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La radiación del Sol que llega a la Tierra determina la evolución de la temperatura en la superficie de la Tierra, sean los componentes sólidos (tierra, hielo), líquidos (agua) o gaseosos (aire), y por lo tanto la distribución de las zonas climáticas. El régimen de radiación de la Tierra se relaciona en primer lugar con la Insolación del Sol, quiere decir con la energía solar, la que depende fundamentalmente de Factores astronómicos variándose cíclicamente a largo plazo, como son la distancia entre la Tierra y el Sol, la forma de la órbita de la Tierra, la rotación de la Tierra basada en su forma esférica, la inclinación del eje rotatorio de la Tierra, etc., pero también de fenómenos periódicos más cortos de la actividad solar, por ejemplo las erupciones solares y las manchas solares (Capítulo 4).

Por eso es necesario recordar que nos encontramos en nuestro Sistema Solar y qué estrecho y arriesgado es el sendero, o floja la cuerda, de la existencia humana. Por decirlo de otra manera, qué estrechamente relacionada está la vida vegetal y animal a la distancia y a la posición geométrica de la Tierra al Sol. En la presentación tabular de SCHOENITZER (2019) de la Figura 7 se nota que las temperaturas superficiales medias de los planetas de nuestro Sistema Solar disminuyen obviamente con el alejamiento del Sol. En el caso de la Tierra, la distancia Sol – Tierra no es constante, sino varia unos 5 millones de kilómetros en la actualidad, es decir, hasta un 3 % de la distancia media del Sol.

Figura 7 (siguiente): Presentación sinóptica de los planetas los más cercanos del Sol, sus distancias del Sol y sus temperaturas superficiales; de www://schoenitzer.de/Planeten.html (2019).

Fig. 7

Los factores astronómicos de períodos a largo plazo son decisivos en los cambios periódicos del régimen de insolación, y consecuentemente para la evolución de las temperaturas en la superficie de la Tierra. Fueron descubiertos por el matemático y geofísico serbio Milutin Milankovitch (1879-1958) y por eso se conocen como los Ciclos de Milankovitch. Milankovitch indentificó tres importantes ciclos astrofísicos seguidos por los parámetros de movimiento de la Tierra orbitando el Sol (por ejemplo MILANKOVITCH 1930).

El Sol y todos los planetas del Sistema solar se sitúan, con la excepción de unos pocos grados, en un plano llamado Plano de la eclíptica. La órbita de la Tierra alrededor del Sol cambia su grado de achatamiento, quiere decir, desde una órbita casi circular a una órbita ligeramente elíptica con el Sol encontrándose en uno de los focos elípticos, durante de ciclos de unos 100.000 – 110.000 años de duración. Este es el ciclo de Milankovitch de más larga duración que se llama también "cambio de la Excentricidad" en ciclos de 100.000 – 110.000 años. La excentricidad es un parámetro numérico que determina el grado de desviación de una órbita de una circunferencia perfecta (es decir de un círculo perfecto, Figura 9-A. Un círculo perfecto tiene el valor 0, mientras una elipse tiene valores mayores de 0 y menores de 1. Sólo cuando una elipse es tan alargada que termina siendo una línea recta, el valor es 1. Figura 8 presenta los valores calculados de variación de la excentricidad de la Tierra (orbitando el Sol) desde hace 1.000.000 de años hasta 1.000.000 años en el futuro. La causa de estos cambios orbitales son las influencias de la atracción gravitatoria de los planetas Venus y Júpiter, principalmente, y en menor grado las de los otros planetas del Sistema Solar, cuyos campos de gravedad se solapan con el del Sol.

Ya desde la Antigüedad los filósofos, matemáticos y astrónomos griegos trataron de explicar el movimiento de los planetas y de las estrellas. Fue en el siglo XVII, en el contexto de la nueva revolución científica, cuando Johannes Kepler (1571-1630) reconoció la forma elíptica de la órbita terrestre y la describió en la primera de sus tres "Leyes Kepler". Más tarde, en los años de los 1680, estas fueron comprobadas y completadas por el físico y matemático inglés Isaac Newton (1642-1726) en sus tratados teóricas de las leyes del movimiento y de la gravedad. Le fue posible a explicar también los trabajos de Nicolás Copérnico (1473-1543) y de Galileo Galilei (1564-1641). A fin de cuentas, él pudo demonstrar que la Teoría geocéntrica, el concepto que sitúa a la Tierra en el centro del Universo, y a los astros, incluido el Sol y sus planetas, girando alrededor de la Tierra, del "main stream" europeo de aquellos tiempos era erróneo. Basado en sus observaciones y cálculos científicos, Nicolás Copérnico, Giordano Bruno y Galileo Galilei defendieron la Teoría heliocéntrica, como ya lo hizo mucho antes el astrónomo y matemático griego Aristarco de Samos (310–230 BC), por lo que fueron acusados de herejes por la Inquisición medieval. Giordano Bruno que no quiso negar a sus ideas y diferentes principios científicos en los que creía, fue condenado a perecer en la hoguera en el año de 1600.

Figura 8 (siguiente): La variación de la excentricidad de la Tierra orbitando el Sol (eje Y) desde hace 1.000.000 de años (-) y hasta 1.000.000 de años (+) en el futuro (eje X). En el actual período cálido del Holoceno, la excentricidad tiene un valor de 0,0167 que es claramente más pequeño que el valor medio de 0,02674 (línea azul) lo que significa que la órbita terrestre actual se aproxima casi a un círculo perfecto. Épocas frías y cálidas de la Tierra corresponden claramente con las máximas y mínimas de la excentricidad; de http://www.geoastro.de/kepler/eccentricity1.html, ver también la Figura 11.

Fig. 8

Actualmente, en el actual período cálido del Holoceno o Posglacial (posterior a la última glaciación de Würm), la órbita terrestre se aproxima casi a un círculo perfecto lo que significa que la excentricidad es muy pequeña y tiene el valor actual de 0,0167. Probablemente en menos de 30.000 años la excentricidad volverá a llegar a su mínimo con valores por debajo de 0,005 (Figuras 8 y 11). Cuando crece la excentricidad y la órbita terrestre toma una forma más elíptica, crece también la máxima distancia Sol – Tierra en el afelio. Durante las últimas épocas glaciales, la excentricidad llegó a tener valores hasta 0,06 (Figura 8). La distancia actual Sol – Tierra, con una órbita de una Excentricidad pequeña de 0,0167, varía entre un mínimo de 147,1 millones de kilómetros en la cercanía del Sol (en el Perihelio, del griego viejo: peri-helios = cerca del Sol) y un máximo de 152,1 millones de kilómetros en la lejanía del Sol (en el Afelio, de ap(o)-helios = lejos del Sol). Es importante constatar que en el hemisferio norte la Tierra llega en la actualidad a la posición más cercana (al Sol), es decir en el perihelio, en invierno. En verano del hemisferio norte estamos más lejos del Sol (en el afelio). Esta situación, más lejos del Sol en verano o invierno, varió a lo largo de la Historia de la Tierra. Su significado para la evolución del clima se va a discutir más adelante.

La diferencia de distancia actual entre 147,1 millones de kilómetros en la cercanía del Sol (en el perihelio) y 152,1 millones de kilómetros en la lejanía del Sol (en el afelio) son unos 5 millones de kilómetros o aproximadamente un 3 % de la distancia media de 149,6 millones de kilómetros entre el Sol y la Tierra - sólo para concretar esta variable astronómica. Esta diferencia de distancia actual es 13 veces más larga que la distancia media entre la Tierra y la Luna. Eso significa, por ejemplo, que la máxima distancia Tierra – Sol (en el afelio) es mucho más pequeña de excentricidad pequeña (actualmente de 0,0167) que de excentricidad máxima de 0,06, como fue durante las últimas épocas glaciales. Cuando aumenta el eje mayor de elipse (aumentando la excentricidad) aumenta la lejanía (el afelio) de la Tierra del Sol y se reduce la intensidad de la radiación solar que llega a la Tierra. Aquí hay que considerar la ley general del Inverso del Cuadrado, es decir que la intensidad de una radiación puntual (como la del Sol) se reduce al cuadrado de la distancia lo que significa que la intensidad de la radiación solar que llega a la Tierra se disminuye con el cuadrado de la diferencia de distancia de la Tierra alejándose del Sol. Suena bastante complicado, pero matemáticamente es fácilmente comprensible y computable.

Figura 9 (siguiente): los 3 ciclos astrofísicos de Milankovitch; 9-A: Variación de la forma más o menos elíptica de la órbita terrestre (llamada Excentricidad) que presenta una ciclicidad de unos 100.000-110.000 años; 9-B: variación cíclica de la inclinación del eje rotatorio de la Tierra (llamada Oblicuidad). En el curso de unos 41.000 años, la inclinación varía entre 22,1° y 24,5°; 9-C: descripción del "cabeceo" del eje de rotación (llamado Precesión) durante ciclos de unos 19.000-23.000 años; de TARBUCK et al. (2005).

Fig. 9

Cuando la lejanía en el afelio (la máxima distancia Sol – Tierra) es más pequeña, es en épocas de pequeñas excentricidades, por ejemplo 0,017 como ocurre en la actual época cálida del Holoceno. Pero más que la diferencia de distancia, influyen los valores absolutos al cuadrado de la intensidad de radiación solar, que, en épocas de elevadas excentricidades, con excentricidades de valores hasta 0,06 (es decir, una órbita terrestre menos circular), cuando la máxima distancia Sol – Tierra (en el afelio) es más grande. Así fue durante las últimas épocas glaciales. Una excentricidad relativamente mayor lleva finalmente a mayores diferencias en las temperaturas entre las estaciones (de invierno y verano) en los dos hemisferios porque pasan unos 6 meses (½ año) cuando la Tierra, en su órbita, cambia la posición de mínima (en el perihelio) a la máxima (en el afelio) distancia al Sol. Eso es muy relevante sobre todo en las altas latitudes geográficas de los hemisferios donde las diferencias de la radiación solar (y por lo tanto de las temperaturas) entre invierno y verano son más pronunciadas. Suponiendo que la distancia media Sol – Tierra (unos 149,6 millones de kilómetros) sigue siendo la misma, en el caso de una Excentricidad de un valor de 0,06, la mínima distancia Sol – Tierra (en el perihelio) sería unos 140,6 millones de kilómetros y la máxima distancia Sol – Tierra (en el afelio, a máxima distancia Sol – Tierra) unos 158,6 millones de kilómetros. En estos casos, la diferencia de distancia entre perihelio y afelio es de 18 millones de kilómetros o de un 12 % de la distancia media que corresponde más o menos 47 veces la distancia media entre la Tierra y la Luna. Como mencionado arriba, en la actualidad esta diferencia es sólo de un 3 % siendo la órbita terrestre casi circular.

La excentricidad no sólo varia con ciclos de unos 100.000-110.000 años como identificó Milan Milankovitch. Recientes investigaciones geocientíficas demostraron que existen también otros ciclos de unos 405.000-413.000 años que se observan para períodos de cientos de millones de años atrás en la Historia de la Tierra (por ejemplo KENT et al. 2018). A continuación, se describen los efectos positivos y negativos en la evolución de la temperatura de la atmósfera y de los océanos de los dos otros ciclos observados de Milankovitch.

El eje rotatorio de la Tierra está inclinado con respecto a la vertical del plano de la eclíptica mencionado arriba, quiere decir el plano de las órbitas de los planetas alrededor del Sol, lo que se llama Oblicuidad. Para ciclos de unos 41.000 años la inclinación del eje de rotación de la Tierra, la Oblicuidad, varía entre 22,1° y 24,5° (Figura 9-B). Eso significa que el eje rotatorio de la Tierra no es perpendicular al plano de la órbita terrestre alrededor del Sol, sino que oscila en el curso de unos 41.000 años entre 22,1° und 24,5°. Recordemos de los atlas escolares que los trópicos se encuentran a 23,5° (grados de latitud) al sur y al norte del ecuador. Actualmente el ángulo de inclinación es de 23,43684° y disminuye unos 0,00001° cada mes. Cuando la Oblicuidad llega a su máximo hacia los 24,5°, las diferencias de temperatura (o sea de insolación) entre verano e invierno en los hemisferios norte y sur son mayores que durante períodos de pequeña Oblicuidad (unos 22,1° de inclinación del eje terrestre). Eso es muy relevante para la evolución de las zonas climáticas sobre todo en el hemisferio norte donde predominan tierras continentales y donde se pueden formar macizas capas de hielo durante las épocas glaciales, en comparación con lo que ocurre con el hemisferio sur con predominio de océanos.

Con pequeña inclinación (de Oblicuidad) los inviernos en las latitudes elevadas son menos acusados. Sin embargo, los glaciares pueden acumular mayores volúmenes de nieve porque la evaporación en los océanos es mayor, por lo que puede haber más precipitaciones en forma de nieve cuando las temperaturas están por debajo del punto álgido. En cambio, durante los veranos la ablación (es lo que causa la disminución de la nieve y del hielo) es inferior por la reducida insolación y en consecuencia por las bajas temperaturas. Resumiendo, cuanto menos inclinado está el eje terrestre (hacia los 21,1°) tanto mejor son las condiciones para la formación de capas de hielo continentales, sobre todo en las latitudes elevadas del hemisferio norte donde abundan las tierras continentales. Lo contrario aparece con el eje de la Tierra inclinada al máximo (hacia los 24,5°). En efecto, las épocas frías del Pleistoceno, de los últimos 2,56 millones de años, corresponden a fases para las que se evaluaron pequeños ángulos de inclinación, mientras fases con mayores inclinaciones corresponden a épocas cálidas. Como pudimos ver en la Figura 4, en el curso de los 830.000 años presentados se pueden contar unos 20 Estados Isotópicos Marinos (MIS) lo que resulta en un período medio de unos 41.500 años. Aquí se reconoce la periodicidad de la Oblicuidad (del cambio angular del eje rotatorio de la Tierra) de unos 41.000 años que aparentemente marca considerablemente el compás de los diferentes MIS, ilustrados por los valores índice "proxy" de δ¹⁸O para el desarrollo de la temperatura.

Además, en ciclos de 19.000-23.000 años varia la Precesión del eje terrestre, el tercer ciclo de Milankovitch. El eje rotatorio de la Tierra presenta un cierto "cabeceo" (como una peonza a punto de caer) alrededor de un eje perpendicular a la órbita terrestre, manteniendo más o menos el ángulo de la Oblicuidad, lo que se llama en la astronomía también Precesión de los equinoccios (Figura 9-C). Con el movimiento de la Precesión, el eje rotatorio inclinado de la Tierra se mueve alrededor de la recta de la órbita terrestre que se manifiesta en que los polos terrestres inclinados según la Oblicuidad están moviéndose muy lentamente alrededor de la recta de la órbita de la Tierra durante un período de unos 19.000-23.000 años. Con este movimiento de la Precesión se cambian muy lentamente las posiciones estacionales de los polos de la Tierra orbitando alrededor del Sol. Es decir, que se cambian así las posiciones estacionales del sol del afelio (máxima distancia del Sol, en la actualidad unos 152,1 millones de kilómetros) y del perihelio (mínima distancia del Sol, en la actualidad unos 147,1 millones de kilómetros de distancia Sol – Tierra) siendo la órbita terrestre actualmente poco elíptica. Eso resulta en que la variación de la Precesión también influye en la intensidad de radiación solar que llega a nuestro planeta e intensifica la diferencia de temperatura (la disposición estacional) en uno de los dos hemisferios, mientras la suaviza en el hemisferio opuesto. Recordamos que en la actualidad la máxima distancia Sol – Tierra (en el afelio, máxima distancia del Sol) es a principios de julio (verano en el hemisferio norte e invierno en el hemisferio sur). Hace unos 11.500 años, como también ocurrirá dentro de unos 11.500 años, la máxima distancia Sol – Tierra (en el perihelio) fue / será a principios de enero (invierno en el hemisferio norte y respectivamente verano en el hemisferio sur). En tiempos de gran Excentricidad, cuando la órbita terrestre tiene una forma más elíptica y cuando la Tierra oscila entre una distancia máxima del Sol de unos 158,6 kilómetros y una distancia mínima de unos 140,6 kilómetros, esta influencia de la posición estacional de la Tierra por el "cabeceo" de la Precesión puede ser más intensiva que con pequeña Excentricidad, como en la actual situación.

El adelantamiento cíclico de la posición veraniega o invernal en el perihelio, y correlativamente en el afelio, se debe a que se cambia el movimiento de Precesión (el "cabeceo") de la Tierra mientras gira a lo largo de su órbita, lo que está causado por el hecho que la Tierra no es una esfera perfecta, sino que está ligeramente achatada en los polos. El diámetro de la tierra es más grande en el ecuador (ca. 12.756 km) que en los polos (unos 12.713 km). A esto hay que añadir la influencia de las fuerzas gravitatorias del Sol, de la Luna y, en mucho menor escala, las de los planetas vecinos, sobre el movimiento giratorio inclinado de la Tierra. Si se compara la evolución de la temperatura y de la cantidad calorífica de la insolación solar durante las dos últimas glaciaciones (Riss y Würm), con más resolución como en la Figura 10, se pueden observar períodos calurosos relativamente cortos de unos 22.700 años, 11 máximos en 250.000 años, que corresponden claramente a los ciclos de la Precesión. Ya hemos notado un período parecido observando los pequeños y grandes máximos de temperatura en la gráfica de los Estadios Isotópicos Marinos (MIS) de la Figura 4.

Estos dos últimos Ciclos astrofísicos de Milankovitch del movimiento rotatorio de la Tierra determinan muy considerablemente la evolución de la temperatura y del clima en la Tierra. Un parámetro muy importante adicional es la distribución muy diferente de las superficies continentales de tierra, y consecuentemente las masas oceánicas, de la Tierra: el hemisferio norte con más superficies continentales y el hemisferio sur con más océanos. Nuestras típicas cuatro estaciones en las alturas geográficas medias y altas del hemisferio norte y análogamente del hemisferio sur, se deben a la inclinación del eje terrestre, a la Oblicuidad. En el curso de un año el eje terrestre inclinado no está permanentemente orientado en la misma posición hacia el sol. Una posibilidad de orientación podría ser teoréticamente, por ejemplo, alejada al Sol. Pero en ese caso teórico, siempre sería invierno en el hemisferio norte. Sin embargo, el eje rotatorio inclinado de la Tierra se gira en el curso de un año, en la órbita de la Tierra alrededor del Sol, de una orientación alejada al Sol (invierno en el hemisferio norte y verano en el hemisferio sur) a una orientación inclinada hacia el Sol (verano en el hemisferio norte e invierno en el hemisferio sur) manteniendo su ángulo de inclinación (= Oblicuidad) que oscila durante un período de unos 41.000 años de 22,1° a 24,5° y volviendo a los 22,1° (Figura 9-B). Con eso se cambia la intensidad de la insolación, quiere decir, la cíclica variabilidad de inviernos más o menos fríos y veranos más o menos calurosos del hemisferio correspondiente. Este es el ciclo astrofísico de la Oblicuidad que se puede observar muy bien en los Estadios Isotópicos Marinos (MIS) del desarrollo de la temperatura en la Tierra (Figura 4). Pero no es suficiente esta variación cíclica de la insolación y de su influencia en las estaciones. En el curso de unos 19.000 a 23.000 años, quiere decir, casi a la mitad del ciclo de unos 41.000 año de la Oblicuidad del cambio de la inclinación del eje rotatorio de la Tierra, se cambia también el "cabeceo" del eje rotatorio de la Tierra, la Precesión, manteniendo más o menos el ángulo de inclinación (la Oblicuidad), que resulta que la orientación estacional del eje rotatorio de la Tierra de una orientación hacia o alejada al Sol se cambia de una posición de mínima distancia (perihelio) o máxima distancia (afelio) de la Tierra al Sol (Figura 9-C) en su órbita más o menos elíptica alrededor del Sol. Eso significa que la Tierra oscila durante unos ciclos de unos 19.000-23.000 años de duración entre una posición invernal y una posición veraniega, para cada de los dos hemisferios, de una situación de mínima distancia (perihelio) y máxima distancia (afelio) de la Tierra al Sol, lo que a la vez tiene una gran influencia en la intensidad de la insolación que llega a la Tierra.

Como se mencionó antes, la fecha del afelio (la máxima distancia Sol – Tierra) cae actualmente a principios del mes de julio, en el verano del hemisferio norte. Por esta razón la insolación en verano del hemisferio norte es algo inferior a la insolación en el verano del hemisferio sur (medio año más tarde, es decir a principios del mes de enero) lo que corresponde con el perihelio (a la mínima distancia Sol – Tierra). Eso fue diferente a finales de la última Época glacial hace unos 11.500 años que se corresponde más o menos a la mitad del ciclo de la Precisión de hasta 23.000 años. Al final de la última Época glacial la Tierra estaba en su punto más alejado del Sol (en el afelio) durante el invierno del hemisferio norte. Esto significa que la Precesión también tiene una gran influencia en la intensidad de la insolación que puede recibir la Tierra reforzando los contrastes de temperatura durante las diferentes épocas estacionales en un hemisferio mientras los reduce en el hemisferio opuesto. Resulta que actualmente (hablando en términos geológicos) tenemos en general inviernos relativamente más suaves y veranos relativamente más frescos en el hemisferio norte, mientras en el hemisferio sur los inviernos son más frescos y los veranos más cálidos. Tal vez fue el episodio de frío en julio y agosto de 2021, en el invierno austral, que trajo extrañamente nieve y hielo también a las plantaciones de café del sur de Brasil y de Colombia, situadas en alturas de hasta 1.000 metros sobre el nivel del mar, un ejemplo para esta posición invernal más alejada del Sol, combinada con efectos meteorológicos de la Oscilación Antárctica AAO con índices negativos en julio y agosto de 2021, respectivamente del efecto meteorológico de La-Niña con índices ENSO (El Niño Southern Oscillation) negativas en el Pacífico Sur (ver Capitel 5), en un período de baja actividad de manchas solares (ver siguiente capítulo).

El pico máximo de frío de la última Época glacial fue hace unos 21.000 años, aproximadamente coincidiendo con la máxima cobertura de hielo en la Tierra, pero todavía no coincidiendo con el nivel más bajo de los océanos (referirse al Capítulo 9). Hasta que se notará una marcada subida del nivel del mar pasaron unos miles de años más hasta que la temperatura en la Tierra subió más visiblemente cuando la insolación se incrementó. Seguramente este fenómeno se puede atribuir a un cierto retardo a causa de las enormes masas de hielo continental. Todavía había tanto hielo y nieve en los continentes que reflejaba a la radiación solar. La palabra clave aquí es el efecto Albedo, quiere decir, la capacidad de reflexión de superficies no luminosas que sí pueden reflejar difusamente la radiación. Se refiere a la reflexión de la radiación solar en la todavía extensa y maciza cobertura de hielo y de nieve en los polos y continentes, a finales de la última Época glacial, antes de que el progresivo calentamiento de la Tierra fuera capaz de fundir cada vez más rápidamente las capas de hielo y de nieve de los polos y de los continentes.

Figura 10 (siguiente): El desarrollo de las temperaturas (curva de color malva) basado en datos índice tipo "proxy" de testigos de hielo de Vostok (eje Y izquierdo: diferencias de la temperatura media), y de la insolación (línea negra, eje Y derecho: cantidad calorífica de la insolación solar en W/m² para el mes de julio en la latitud norte de 65°) que representan a los Ciclos de Milankovitch de los últimos 250.000 años. Las épocas glaciales frías del Riss y del Würm coinciden claramente con los mínimos de insolación, las Épocas interglaciales cálidas del Eem y del actual Holoceno corresponden a los máximos de insolación de los Ciclos de Milankovitch; de www.climatedata.info.

Fig. 10

En la Figura 10 se presenta (a base de datos índice tipo "proxy") la relación entre la evolución de las temperaturas y la insolación correspondiente a los Ciclos de Milankovitch de los últimos 250.000 años abarcando las últimas dos Épocas glaciales (Riss y Würm) que coinciden claramente con los mínimos de insolación, y las Épocas interglaciales situadas en el anterior (el Eem) y el actual Holoceno que se corresponden con los máximos de insolación de los Ciclos de Milankovitch. Aparentemente, los ciclos de unos 19.000-23.000 años de duración de la Precesión, es decir, los ciclos del "cabeceo" del eje rotatorio de la Tierra, son los que provocanlos cambios de períodos más fríos y más calurosos dentro de las propias épocas glaciales (que corresponde a los 11 máximos de insolación en el período de los 250.000 años presentados en la Figura 10).

Como arriba dicho, se puede observar en la Figura 8, que la excentricidad tiene actualmente un valor de 0,0167 que es claramente más pequeño que el valor medio de 0,02674 lo que significa que la órbita terrestre actual se aproxima casi a un círculo perfecto. Durante la última glaciación, hace aproximadamente unos 100.000 años, la excentricidad (de 0,043) alcanzó valores de poco más de 2,5 veces más altos que en la actualidad lo que quiere decir que la órbita de la Tierra era más elíptica y la Tierra estaba periódicamente más alejada del Sol. Siguiendo el cambio futuro de la excentricidad en la Figura 8, se observa que se puede contar con una continuación de la disminución de la excentricidad durante las próximas decenas de miles de años hacia un valor por debajo de 0,005, hasta que la excentricidad vuelve a subir, incluso por encima del valor medio de 0,027, cuando la órbita de la Tierra alrededor del Sol vuelva a ser de nuevo más elíptica.

Figura 11 (siguiente): Intento pronóstico de la evolución climática de la Tierra durante los próximos 80.000 años (eje X); según VINÓ (2018). Curva roja: Insolación de verano en una latitud de 65°, hemisferio norte (según HUYBERS 2006). Curva azul y valores azules del eje Y derecho: evolución de la concentración de CO₂ (según ARCHER 2005). Curva negra: volumen de hielo de los últimos 30.000 años (según LISIECKI & RAYMO, 2005); ¡presentación inversa de los valores en el eje Y izquierdo! Curva gris oscuro dentada: evolución futura del volumen de hielo basada en influencias orbitales (astrofísicas). ¡presentación inversa de los valores en el eje Y izquierdo! Curva gris claro, casi horizontal: presumido volumen de hielo basado en la hipótesis de un largo período cálido causado antropológicamente (según GANOPOLSKI et al., 2016). Curva punteada y valores negros del eje Y derecho: evolución de la excentricidad (según LASKAR et al., 2004); ver también la Figura 8.

Fig. 11

En las gráficas de la Figura 11 se trata de pronosticar la evolución del régimen energético, del volumen de hielo y de la concentración de CO₂ para los próximos 80.000 años. Según la línea punteada, la excentricidad (con ciclos de unos 110.000 años) disminuye a un valor por debajo de 0,005 (valores correspondientes en negro en el eje Y derecho). El régimen energético en el hemisferio norte varia aproximadamente en el ritmo de los diferentes ciclos astrofísicos sobrepuestos (curva roja). Para la evolución del volumen de hielo (respectivamente de la temperatura) se ofrecen dos escenarios opuestos. En caso de que el actual período cálido siguiera, el volumen de hielo se mantendría más o menos en un nivel bajo (curva gris claro con valores inversos en el eje Y izquierdo). Este es el escenario preferido de los partidarios de un Cambio climático antropogénico basado en altos valores de CO₂. El segundo escenario considera los efectos orbitales cíclicos de Milankovitch (variación de la Precesión, Oblicuidad, etc.) causando un nuevo enfriamiento de la Tierra con un nuevo crecimiento del volumen de hielo (curva azul). En este caso la concentración de CO₂ se establecería en valores ligeramente por encima de unos 300 ppm.

Comparando la duración de los últimos cálidos períodos interglaciales, se manifiesta que la Época cálida del Eem (Interglacial entre las Épocas de hielo de Riss y de Würm hace unos 126.000 a 115.000 años) duró unos 11.000 años (ver Figura 3 y la Tabla 1). La época cálida anterior, el Interglacial del Holstein, entre las Épocas de hielo de Mindel y de Riss, duró unos 15.000 años. Otras épocas cálidas interglaciales anteriores, como por ejemplo el Interglacial Donau-Günz, presentan duraciones hasta unos 30.000 años. Sin embargo, hay que ser consciente de que durante estos largos períodos glaciales e interglaciales siempre existían episodios cortos de períodos más cálidos como también más fríos (ver la Figura 4 de los Estadios y subestadios Isotópicos Marinos MIS), como se pueden observar por ejemplo durante la última Época glacial de Würm (ver Figura 29) o durante los últimos 12.000 años de la actual época cálida del Interglacial del Holoceno (ver la Figura 6 o la Figura 51 más abajo). Hace ya más de 100 años que los geocientíficos se dieron cuenta de una relación entre el clima terrestre y la variación de la distancia entre la Tierra y el Sol. Tabla 2 detalla los mínimos y máximos de la excentricidad de la órbita de la Tierra calculados para miles de años antes de 1850 y la denominación de las cuatro últimas clásicas épocas glaciales incluido el "avance glacial báltico" hace unos 14.000 años. Es decir, hace más de cien años, los científicos ya fueron capaces de determinar matemáticamente los diferentes efectos de la órbita de la Tierra alrededor del Sol y darles la importancia que les corresponde para la evolución del clima de la Tierra. Eso significa que se conocen todos los parámetros astrofísicos para poder calcular para cada lugar de la Tierra y para cualquier fecha, la energía solar que puede recibir la Tierra. Y sobre todo hoy día, con las modernas tecnologías de computación, el cálculo puede durar segundos en vez de años como en los tiempos de Milan Milankovitch y sus colegas.

Tabla. 2 (siguiente): Mínimos y máximos de la excentricidad de la órbita de la Tierra (miles de años antes de 1850) calculados por STOCKWELL y McFARLAND en PILGRIM (1904) de KÖPPEN & WEGENER (1924, reimpresión de 2015) con denominación de las cuatro últimas clásicas épocas glaciales incl. del "avance glacial báltico" hace 14.000 años.

Tab. 2

Según se superponen los extremos de los mencionados Ciclos de Milankovitch, es decir, que, debido a los mínimos y máximos de la distancia del Sol, a los mínimos y máximos de la inclinación del eje de la Tierra y a los mínimos y máximos de su "cabeceo", se repiten periódicamente períodos de mínima o máxima insolación resultando en épocas frías o cálidas en nuestro planeta, que no siempre tienen que desarrollarse idénticamente con respecto a duración e intensidad, aunque sí similarmente (Figuras 3 y 8). Por ejemplo, en la situación de coincidir una pequeña excentricidad (con la órbita terrestre poco elíptica y una distancia mínima Tierra – Sol), una mayor inclinación del eje rotatorio (hacía unos 24,5°) y una posición cercana al Sol (en el perihelio) en verano del hemisferio norte, eso puede resultar en una particularmente fuerte insolación en verano en las latitudes altas del hemisferio norte donde las capas de nieve y de hielo de las grandes tierras continentales de Groenlandia, Siberia, Alaska y Canadá se fundirían con mayor intensidad. Una situación opuesta extrema, más fría, podría resultar, por ejemplo, en el momento de una excentricidad grande (con la órbita terrestre más elíptica y una distancia máxima Tierra – Sol), una pequeña inclinación del eje rotatorio (mínimo de 21,1°) y una posición cercana al Sol (en el perihelio) en invierno del hemisferio norte resultando, aunque, en inviernos más suaves, pero a la vez en veranos más fríos en el hemisferio norte. A la vez hay que considerar que, durante un ciclo de la excentricidad de unos 110.000 años de duración, es decir, casi tres ciclos del cambio de la inclinación del eje rotatorio de la Tierra (de unos 41.000 años de duración) y cinco a seis ciclos del "cabeceo" del eje rotatorio de la Tierra (de unos 19.000-23.000 años de duración) están interferiendo en la cantidad de energía solar que puede llegar a la Tierra.

Figura 12 (siguiente): La temperatura en la Tierra (curva roja: divergencia de temperatura) está estrechamente relacionada con la actividad del Sol (curva ocre: divergencia de insolación) mientras el continuo, más o menos linear aumento del CO₂ en la atmósfera (curva verde), aquí durante los últimos 50 años, no lo presenta tan claramente; de BGR - Klimafakten (2004).

Fig. 12

Las Figuras 5 y 10-12 presentan la evolución de la irradiación solar, o sea de la actividad solar, junto con la evolución de las temperaturas. Sin querer entrar con más detalle al tema metodológico, conviene recordar que las concentraciones de los isótopos de ¹⁴C, ¹⁰Be (para la insolación) y de ¹⁸O (para la evolución de la temperatura) son representativos (indicadores indirectos o "proxies") de estos parámetros que no se pueden determinar directamente para tiempos pasados. En la Figura 12 se comprueba también la monótona subida más o menos linear de las concentraciones de CO₂ en la atmósfera que se diferencia claramente de la subida y bajada de la evolución de la temperatura y del curso dentado de la insolación que es muy similar a la de la temperatura. ¿Por qué razón la evolución "dentada" de la temperatura debería correr detrás del contenido de CO₂ que presenta un desarrollo monótono y más o menos linear? ¡Porque no es así – el CO₂ corre tras de la temperatura! La evolución sobre todo de la temperatura de los océanos y de la atmósfera determinan, aunque con cierto atraso, el desarrollo del contenido de CO₂ en la atmósfera.

Con respecto al comienzo y la duración de los ciclos naturales mencionados, se debe tener en cuenta, por su complejidad y la influencia de muy variables factores, que estos ciclos no son tan uniformes como un cronómetro mecánico de alta precisión. Tal vez se puede comparar con el fenómeno de los ciclos de las mareas. El repetitivo cambio de pleamar y bajamar cada más o menos 6 horas es cierto, pero el inicio y la duración exacta de una marea, como también su altura e intensidad, varían fundamentalmente por la continuamente cambiante posición entre sí de la Luna, la Tierra y el Sol. En este ejemplo influye por supuesto también el tamaño y la forma del mar u océano. De nuevo, mirando el período de los 120.000 años entre las dos Épocas cálidas interglaciales del Eem y del Holoceno (ver la Figura 10), se nota que este período corresponde más o menos a 3 ciclos de unos 41.000 años de la Oblicuidad y a 5 ciclos de unos 23.000 años de la Precesión, a parte del ciclo de unos 100.000-110.000 años de la Excentricidad. Para decirlo de otra manera, si la órbita de la Tierra alrededor del Sol fuera permanentemente un círculo perfecto, con una excentricidad de 0, no habría habido épocas glaciales de unos 100.000-110.000 años de duración, y tampoco las habría en el futuro. Pero como no somos y nunca vamos a ser capaces de forzar la Tierra a una órbita perfectamente circular, la siguiente época glacial ya está al caer o se retrasaría algo. Tampoco el postulado de un inexistente calentamiento global por CO₂ no nos va a salvar de esta nueva época glacial.

Como estamos hablando de nuestro sistema solar, quiero brevemente tratar de las muy altas temperaturas superficiales de nuestro planeta vecino Venus, que de media están en el rango de unos +460°C (Figura 7). El planeta Venus se encuentra una tercera parte más cerca del Sol comparado con la Tierra y da la vuelta al Sol más rápido que la Tierra, en una tercera parte menos de tiempo del año terrestre. Lo particular del Sol es su atmósfera que llega hasta una altura de unos 259 kilómetros y que está compuesta de más del 96 % de CO₂, ca. del 3,5 % de nitrógeno (N₂), trazas de vapor de agua y otras trazas de gas más. La presión atmosférica en su superficie es de cerca de unas 90 veces mayor que la presión atmosférica en la superficie de la Tierra. En la superficie de Venus no hay agua y por lo tanto no existen océanos de agua, siendo totalmente diferente a la Tierra. También muy diferente a la Tierra son las capas superiores de la atmósfera de la Venus que consisten en gotitas de ácido sulfúrico (H₂SO₄). Dicho de paso, la tan alta luminosidad característica del Venus se debe a la alta reflectividad de estas muy densas, casi opacas capas de Nubes formadas de ácido sulfúrico. Las altas temperaturas del planeta Venus con su atmósfera casi entera de CO₂ se utiliza muy a menudo como prueba o argumento para el efecto invernadero del CO₂ en la Tierra, es decir como "worst case", sin mencionar las extremas diferencias de las atmósferas de ambos planetas y la posición mucho más cercana al Sol del planeta Venus. Como vamos a ver más adelante, en el Capítulo 5, los extensos océanos de la Tierra que cubren casi el 71 % de su superficie, es decir las aguas y en consecuencia las nubes componerse de vapor de agua (respectivamente de gotitas de agua o cristalitos de hielo), juegan un papel importantísimo en el desarrollo del tiempo meteorológico y del clima en la Tierra. No se pueden comparar por nada las condiciones de temperaturas de la atmósfera de la Venus, que casi completamente está compuesta de CO₂ (> 96 %) y que contiene capas de nubes de ácido sulfúrico casi impermeables, con la atmósfera terrestre que consiste principalmente de nitrógeno (N₂), oxígeno (O₂), vapor de agua (H₂O) y sólo de trazas de unos 0,042 % (o 420 ppm) de CO₂. Lo fundamental sobre todo es que las capas de nubes de la Tierra consisten principalmente de vapor de agua. Para decirlo más claramente, el contenido de CO₂ en la atmósfera de la Venus es unas 2.400 veces más alto que él de la atmósfera de la Tierra y nunca vamos a llegar a concentraciones de CO₂ atmosférico tan altas como en el planeta Venus.

Resumiendo este capítulo, durante los últimos 2,56 millones de años del actual Período geológico del Cuarternario, como también en Eras y Períodos geológicos anteriores de la Historia de la Tierra, la Tierra osciló continuamente varias decenas de veces entre épocas glaciales de larga duración y épocas cálidas de mucho más corta duración. Eso resultó en repetidos desplazamientos de las zonas climáticas en la superficie de la Tierra. El mecanismo, hablando figurativamente, que propulsa a estos cambios periódicos entre frío y calor, son los parámetros orbitales del movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Eso se manifiesta en diferentes ciclos de varias decenas y cientos de miles de años de duración, llamados Ciclos de Milankovitch, que se pueden superponer e interferir unos a otros y que controlan la intensidad de la insolación que puede llegar a la Tierra, que sería lo mismo que decir, la evolución de la temperatura de los océanos y de la atmósfera terrestre que finalmente hace mover las zonas climáticas en la Tierra. Después de la última Época glacial de Würm, que duró unos 100.000 años y que terminó hace unos 11.700 años, podemos afortunadamente disfrutar hoy de un, aunque relativamente corto período cálido, del Interglacial del Holoceno, antes de que la Tierra se sumerga de nuevo en la siguiente Época glacial en un futuro no muy lejano, probablemente dentro de los próximos cientos o pocos miles de años.