This is an authorized translation of an Eos article. Esta es una traducción al español autorizada de un artículo de Eos.
Marineros en países escandinavos han contado historias sobre peligrosos encuentros con pequeñas e intensas tormentas. Se cree que estas tormentas marítimas, conocidas con el nombre de “depresiones polares”, han causado la pérdida de embarcaciones en las aguas del Atlántico Norte [Rasmussen & Turner, 2003]. En un caso reciente en octubre de 2001, los fuertes vientos asociados a una depresión polar que se desarrolló cerca de la isla Noruega de Vannøya volcaron un barco, causando la muerte de uno de los dos miembros de la tripulación.
Las depresiones polares no solo se encuentran en el Atlántico Norte, sino que también son frecuentes en el Pacífico Norte y en el Océano Austral. En Japón, por ejemplo, sobrevino una tragedia en diciembre de 1986, cuando los fuertes vientos de una depresión polar causaron el descarrilamiento de un tren que estaba cruzando el Puente Amarube, así como su caída de la vía a una fábrica que se encontraba debajo, matando a seis personas [Yanase et al., 2016].
El pronóstico de estos sistemas sigue siendo un desafío debido a su tamaño relativamente pequeño, rápida formación y corta duración (la mayoría duran menos de dos días). Sin embargo, a medida que el calentamiento global y el retroceso de la banquisa hacen el Ártico más accesible y aumentan la vulnerabilidad de las poblaciones y ecosistemas costeros, cada vez será más importante pronosticar con precisión estas peligrosas tormentas. Estudiar los efectos del calentamiento climático sobre el lugar de formación de estas tormentas, así como sobre su frecuencia, duración e intensidad también es vital porque este trabajo ayudará a determinar qué regiones serán las más afectadas por las depresiones polares en el futuro.
Peligrosas tormentas de latitudes altas
Las depresiones polares son una porción poco conocida de la familia más amplia de ciclones polares, los cuales incluyen los ciclones polares de mesoescala, de menos de 1000 kilómetros de diámetro, así como los ciclones a escala sinóptica, de mayor tamaño. Con diámetros de entre 200 y 1000 kilómetros—y con mayor frecuencia 300-400 kilómetros—las depresiones polares son un subconjunto de los ciclones de mesoescala.
Estas tormentas relativamente pequeñas difieren de otros ciclones polares de mesoescala en que se desarrollan sobre el océano y son especialmente intensas. Las depresiones polares están frecuentemente asociadas a condiciones meteorológicas graves como intensas nevadas y fuertes vientos que pueden alcanzar la fuerza de huracán. Por lo tanto, a veces causan baja visibilidad, altas olas y avalanchas de nieve en regiones montañosas y costeras. Los cambios en las condiciones meteorológicas pueden ser abruptos, con vientos aumentando de brisa a vientos huracanados en menos de diez minutos, por ejemplo. Estas condiciones meteorológicas graves pueden forzar a los países afectados a cerrar carreteras y aeropuertos.
Con sus fuertes vientos y olas, las depresiones polares amenazan a muchas comunidades y ecosistemas con condiciones meteorológicas extremas, así como con una potencial erosión costera y efectos en la productividad primaria del océano.
Las depresiones polares pueden incluso causar la formación de raras olas de tormenta extremas conocidas como “olas gigantes“. Una de estas olas, denominada “la ola Draupner“, se observó en el Mar del Norte en 1995 y alcanzó una altura de 25,6 metros [Cavaleri et al., 2016].
Con sus fuertes vientos y olas, las depresiones polares amenazan a muchas comunidades y ecosistemas con condiciones meteorológicas extremas, así como con una potencial erosión costera y efectos en la productividad primaria del océano. También plantean riesgos significativos para las industrias marítimas, como la pesca y la extracción de recursos en la costa y frente a ella. Aproximadamente 25% del gas natural y 10% del petróleo producidos en el mundo son producidos en el Ártico, y a pesar de la fuerte contribución del uso de combustibles fósiles al cambio climático, el interés en la actividad extractiva en esta región está aumentando.
Además, a medida que la extensión de la banquisa en verano disminuye debido al cambio climático, las temporadas de navegación se harán más largas y se abrirán nuevas vías de navegación, haciendo el Ártico más accesible e incrementando potencialmente la probabilidad de accidentes relacionados con tormentas. La posibilidad de que accidentes marítimos u otros desastres causen derrames de petróleo en el Ártico es particularmente preocupante ya que la falta de infraestructura en esta región remota significa que podría llevar mucho tiempo responder a derrames. Con tantas preocupaciones y comunidades en riesgo, hay una necesidad apremiante de mejorar la previsión de depresiones polares y otras condiciones meteorológicas extremas en el Ártico para reducir el riesgo.
¿Dónde se forman las depresiones polares?
Las depresiones polares son predominantemente un fenómeno de la estación fría, desarrollándose cerca del borde de hielo marino y de las costas de continentes cubiertos de nieve durante incursiones de aire frío, cuando aire muy frío sobre el hielo o el continente fluye hacia el océano relativamente cálido.
Las depresiones polares del hemisferio sur, que han recibido menos atención por parte de los investigadores, se desarrollan principalmente cerca del borde de la banquisa Antártica, lejos de asentamientos humanos, y tienden a ser menos intensas que sus homólogos del norte. Las depresiones polares del hemisferio norte se desarrollan por encima de alrededor de 40°N, por lo que afectan a varios países del Ártico. Son más frecuentes en el Atlántico Norte que el Pacífico Norte [Stoll et al., 2018], formándose principalmente en los mares nórdicos, el estrecho de Dinamarca, el mar de Labrador y la bahía de Hudson. Cada año, algunas de las depresiones polares que se desarrollan en los mares nórdicos tocan tierra en la costa de Noruega, afectando a su población costera.
En el Pacífico Norte, las depresiones polares se forman principalmente sobre el mar de Ojotsk, el mar de Japón, el mar de Bering y el golfo de Alaska. Las áreas densamente pobladas de Japón son especialmente vulnerables cuando incursiones marinas de aire frío provocan depresiones polares.
Un fenómeno elusivo
Los orígenes y las características de las depresiones polares permanecieron casi como un misterio hasta el comienzo de la era de los satélites en la década de los 60. Dado que hasta hace relativamente poco tiempo la resolución de los modelos atmosféricos era muy baja como para capturar estas tormentas, las imágenes infrarrojas satelitales han sido clave para identificar las depresiones polares. Estas imágenes han mostrado que algunas depresiones polares tienen forma de coma, similares a los ciclones sinópticos de las latitudes medias (i.e., ciclones extratropicales), mientras que otras tienen forma de espiral como los huracanes (i.e., ciclones tropicales; Figura 1).
Los mecanismos de formación de las depresiones polares han sido muy debatidos entre los investigadores. Algunos sostenían que las depresiones polares se parecían a pequeñas versiones de ciclones sinópticos, los cuales se desarrollan debido a inestabilidades baroclínicas que resultan de fuertes gradientes horizontales de temperatura en la atmósfera. Otros afirmaban que era similares a huracanes, los cuales se intensifican como resultado de la convección y normalmente tienen un diámetro de unos 500 kilómetros. Actualmente la comunidad de investigadores está de acuerdo en que los mecanismos de desarrollo de las depresiones polares son complejos e incluyen algunos procesos involucrados en la formación de ciclones sinópticos y otros involucrados en la formación de huracanes. Entre estos procesos se encuentra la transferencia de calor sensible de la superficie del océano a la atmósfera a través del movimiento turbulento del aire, los cuales juegan un papel en la formación e intensificación de depresiones polares.
El pronóstico meteorológico en las regiones polares sigue siendo un reto porque a los modelos atmosféricos todavía les cuesta representar correctamente ciertos procesos clave, como las interacciones aire-mar, en estas regiones.
En general, el pronóstico meteorológico en las regiones polares sigue siendo un reto porque a los modelos atmosféricos todavía les cuesta representar correctamente ciertos procesos clave, como las interacciones aire-mar, en estas regiones. Debido a su pequeño tamaño y corta vida, las depresiones polares son particularmente difíciles de pronosticar en comparación con los ciclones polares de mayor tamaño. A este reto se suma el hecho de que estos sistemas se desarrollan sobre el océano a altas latitudes, donde las observaciones convencionales (p. ej., de estaciones meteorológicas de superficie, boyas y aeronaves) son escasas.
Con el advenimiento de los modelos atmosféricos no hidrostáticos de alta resolución con un espaciado de malla de menos de unos 10 kilómetros (los cuales empezaron a implementarse para la previsión meteorológica durante la primera década de los años 2000), sin embargo, las previsiones de depresiones polares han mejorado notablemente. A diferencia de los modelos que asumen condiciones hidrostáticas, los modelos no hidrostáticos no asumen un equilibrio entre la fuerza del gradiente vertical de presión, el cual resulta de la disminución de la presión atmosférica con la altitud, y la fuerza de gravedad—un equilibrio que no ocurre en sistemas intensos de pequeña escala. En comparación con modelos de menor resolución, los modelos de alta resolución representan mejor los procesos que ocurren cerca de la superficie (p. ej., la influencia que la topografía ejerce sobre el viento) así como la convección, los cuales juegan un papel importante en el desarrollo de las depresiones polares. Además, los modelos de alta resolución pueden resolver mejor la estructura de las depresiones polares (p. ej., fuertes gradientes de viento).
Sin embargo, todavía es necesario mejorar los modelos para pronosticar las trayectorias y las intensidades de las depresiones polares con precisión [Moreno-Ibáñez et al., 2021]. Por ejemplo, la parametrización de la turbulencia se basa en aproximaciones que no son válidas a escala de kilómetro. Además, se requieren más observaciones convencionales de variables atmosféricas a altas latitudes, como el viento y la temperatura a diferentes niveles de la atmósfera, para mejorar las condiciones iniciales que alimentan los modelos.
Varias cuestiones científicas importantes permanecen sin respuesta: ¿Cuáles son los mejores criterios objetivos (p. ej., tamaño, intensidad, duración) para identificar y hacer un seguimiento de las depresiones polares usando algoritmos de seguimiento de tormentas? ¿Cuál es el principal desencadenante del desarrollo de las depresiones polares? Y, lo más intrigante, ¿cuál es el papel que juegan las depresiones polares en el sistema climático?
Actores en el sistema climático
Poco se sabe sobre cómo contribuyen las depresiones polares al sistema climático de la Tierra. Unos pocos estudios han analizado los efectos de las depresiones polares sobre el océano, pero hasta ahora los resultados no son concluyentes. Por un lado, los grandes flujos de calor sensible—que pueden alcanzar más de 1000 vatios por metro cuadrado—de la superficie del océano a la atmósfera que favorecen el desarrollo de estos ciclones provocan el enfriamiento de la superficie del océano [p. ej., Føre and Nordeng, 2012]. Por otro lado, los fuertes vientos de las depresiones polares inducen la mezcla de la capa superior del océano, lo cual puede calentar la superficie del océano en las regiones donde la temperatura de la superficie del mar es más fría que el agua subyacente [Wu, 2021].
El efecto total de calentamiento o enfriamiento de las depresiones polares sobre la superficie del océano puede que influencie el ritmo de formación del agua profunda, un componente fundamental del sistema de circulación oceánica global de la Tierra.
El efecto total de calentamiento o enfriamiento de las depresiones polares sobre la superficie del océano puede que influencie el ritmo de formación del agua profunda, un componente fundamental del sistema de circulación oceánica global de la Tierra. En un estudio, investigadores hallaron que los ciclones polares de mesoescala aumentan la convección del océano e incrementan la extensión vertical de la convección [Condron and Renfrew, 2013]. Sin embargo, este estudio solo utilizó un modelo acoplado océano-hielo marino, confiando en una parametrización para representar los efectos (p. ej., viento) de los ciclones polares de mesoescala sobre el modelo de océano-hielo marino en lugar de resolver explícitamente los ciclones. Por lo tanto, las interacciones entre el océano y la atmósfera, las cuales son relevantes para la formación del agua profunda, no estaban representadas. Este prometedor, pero difícilmente definitivo, resultado subraya la necesidad de estudiar más la interacción de las depresiones polares con el océano y el clima.
Las depresiones polares en un clima más caliente
La continua disminución de la extensión del hielo marino Ártico y de la cubierta de nieve sobre el continente que se proyecta que va a ocurrir con el calentamiento global, así como el aumento de la temperatura de la superficie del mar, sin duda afectarán la climatología de las depresiones polares. En el Atlántico Norte, según las proyecciones, la frecuencia de las depresiones polares disminuirá y las regiones donde se forman se desplazarán hacia el norte con el retroceso del hielo marino [Romero and Emanuel, 2017]. Este desplazamiento significa que las nuevas rutas marítimas no se librarán de estas tormentas.
No sabemos todavía qué pasará en otras regiones ya que la investigación de los impactos del cambio climático sobre la frecuencia, duración, intensidad y áreas de formación de las depresiones polares se encuentra todavía en estado incipiente. Los pocos estudios que se han llevado a cabo hasta ahora han utilizado métodos dinámicos o estadísticos de downscaling para producir información de alta resolución sobre el fenómeno relativamente pequeño y localizado de las depresiones polares a partir de datos de baja resolución (p. ej., de modelos climáticos globales)—enfoques que requieren muchos menos recursos informáticos que realizar simulaciones climáticas globales a alta resolución.
Desafortunadamente, los actuales modelos climáticos globales de grano grueso no son capaces de resolver fenómenos a pequeña escala como las depresiones polares. La resolución típica de los modelos incluidos en la quinta fase del Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados (Coupled Model Intercomparison Project, CMIP5), respaldado por el Programa Mundial de Investigación del Clima en 2008, era de 150 kilómetros para la atmósfera y 1° (i.e., 111 kilómetros en el ecuador) para el océano. Como parte del CMIP6, se ha desarrollado un Proyecto de Intercomparación de Modelos de Alta Resolución [Haarsma et al., 2016], incluyendo modelos con espaciados de malla oscilando entre 25 y 50 kilómetros para la atmósfera y entre 10 y 25 kilómetros para el océano. Estas resoluciones son suficientemente finas como para permitir el estudio de algunos torbellinos de mesoescala en la atmósfera y el océano [Hewitt et al., 2020], e importantes fenómenos meteorológicos, como los ciclones tropicales, también pueden ser simulados [p. ej., Roberts et al., 2020].
Sin embargo, los modelos atmosféricos a esta resolución son todavía demasiado groseros como para resolver la mayoría de las depresiones polares. Además, la resolución de estos modelos del océano no es suficientemente alta como para resolver los torbellinos de mesoescala que se desarrollan entre aproximadamente 50° de latitud y el polo [Hewitt et al., 2020], así que algunas interacciones aire-mar de mesoescala no pueden ser correctamente representadas. Las interacciones aire-mar de mesoescala también afectan a la formación del hielo marino, el cual determina dónde se forman las depresiones polares. El reciente informe del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático indica que hay baja confianza en las proyecciones de la futura evolución regional del hielo marino de los modelos CMIP6.
Se necesita investigación interdisciplinaria
Dadas las interacciones entre la atmósfera, el océano y el hielo marino involucradas en el desarrollo de las depresiones polares, nunca se insistirá demasiado en la importancia de la colaboración interdisciplinar en la investigación sobre las depresiones polares. La cooperación estrecha entre los científicos de la atmósfera, los oceanógrafos y los científicos del hielo marino es necesaria para permitir un conocimiento completo de las depresiones polares y su papel en el sistema climático.
Mejorar las previsiones y las proyecciones a largo plazo de las depresiones polares requiere el acoplamiento de modelos de alta resolución de la atmósfera, el océano y el hielo marino. Los pronósticos de depresiones polares realizados por modelos de alta resolución acoplados ya son viables. Con el continuo incremento en las capacidades computacionales, puede que resulte factible usar modelos climáticos regionales de alta resolución acoplados y modelos climáticos globales de resolución variable para estudiar mejor cómo puede que cambie la actividad de las depresiones polares con el cambio climático y el impacto de las depresiones polares en la circulación oceánica. Tal investigación interdisciplinaria también nos ayudará a anticipar y evitar los efectos dañinos de estas pequeñas, pero intensas, tormentas polares sobre las personas y la productividad.
Agradecimientos
La autora da las gracias a René Laprise y a Philippe Gachon, ambos afiliados al Centro para el estudio y la simulación del clima a escala regional (ESCER), Universidad de Quebec en Montreal (UQAM), por sus comentarios constructivos, que ayudaron a mejorar este artículo.
Referencias
Cavaleri, L., et al. (2016), The Draupner wave: A fresh look and the emerging view, J. Geophys. Res. Oceans, 121, 6,061–6,075, https://doi.org/10.1002/2016JC011649.
Condron, A., and I. A. Renfrew (2013), The impact of polar mesoscale storms on northeast Atlantic Ocean circulation, Nat. Geosci., 6, 34, https://doi.org/10.1038/ngeo1661.
Føre, I., and T. E. Nordeng (2012), A polar low observed over the Norwegian Sea on 3–4 March 2008: High‐resolution numerical experiments, Q. J. R. Meteorol. Soc., 138, 1,983–1,998, https://doi.org/10.1002/qj.1930.
Haarsma, R. J., et al. (2016), High Resolution Model Intercomparison Project (HighResMIP v1.0) for CMIP6, Geosci. Model Dev., 9, 4,185–4,208, https://doi.org/10.5194/gmd-9-4185-2016.
Hewitt, H. T., et al. (2020), Resolving and parameterising the ocean mesoscale in Earth system models, Current Clim. Change Rep., 6, 137–152, https://doi.org/10.1007/s40641-020-00164-w.
Moreno-Ibáñez, M., R. Laprise, and P. Gachon (2021), Recent advances in polar low research: Current knowledge, challenges and future perspectives, Tellus A, 73, 1–31, https://doi.org/10.1080/16000870.2021.1890412.
Rasmussen, E. A., and J. Turner (2003), Polar Lows: Mesoscale Weather Systems in the Polar Regions, Cambridge Univ. Press, Cambridge, U.K., https://doi.org/10.1017/CBO9780511524974.
Roberts, M. J., et al. (2020), Projected future changes in tropical cyclones using the CMIP6 HighResMIP multimodel ensemble, Geophys. Res. Lett., 47, e2020GL088662, https://doi.org/10.1029/2020GL088662.
Romero, R., and K. Emanuel (2017), Climate change and hurricane-like extratropical cyclones: Projections for North Atlantic polar lows and medicanes based on CMIP5 models, J. Clim., 30, 279–299, https://doi.org/10.1175/JCLI-D-16-0255.1.
Stoll, P. J., et al. (2018), An objective global climatology of polar lows based on reanalysis data, Q. J. R. Meteorol. Soc., 144, 2,099–2,117, https://doi.org/10.1002/qj.3309.
Wu, L. (2021), Effect of atmosphere-wave-ocean/ice interactions on a polar low simulation over the Barents Sea, Atmos. Res., 248, 105183, https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2020.105183. Yanase, W., et al. (2016), Climatology of polar lows over the sea of Japan using the JRA-55 reanalysis, J. Clim., 29, 419–437, https://doi.org/10.1175/JCLI-D-15-0291.1.
Información del autor
Marta Moreno Ibáñez ([email protected]), Departamento de ciencias de la Tierra y de la atmósfera, Centro para el estudio y la simulación del clima a escala regional (ESCER), Universidad de Quebec en Montreal (UQAM), Canadá. 3 de septiembre de 2021
This translation by the author, Marta Moreno Ibáñez was made possible by a partnership with Planeteando. Esta traducción fue posible gracias a una asociación con Planeteando.