, como se aprecia en al siguiente Figura 3.
En esta sección, analizaron principalmente los resultados en los Alpes del Norte, ya que es la única zona donde la mayoría de las tendencias son significativas. Aquí, el SMOD a 2100m s.n.m. disminuye en 5,7 días por década, lo que corresponde a una disminución del 2,9% de la duración de la temporada de nieve. Esta disminución es consistente con la tasa de calentamiento atmosférico, la cual oscila entre +0,25 y +0,3°C por década, según los datos de reanálisis utilizados en este estudio.
Asimismo, la tendencia simulada de la SMOD para nieve pura es más pronunciada que para nieve con carbono negro y polvo. A 2100m s.n.m., la disminución de la SMOD para nieve pura es de 7,8 días por década.
La deposición de polvo y carbono negro altera así la respuesta de la nieve al calentamiento: primero, la sensibilidad de SMOD a las condiciones meteorológicas no es la misma para nieve pura y para nieve que contiene LAP; y segundo, los aportes de polvo y carbono negro no fueron constantes durante las últimas cuatro décadas. La deposición de carbono negro muestra una tendencia negativa, con una disminución del 11% en promedio considerando todos los macizos. Así, las simulaciones que tienen en cuenta la deposición de carbono negro producen una tendencia negativa de SMOD menor que la tendencia de SMOD de la simulación de nieve pura, como se observa en la misma Figura 3. Esto significa que, al comienzo del período de estudio (1979-1988), el acortamiento atribuido solo a la deposición de carbono negro (es decir, 15 días en promedio para todas las áreas) es mayor que para el período reciente (2009-2018) (es decir, solo 10 días en promedio). En este período reciente, la deposición de carbono negro es menor en comparación con la década de 1980, por ello, la deposición de carbono negro acelera el deshielo en menor medida que en la década de 1980. Por lo tanto, la reducción de los flujos de deposición de carbono negro compensa parcialmente el efecto del aumento de la temperatura en el período 2009-2018.
Por el contrario, no identificaron ninguna tendencia significativa en la deposición de polvo. En consecuencia, la deposición de polvo afecta menos a la tendencia de la profundidad de deposición de la capa de hielo marino que la deposición de carbono negro (Figura 3).
Por lo tanto, la deposición de carbono negro y polvo modifica la tendencia de la SMOD en respuesta al calentamiento climático. En los Alpes del Norte, el principal factor que impulsa la modificación de la tendencia es la disminución de la deposición de carbono negro desde la década de 1980. Esta disminución compensa parte del impacto del calentamiento en la tendencia de la SMOD a 2100m s.n.m., lo cual también se observa en menor medida en todos los Alpes y Pirineos. Sin embargo, las tendencias presentadas en esta sección provienen de un único modelo y existen limitaciones.
Impactos en la hidrología de montaña
Al ejercer un fuerte control sobre la tasa de ablación de la capa de nieve, la deposición de carbono negro y polvo también influye profundamente en la escorrentía del agua de deshielo. Para cuantificar este efecto, utilizaron la Fecha del Centro de Masa (CMD), definida como la fecha en la que se alcanza la mitad de la escorrentía anual total por deshielo.
Así, vieron que el carbono negro y el polvo provocan un adelanto de hasta 15 días en la CMD simulada durante el período 1979-2018, en comparación con las simulaciones de nieve pura, como se puede observar en las gráficas de la siguiente Figura 4. Además, el efecto es mayor en los Alpes (adelanto de 15 días en la CMD) que en los Pirineos (adelanto de 10 días), lo que concuerda con el mayor efecto sobre la cobertura de nieve (SCD) en los Alpes.
Sin embargo, no observaron ningún cambio significativo en la intensidad del pico de escorrentía debido a la presencia de carbono negro y polvo. Al aumentar la radiación solar absorbida, los LAP provocan que el deshielo ocurra antes en la temporada de nieve, cuando la energía disponible es menor. Por ello, plantearon la hipótesis de que esta es la causa de que la magnitud del pico de escorrentía no cambie a pesar de la presencia de LAP en la superficie de la nieve. Un mecanismo similar provoca una reducción de las tasas de deshielo bajo el calentamiento atmosférico. Incluso si la magnitud del pico de escorrentía se conserva, el deshielo temprano puede tener consecuencias profundas en la gestión del recurso hídrico y los ecosistemas alpinos aguas abajo.
El efecto combinado de carbono negro y polvo explica hasta 5,4 días de la varianza de CMD. Esto está de acuerdo con la contribución de carbono negro y polvo encontrada para la varianza de SMOD, con una contribución predominante de la deposición de carbono en las cordilleras del norte y la deposición de polvo en las cordilleras del sur.
Los cambios observados en el momento del pico de escorrentía, atribuidos al cambio climático durante el período 1965-2005, son de aproximadamente 10 días para los Alpes. El desplazamiento simulado del CMD de 10 a 15 días, atribuido a la presencia de carbono negro y polvo en esta zona, es, por lo tanto, de magnitud comparable.
Finalmente, los resultados indican que el desplazamiento del CMD debido al calentamiento sería mayor si no se compensara con una disminución en la deposición de carbono negro durante el período 1979-2018. Si se considera únicamente la deposición de carbono, la tendencia en CMD disminuiría en 1,3 días por década en promedio, con un mayor impacto (de 2 días por década) en los Alpes del Norte, lo que se explica por una tendencia negativa más fuerte en la deposición de carbono negro.
Discusión y Conclusión
Este estudio analiza el impacto de la deposición de polvo y carbono negro en la variabilidad y las tendencias estacionales de la capa de nieve en los Alpes y Pirineos franceses, utilizando reanálisis meteorológicos y de deposición regionales y el modelo detallado de capa de nieve Crocus.
Sus autores demostraron que el carbono negro y el polvo desempeñan un papel fundamental en el adelanto del deshielo, con una fuerte influencia en la variabilidad interanual de la capa de nieve y consecuencias drásticas para la disponibilidad de agua. También mostraron que la respuesta de la evolución de la capa de nieve al cambio climático está fuertemente modulada por los flujos de deposición de carbono negro y polvo, lo que sugiere que las tendencias en la deposición de la capa de nieve y partículas de baja altitud (LAP) no pueden investigarse de forma independiente.
Los resultados de este estudio también muestran que el impacto del carbono negro y el polvo en la densidad de la capa de nieve (SMOD) depende en gran medida de la altitud, en términos de su influencia en el momento del deshielo (Figura 1). De hecho, cuando la nieve se derrite más tarde en primavera (p. ej., a gran altitud), hay más energía de onda corta disponible, lo que aumenta el impacto radiativo de las LAP. Sin embargo, estas variaciones altitudinales se superponen con contrastes regionales en los factores que controlan los cambios en la SMOD.
La deposición de carbono negro y polvo tiene un mayor efecto sobre la cobertura de nieve en los Alpes en comparación con los Pirineos, debido directamente a la mayor deposición de carbono negro en los Alpes. El impacto relativo del polvo, en comparación con el del carbono, es mayor en los Pirineos del Sur que en los Alpes. Esto se explica por los patrones regionales de deposición de polvo africano, que disminuye con la distancia a las costas del norte de África según un gradiente sur-norte, y por el predominio general de las fuentes africanas sobre las locales en la carga total de polvo. Por lo tanto, cabe esperar un contraste regional igualmente grande en el impacto de los aerosoles de baja altitud (LAP) sobre la capa de nieve en otras regiones montañosas.
Los resultados demuestran que la deposición de carbono negro y polvo adelanta el final de la temporada de nieve en 17 ± 6 días de media en los Alpes franceses y los Pirineos, y el pico de deshielo en dos semanas. Dada la importancia de la capa de nieve para los recursos hídricos y el turismo en estas regiones, ambos efectos tienen profundas implicaciones socioeconómicas. Se trata, además, de un efecto significativo a considerar en los estudios de ecosistemas de montaña.
Es probable que el efecto del carbono negro predomine sobre el del polvo en los Alpes del Norte. La deposición de carbono por sí sola acorta la temporada de nieve en 11 días de media, en comparación con simulaciones de nieve pura. Sin embargo, el efecto del carbono negro sería aún mayor sin la disminución de la deposición de carbono observada desde la década de 1980. Al inicio del periodo de estudio (1979-1988), se atribuye un acortamiento de 15 días únicamente a la deposición de carbono negro. Por el contrario, en el periodo reciente (2009-2018), el acortamiento debido al carbono negro es de tan solo 10 días de media. Esto subraya el efecto clave de los cambios en la deposición de carbono negro sobre la capa de nieve. Debido al calentamiento actual, la disminución de la capa de nieve sería aún más pronunciada sin el efecto contrario de la disminución de la deposición de carbono negro desde la década de 1980.
Por lo tanto, los cambios futuros en la deposición de carbono negro relacionados con las actividades humanas serán de vital importancia para la evolución de la capa de nieve en las próximas décadas. En consecuencia, las tendencias pasadas y futuras de la capa de nieve y la deposición de partículas de baja actividad (LAP) no pueden investigarse de forma independiente. Esto es crucial para evaluar la respuesta regional futura de la hidrología de montaña, la disponibilidad de agua y la evolución futura de los sistemas socioecológicos de montaña.
Fuente de este artículo
Este artículo fue publicado originalmente en la revista “Nature Communications”, bajo la referencia: Cordero, R.R., Sepúlveda, E., Feron, S. et al. Black carbon footprint of human presence in Antarctica. Nat Commun 13, 984 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-28560-w; estando disponible con acceso libre en la propia web de Nature Communications.