Mediciones climáticas en el techo de África

Mediciones climáticas en el techo de ÁfricaFoto de artículo
Publicado: viernes, 9 de enero de 2015 ¿Es el Kilimanjaro un accidente característico de la superficie de la Tierra o de la atmósfera? Por muy obvia que pueda parecer la respuesta en un principio, la impresión que se obtiene desde cualquiera de las vastas planicies circundantes o desde la cumbre es, con frecuencia, menos evidente. Sea como fuere, las mediciones meteorológicas que estamos llevando a cabo en esta montaña a 5775 m de altitud —exactamente en la mitad de la atmósfera a 506 hPa— están arrojando fascinantes datos en torno a la troposfe

El Kilimanjaro ocupa una superficie que supera los 3000 km² en el norte de Tanzania, con un relieve en vertical de 5000 metros. Pasar tiempo en esta montaña revela por qué 50 000 personas deciden soportar cada año las multitudes y viajar hasta allí, porque el Kilimanjaro es simplemente fascinante en múltiples sentidos. Entre ellos: una cultura humana que ha evolucionado y se ha adaptado a lo largo de los siglos y que, en muchos aspectos, se mantiene intacta; unos lugareños amables y alegres que trabajan en la montaña y que superan en número a los turistas (aprox. 4:1); la zonificación de combinaciones ecológicas que, a menudo, cambian con cada metro que se asciende; los impresionantes y característicos ciclos diurnos del clima del Kilimanjaro, que también cambian bruscamente con la altitud; y una increíble vista panorámica desde lo alto de la montaña, normalmente, mirando hacia abajo a las nubes del monte bajo, pero, de vez en cuando, hacia picos lejanos, lagos o los asentamientos humanos de las faldas. Todavía más raro es que la atmósfera circundante permanezca inmóvil: la radiación intensa impulsa la convección por encima de las laderas, expandiéndose tanto espacial como verticalmente durante el día, hasta que la circulación del aire procedente de otra dirección seca los terrenos ascendentes. Estas características y estos procesos son asombrosos.

La propia cumbre es también imponente, con una caldera más o menos plana cuyo diámetro supera los 2 km. Los múltiples cráteres concéntricos no son sino un recordatorio de que nos encontramos en la cima de un volcán. Además, los depósitos de azufre elemental, las emisiones de dióxido de azufre y los respiraderos de vapor son una clara muestra de que la actividad volcánica todavía está presente.

The Summit
Imagen 1.  Panorámica de la caldera de la cumbre vista a lo largo de los restos del Glaciar Furtwängler hasta el Campo de Hielo Norte (aprox. 2,3 km) desde el vecino Pico Uhuru.

La «increíblemente blanca bajo el sol» de Hemingway no es una hipérbole, al menos, en ocasiones. No cabe ninguna duda de que se refería a los glaciares de la cumbre, el borde irregular de un casquete glaciar que antaño rodeaba la amplia caldera y que se derramó ladera abajo. Si bien el área cubierta por el hielo ha disminuido considerablemente con respecto a su extensión a finales del siglo XIX, los glaciares siguen conservando una hermosura evidente que se contrapone a la sombría ceniza volcánica y al cielo azul intenso del fondo. Su color cambia con la iluminación, convirtiéndose en un blanco brillante cuando el albedo es alto y una intensa radiación solar entrante se refleja en ellos.

Los glaciares del Kilimanjaro, que todavía conservan un espesor superior a los 45 metros en algunos puntos, atesoran un gélido registro, sin igual dentro del continente africano, de los cambios producidos en el medioambiente. En febrero de 2000, Lonnie Thompson (Universidad Estatal de Ohio) perforó seis testigos de hielo en la cumbre y, a partir de ellos, elaboró un registro que podría abarcar casi 12 000 años. En el momento de la perforación, en la cumbre nunca se había realizado ninguna medición meteorológica sistemática, sino únicamente unas cuantas mediciones anecdóticas de la temperatura. De hecho, todas las estaciones climáticas existentes hasta esa fecha se situaban unos 4000 metros por debajo del punto más alto, por lo que sus datos no eran relevantes en cuanto a la temperatura, la radiación, la circulación del aire o las precipitaciones de la cumbre de la montaña.

Con el objetivo de proporcionar una base física que permitiese interpretar los testigos de hielo, durante la perforación se procedió a la instalación de una estación meteorológica automática (EMA) cerca del emplazamiento más profundo. Desde entonces, el objetivo principal ha evolucionado desde un experimento a corto plazo a un estudio exhaustivo que permita determinar el clima actual de la cumbre, caracterizado por una importante variabilidad interanual. Las mediciones están siendo muy valiosas para comprender la historia a largo plazo de los glaciares del Kilimanjaro, los registros de los testigos de hielo y los mecanismos causales a gran escala que se hallan detrás de los cambios ambientales que se están produciendo actualmente en el este de África.  
Imagen 2. Estaciones meteorológicas automáticas (EMA) del Campo de Hielo Norte del Kilimanjaro. A la izquierda se muestra la EMA original instalada en febrero de 2000 y que incluye un albedómetro y un pirgeómetro; la otra torre equipada con un radiómetro neto e instrumentación adicional se incorporó en 2010 y 2012.

Tras 14 años, el éxito de la EMA del glaciar ha superado todas las expectativas. Aunque el mantenimiento de la estación en una superficie glaciar en constante cambio exige un considerable esfuerzo, el Kilimanjaro proporciona una plataforma fija donde efectuar una medición continua de la troposfera tropical. A diferencia de las observaciones temporales con radiosonda a este nivel, la EMA permite medir un conjunto más amplio de variables (por ejemplo, la radiación) con una frecuencia mucho mayor. La estación inicial instalada en el año 2000 incluía sensores para la medición de la velocidad y la dirección del viento, la radiación solar entrante y reflejada, la radiación de onda larga descendiente, la temperatura de la superficie, la humedad y la temperatura del aire aspirado y con ventilación natural, la acumulación de nieve y su ablación (es decir, la distancia ultrasónica), y la presión barométrica (Imagen 2). Cada cuatro horas, la estación transmite los valores de la mayoría de las mediciones a través de la telemetría por satélite Argos, que ha demostrado un funcionamiento a prueba de errores durante todo este periodo. 

En 2010 y 2012, se instalaron unos sensores adicionales, compatibles con los sensores de la USCRN (Red de Referencia Climática de los EE. UU.), equipados con una carcasa protectora contra la radiación con ventilación ininterrumpida, varios sensores de temperatura con PRT y un sensor de humedad caliente de elevada precisión. Otras incorporaciones fueron un transductor de temperatura por infrarrojos y un radiómetro neto de cuatro componentes integrado. Gracias a la mejora en la precisión de las mediciones, estos nuevos sensores aportan una nueva y amplia perspectiva del clima de la cumbre.
 
Imagen 3.  EMA del Campo de Hielo Norte del Kilimanjaro (5775 m) con radiómetro neto (izquierda) y carcasa de protección con aspiración por ventilación del sensor de temperatura y de humedad (derecha). Al fondo se visualiza la cumbre Mt. Meru, situada a una distancia de 70 km.

 
Imagen 4. Radiómetro neto y transductor de temperatura por infrarrojos instalado en el Kilimanjaro en octubre de 2012. Ambos sirven para medir la misma área de la superficie del glaciar.

El éxito de las mediciones climáticas en el Campo de Hielo Norte depende de múltiples factores. Algunos de ellos ya se han anticipado, como la naturaleza aislada de la montaña y su elevada altitud, mientras que otros son fortuitos:

  • La circulación del aire en el gran glaciar con forma de cúpula casi no se ve entorpecida por la topografía. Al este (la dirección predominante del viento), se extiende una superficie de hielo y nieve relativamente llana con una extensión de unos 800 m desde la EMA. La velocidad del viento (que suele alcanzar una media de 6 m/s) proporciona una excelente ventilación a los instrumentos —lo cual mejora la precisión—, si bien no es frecuente que se registre una carga de viento elevada en la torre.
  • Normalmente, el aire de la cumbre del Kilimanjaro es seco (presión de vapor media en torno a los 2 hPa) y las precipitaciones anuales no superan los 300 mm. Es habitual que alrededor de la montaña se formen nubes estratiformes o convectivas que, en ocasiones, alcanzan una altitud todavía mayor. Al mismo tiempo, sobre la caldera de la cumbre suelen prevalecer los cielos despejados. Si bien este patrón en forma de rosquilla no resulta visible desde las planicies circundantes, se trata de un rasgo importante del clima de la cumbre. Tal y como demuestran las imágenes de la cámara de lapso de tiempo, el aire seco y la intensa radiación solar entrante impiden la formación frecuente de escarcha en los instrumentos. Incluso durante las dos épocas estacionalmente húmedas del año, la escarcha que se forma suele sublimarse o caerse en cuestión de horas o de días (por ejemplo, en la segunda fotografía de la Imagen 5).
  • La excelente calidad del aire del Campo de Hielo Norte permite salvaguardar la precisión de los instrumentos entre cada calibración e intervalo de mantenimiento. A pesar de que una amplia superficie de la caldera está al descubierto, un análisis de oligoelementos reciente en uno de los testigos de hielo reveló concentraciones muy bajas de partículas insolubles.
  • La intensa radiación solar ofrece un recurso energético abundante explotable a través de sistemas fotovoltaicos.
  • Los datos de estaciones de larga duración que existen en el este de África proceden casi exclusivamente de altitudes, como mínimo, 4000 m inferiores a la de la EMA del Kilimanjaro (por debajo de una persistente capa de inversión) y no son, por tanto, tan representativas del clima de la cumbre ni de su atmósfera libre.
  • A los pies de la EMA existe, literalmente, un archivo ambiental que el glaciar se encarga de preservar y que, en la actualidad, se cree que data de hace casi 12 000 años. Las mediciones climáticas modernas están ayudando a interpretar el registro de los testigos de hielo a través de una mejor comprensión de la forma en que el glaciar registra el clima.


Imagen 5. Presentación de tres imágenes captadas por la cámara de lapso de tiempo del Campo de Hielo Norte en el Kilimanjaro para ilustrar la variabilidad en el albedo y la textura de la superficie del glaciar (obsérvese la estaca de ablación en primer plano). De izquierda a derecha: 12 de octubre de 2009, 11 de enero de 2010 y 3 de febrero de 2010 (todas a las 18:00 h, hora local).

Estamos especialmente entusiasmados con las últimas mediciones del sensor de radiación neta incorporado recientemente. Hasta la llegada de este instrumento, todos los componentes de la radiación se medían por separado, puesto que las consideraciones técnicas y espaciales exigían la colocación de los instrumentos cerca de la torre. Debido a su situación prominente dentro del campo de visión de los instrumentos, la torre influía negativamente en las mediciones. En la actualidad, el ligero sensor integrado permite realizar mediciones a una distancia prudencial de la torre para una representación mejor de las cuatro variables (Imagen 4). Además, cualquier ajuste de nivelación durante los trabajos de campo en el emplazamiento (5775 m) requiere mucho menos tiempo que el necesario para nivelar cuatro instrumentos diferentes.

Los datos de este primer año con un radiómetro neto integrado en el emplazamiento revelan que la intensidad de la radiación en el Kilimanjaro —expresada en forma de onda corta entrante mediana a mediodía durante todos los días del año— fue casi del 90 % de la registrada en la parte superior de la atmósfera. La radiación de onda corta neta registró grandes variaciones debido al control de la reflectividad por parte del albedo de la superficie, que osciló entre un 0,31 durante la estación seca y un 0,90 tras las nevadas. En general, las mediciones apuntan hacia una estrecha correspondencia entre la variabilidad de la duración de las nevadas / la superficie nevada y la radiación solar neta. La Imagen 6 muestra la sensibilidad de la recepción de onda corta neta a las nevadas (por ejemplo, en un evento a finales de septiembre), aunque también ilustra la influencia en la magnitud de las nevadas, tal y como demuestra el aumento gradual tras las «lluvias largas» de marzo a mayo. Durante la prolongada estación seca de junio a septiembre, el albedo se va reduciendo paulatinamente a medida que la nieve envejece y origina casi el doble de radiación de onda corta neta, lo que da lugar a una ablación continua durante los meses más fríos del año (no se muestra).

Imagen 6.  Serie cronológica de la altura superficial del glaciar y la radiación de onda corta neta en el Campo de Hielo Norte (NIF), ambas expresadas como promedios cada 7 días. Los datos de la altura superficial son del 25 de febrero de 2000. Adviértase la escala invertida del eje Y para la radiación.

Estas nuevas mediciones de la radiación confirman que la variabilidad de la radiación neta controla muy de cerca la «salud» de estos glaciares. Otras mediciones anteriores, y su modelado por parte de colaboradores de la Universidad de Innsbruck (Austria), revelaron que los glaciares del Kilimanjaro son sensibles, por encima de todo, a la variabilidad en la cantidad de nieve caída y al tiempo. Una razón lógica para ello es que las nevadas aportan masa a los glaciares; sin embargo, más importante aún, es que influyen en el comportamiento del brillo de la superficie (es decir, el albedo) que controla el grado en que la radiación solar se refleja en lugar de absorberse (Imagen 5). Cuando la superficie del glaciar absorbe la radiación, esta energía se pone a disposición de los procesos de fusión y de sublimación, los cuales eliminan la masa de los glaciares y causan su contracción.

A pesar de que muchas montañas tropicales albergan una enorme biodiversidad, las características del clima de alta montaña todavía no están suficientemente documentadas. Sin embargo, algunos conjuntos ecológicos serán incapaces de migrar en sentido ascendente tan rápido como lo hace el calentamiento de la troposfera. El Kilimanjaro brinda la oportunidad de realizar un completo conjunto de mediciones climáticas a una altitud muy superior a la de otras estaciones de la región. Por ello, debe considerarse como una herramienta valiosa para la evaluación del rendimiento de los modelos y de las mediciones realizadas a una escala espacial mayor mediante radiosondas, satélites o datos de reanálisis. Con suerte, las mediciones en el Kilimanjaro podrán continuar hasta que se haya dilucidado mejor la variabilidad interanual y, mientras tanto, las colaboraciones investigadoras también seguirán y aumentarán.

La operación de la EMA del Kilimanjaro ha supuesto un fascinante desafío que únicamente se ha podido concretar con la ayuda de numerosos colaboradores y ayudantes. Sirva la presente como una muestra de especial gratitud a Raymond Bradley, del Centro de Investigación de Sistemas Climáticos de la Universidad de Massachusetts Amherst, a Thomas Mölg y Georg Kaser de la Universidad de Innsbruck, así como al personal de Tanzania que nos asistió en la montaña y en los organismos gubernamentales (en especial, TAWIRI, TANAPA y KINAPA). Esta investigación ha sido financiada principalmente por la Fundación Nacional para la Ciencia (NSF) de los EE. UU.; las opiniones, los resultados y las conclusiones o recomendaciones que se expresan en este artículo son responsabilidad exclusiva del autor y no reflejan necesariamente el punto de vista de la NSF.

Autor
Douglas R. Hardy, doctor del Departamento de Geociencias del Morrill Science Center de la Universidad de Massachusetts, Amherst MA, EE. UU.


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