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| Rafael Martínez Enríquez |
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Una leyenda antigua relata que la división del día en horas surgió de observar la regularidad con que un simio sagrado, el cinocéfalo, expulsaba sus excrementos…
Edward J. Wood
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Historia poco delicada, pero que revela fuentes a las que
puede recurrir el intelecto para buscar explicaciones de aquello que se pierde en el pasado: la medición del tiempo. Sin importar que la ciencia siga aún descubriendo qué es el tiempo, lo cierto es que los primeros grupos humanos debieron acomodar sus actividades según ciertas señales que no por casualidad encontraron correspondencias en los ritmos naturales.
El sentido común sugiere que el alba y la puesta del Sol debieron ser las primeras señales que marcaron etapas en el transcurrir del tiempo. De aquí se desprenden dos hechos: uno, muy notable, que aquello que se esconde bajo la palabra tiempo —y que, según San Agustín, nadie entiende, si bien todos lo conocen cuando de él se habla— ha sido medido de múltiples maneras, y el otro, de tipo práctico, aunque no por ello menos importante, que han sido los movimientos de los astros sobre la bóveda celeste lo que por milenios marcó el pulso del tiempo.
Quienes primero entendieron los ciclos celestes se convirtieron en una casta que gracias a sus conocimientos se situó en la cúspide de las sociedades antiguas. Aunque nos parezca contrario a lo que siempre supusimos, originalmente la tarea principal de estos sacerdotes no era cuidar las almas, sino el calendario. Sus miembros eran consejeros de los agricultores más que de espíritus acongojados. Su confianza en la repetición de los ritmos planetarios se sumó a las ventajas conferidas a quienes por sus conocimientos se colocaban al lado de los poderosos. Así, presidiendo los ritos y ceremonias que marcaban los actos sagrados que se reflejaban en los astros —solsticios, equinoccios, etcétera—, se beneficiaban de las ofrendas que se creía propiciaban los grandes eventos estelares. Su negocio era expulsar al invierno, guiar al Sol en su ruta y, tomando sus riesgos, llegaban a convocar las lluvias.
Los eclipses, impresionantes aún en nuestros días, ya eran anunciados por los sacerdotes-astrónomos de Babilonia, quienes sabían de su ocurrencia cada 18 años o, siendo más precisos, cada 223 lunas. Sabedores de que era más peligroso fallar en no anunciar un eclipse que predecir uno que no ocurriera —a fin de cuentas, esto sólo mostraría que los ruegos habían logrado prevenir su aparición y las calamidades asociadas con él—, anunciaban todos los posibles eclipses.
Pensar lo que fue el tiempo entre los antiguos remite al objeto o instrumento con que era medido. En muchas de las viejas culturas el Sol va con el tiempo, su presencia o ausencia es la causa del suceder del día y de la noche. Dador de vida, tal vez también sería el hacedor del tiempo. Por siglos, las imágenes primitivas permanecieron en la mente de la humanidad y, tomando a la Biblia al pie de la letra, el pensamiento medieval en sus últimos alientos se negaba a creerle a Copérnico:
“¡Sol, permanece quieto sobre Gabaón: y tú, Luna, sobre el valle de Ayalón”.
Y el Sol se detuvo y paróse la Luna hasta que el pueblo [de Israel] se hubo vengado de sus enemigos... Paróse, pues, el Sol en medio del cielo, y no se apresuró a bajar casi un día entero”.
A las mentes del Medievo debió parecerles, sin duda, que al detenerse el Sol y la Luna también se detendría el paso del tiempo, lo cual ya para el racionalismo decimonónico era algo francamente aberrante. Para un científico de entonces sería natural preguntarse cómo es que, si el tiempo no transcurría, los israelitas pudieron medir el paso del tiempo hasta completar un día. También cabría que se preguntaran si el tiempo cesó de transcurrir en las otras partes del orbe. Ejercicio ocioso, pues indudablemente los representantes de Dios aquí en la Tierra tendrían todo un catálogo de respuestas que en última instancia colgarían de la fe, y quien no las aceptara bien podría ir pensando en todas las nuevas amistades que haría en los separos del Santo Oficio.
Restringiéndonos a la sociedad medieval inglesa —sobre la que mucho se ha escrito— sabemos que para el inglés típico los horizontes temporales eran tan limitados como los espaciales, ya que la mayoría vivía en zonas limitadas por bosques o en pequeñas aldeas que nunca abandonaban, esencialmente por no existir razones ni vías de comunicación seguras para hacerlo. Los viejos caminos romanos habían caído en desuso y casi nadie se aventuraba más allá de los dominios de su parroquia; es un hecho que pocos habitantes del interior del país habían llegado a conocer el mar. Aun para Chaucer, hombre culto y con varios viajes en su haber, Escocia no era sino un “país desconocido, muy al norte, no puedo decir dónde”. Adán no estaba tan lejano en el tiempo —según la Biblia sólo 75 generaciones lo separaban de Cristo— y el Día del Juicio Final estaba por llegar, lo cual hacía que la eternidad no fuera algo de este mundo.
Sólo a partir del siglo XIX, cuando geólogos y biólogos lograron entrever el significado de las múltiples evidencias que la naturaleza ponía ante sus ojos, se pudo tener conciencia de las escalas de tiempo involucradas en los cambios que ocurrieron sobre la Tierra. Mientras tanto, para el hombre común que marchaba en peregrinaje a Canterbury, a Stonehenge, a cualquier otra ruina sajona o hacia los restos de una muralla romana, estas construcciones eran consideradas igualmente “viejas”, sepultadas en la memoria del “hace mucho tiempo”, donde Alfredo el Grande era tan real como Adán y Eva y, todos ellos, igualmente infechables.
Afortunadamente esta condición no se extendía a toda la sociedad y, en cierto modo, la iglesia a la que tanto se ha culpado de retrasar el avance del conocimiento, se ocupó de mantener una estructura que permitió dar cuenta de lo que después se consideraría historia. Esta institución, al hacerse cargo de establecer los calendarios, recurrió a los ciclos del Sol y de la Luna, y de paso provocó la maraña de días festivos que había que acomodar una y otra vez para salvar las múltiples contradicciones a las que daba lugar.
Las fechas más importantes —nótese el carácter religioso de la necesidad— por determinar eran las Pascuas, ya que todo lo demás se supeditaba a dicho periodo. La tarea no era sencilla pues desde el siglo II d. C., había controversias acerca de cuándo debían celebrarse. Para los hebreos se iniciaban el día 14 —día de Luna llena— de su primer mes, durante el equinoccio de primavera. Por su parte, la mayoría de las sectas cristianas coincidían en que la Pascua florida o de Resurrección debía caer en domingo. El Concilio de Nicea (325 d. C.), además de resumir en el Credo lo que todo cristiano debía creer, fijó la Pascua de Resurrección en “el domingo que cayera en o después de la Luna llena correspondiente al equinoccio de primavera”.
Inevitablemente, esta regla provocó que en ocasiones la Pascua cristiana coincidiera con la hebrea y la de algunos grupos calificados de heréticos, y como esto no era permisible para quienes encabezaban la cristiandad, se decidió que cuando esto sucediera, el día de Pascua debía posponerse una semana. Pero como la cuestión de asignar fechas tomaba en cuenta tres ciclos que no guardaban relación entre sí —la semana, el mes lunar y el año solar— el asunto se convirtió en una especie de juego de ajedrez en el que las piezas se desplazaban siguiendo reglas impuestas tanto por los movimientos astrales como por “números dorados” asociados con ciclos lunares de 19 años y las letras “dominicales” ligadas a los días de la semana.
El Año Nuevo también ha deambulado a lo largo del calendario y, civil o religioso, ha sido celebrado el 25 de diciembre, el 1 de enero o de marzo, el 25 de marzo, en Pascua o el 1 de septiembre. Un viajero que partiera de Venecia en su Año Nuevo (1 de marzo) de 1245, llegaría a Florencia en 1244, a Pisa en 1246, y si llegara a Francia antes de Pascua (la francesa), estaría en 1244.
Los tiempos
En el Medievo cristiano es posible distinguir dos tipos lineales de tiempos, otro cíclico y además una multiplicidad de tiempos sociales. El primer tiempo lineal es el cronológico, que toma como modelo —para señalar límites calendáricos— primero el tiempo del periodo consular romano y luego el de los emperadores cristianos. Más adelante se utilizó un sistema que agrupaba periodos de 15 años julianos y que tomó como inicio lo que consideró el año de nacimiento de Jesucristo. Esto aconteció en el 532 d. C., gracias a la insistencia de Dionisio, quien en su Libellus de Ratione Paschae puso a punto un calendario que giraba alrededor de la determinación de la Pascua.
Más tarde, en el 725, un monje inglés conocido como el Venerable Beda, presentó el tratado más completo de la Edad Media para el cómputo de los años, el De temporum ratione. Aceptado en Francia —a pesar de las rivalidades que de religiosas derivaban en políticas y, en este caso, en “calendáricas” — a fines del siglo VIII, igual sucedió en Alemania en el IX y, para los territorios dominados por el Papa, hubo que esperar hasta el X para que la razón superior del calendario de Beda fuera aceptada.
El segundo tipo de tiempo lineal es de carácter teológico: va desde la creación del mundo hasta el día del Juicio Final, con un acontecimiento intermedio, la Encarnación de Dios Padre en Jesucristo. Este tiempo apunta hacia la eternidad, y produce a lo largo del camino una decadencia en los valores y los actos de la humanidad. Es la concepción pesimista del tiempo humano que San Agustín transmitió a la cristiandad.
Es obvio que la concepción cíclica del tiempo, de la que ya se habla en las tradiciones asirio-babilónicas y las heredadas del pensamiento hindú, no podía ser relegada al olvido. Sustentada en la observación de la naturaleza, en los movimientos de las luminarias que colgaban de la bóveda celeste, en la sucesión de las estaciones, a medida que se fueron desarrollando las civilizaciones se fue afirmando la idea de un tiempo que circulaba y de una historia que eternamente retornaba, un tiempo a cuyo paso las cosas se reproducían una y otra vez, en una danza eterna. Según esta idea, sobrepuesto a un ciclo general había ciclos más pequeños, anuales, en los que se repetían las fiestas, los días fastos y los nefastos. Para comprender la importancia que tenían ciertas fechas y cómo alteraban los ritmos de trabajo normal, baste recordar que para los hebreos de los tiempos bíblicos las fiestas del Sabbath impedían que se realizaran 39 tipos de trabajos. Una elaboración de esta idea de los descansos llevó a que para ciertos terrenos de siembra —los viñedos en particular cada séptimo año era considerado “sabático”, y durante ese año no se debían sembrar. Las bondades de esta ley han llegado hasta nuestros días, y gracias a ella muchos profesores universitarios pueden relajarse y, con algo de suerte, saldar algunas deudas de carácter económico.
Pero las nociones de tiempo se mezclan y coexisten unas con otras y, sobre las ya mencionadas, se superpone lo que podría ser llamado tiempo litúrgico, mismo que consiste en la sucesión a lo largo de un año de la conmemoración de los acontecimientos importantes de las vidas de Jesús y de la Virgen María. Este calendario se entrelaza con el que deriva de las transformaciones de la naturaleza en cuatro estaciones y que, plagado de simbolismos, fue maravillosamente descrito por Jacopo della Voragine. Es en su obra, La leyenda dorada —colección de relatos teológicos y hagiográficos—, donde encontramos nociones tales como las razones del ayuno en cada una de las estaciones: durante la primavera, siendo cálida y húmeda, se ayunaba para temperar el humor de la lujuria; en el verano, caliente y seco, para castigar el calor que es la avaricia. Por otra parte, el ayuno de otoño, éste frío y seco, servía para calmar la aridez del orgullo. Finalmente, asociado al frío y la humedad del invierno, estaba el ayuno que dulcificaba el frío de la infidelidad y de la malicia.
Había además otros tiempos sociales, pero el instaurado por la Iglesia en su ascenso al poder sentó sus reales en la sociedad medieval, gracias a lo cual dicha institución se apropió de la medida y de la notificación del tiempo. Al cuadrante solar, a la clepsidra, pequeños artefactos de registro del tiempo fabricados para ser utilizados en pequeñas comunidades, se sumó en los siglos VI y VII la campana, el nuevo instrumento de iglesias y monasterios para anunciar los ritmos del día y convocar a la comunidad a los nuevos ritos litúrgicos.
La hora al alcance de todos
Fuera de los monasterios, los únicos momentos del día que no eran de disputa respecto a cuándo ocurrían, eran el amanecer, el mediodía y la puesta del Sol. De ellos, sólo el mediodía guardaba una relación fija con los intervalos marcados en el reloj de Sol vertical que se esculpía en las paredes orientadas al sur. En el hemisferio norte ésta era la pared donde tenía sentido medir, mediante las sombras proyectadas por el gnomon o agujeta, los intervalos en que se dividía el día. Dados los cambios en la inclinación con que el Sol recorría los cielos a lo largo del año, las marcas que señalaban el transcurso de un cierto intervalo de tiempo en una época no servían para otra, pues las sombras proyectadas tenían distintas longitudes.
Entre los siglos VI y X los intervalos que se marcaban en el reloj de Sol eran sólo cuatro, los llamados tides, vocablo inglés que originalmente se refería a intervalos de tiempo de aproximadamente 3 horas, y que hoy día sólo significa “marea”. Más adelante, y con el fin de hacer más preciso el momento del día del cual se hablaba, se agregaron marcas al reloj de Sol, pero éstas sólo lograban proyectar las sombras del gnomon —en ángulo recto con la pared de manera que coincidieran con la hora real en cuando más cuatro ocasiones en el año. Y la diferencia entre la hora real y la marcada aumentaba conforme se iba más al norte y se hacía más patente la diferencia entre la duración del día y de la noche.
Había otro problema que considerar, y éste surgía de que si bien el Sol y las estrellas aparentemente toman un día en completar su periplo alrededor de la Tierra, en realidad el día “solar” dura un poco más de 4 minutos que el real, de manera que después de un año se acumula un error de casi un día. Para empeorar las cosas, el retraso no es uniforme a lo largo del año y la diferencia entre la hora aparente dada por un reloj de Sol y la que marcaría un reloj moderno llega a ser de hasta 16 minutos. Aunque esto, en la Edad Media, poco importaría.
Si dejamos de lado la salida y la puesta del Sol, la gente común y corriente para saber la hora sólo tenía que contar los tañidos de la campana del monasterio o iglesia cercanos que señalaban cuándo iniciar el trabajo en los campos y cuándo terminarlo. Este tañido también llamaba al servicio religioso y anunciaba el llamado “toque de queda”, después del cual quien fuera visto en las calles podía ser detenido y enviado a prisión —claro está, si no era un personaje conocido en la comunidad como alguien respetable. En ciertos lugares también participaba la campana del señor feudal, que informaba que el horno estaba libre para que los campesinos acudieran a hornear su pan, o la campana que convocaba al mercado, a la fiesta o al funeral, y también la que daba la señal de alarma, fuera por motivo de un incendio o por la aparición de alguna fuerza invasora.
Para quienes vivían fuera del alcance del sonido de la campana, los únicos recursos para estimar el tiempo transcurrido durante la noche eran la lámpara de aceite y las velas, que mediante marcas para medir el nivel del aceite o la longitud del tronco de cera, permitían estimar los lapsos transcurridos. Las velas eran un lujo rarísimo hacia el siglo X. Según una antigua crónica, el rey Alfredo el Grande (849-901) determinó las dimensiones que debían tener seis velas para que ardiendo una después de la otra duraran un día. Como dichas velas no se consumían de manera uniforme si las afectaban corrientes de aire, Alfredo “inventó” la lámpara, que consistió en una cubierta protectora hecha con trozos de películas transparentes de cuernos de vaca, lo que de paso explica el origen de la palabra inglesa para lámpara: de lanthorn (cuerno iluminado) se pasó a lantern.
En el siglo XI los árabes mejoraron el sistema del reloj de vela cubriendo la vela reglamentaria con una lámpara de seis caras, cada una graduada con una escala de horas distinta y que se usarían según la estación del año. Conocido como horologium nocturnum, se utilizó hasta bien entrado el siglo XIV.
Máquinas del tiempo
Dadas las preocupaciones monásticas no es de extrañar que los primeros mecanismos de relojería que usaron ruedas y pesos hayan aparecido en los monasterios, donde los encargados de avisar de los cambios de actividades seguramente estarían fastidiados de mantener funcionando los relojes de agua o prendidas las velas. El nuevo reloj no tañía la campana de la torre, pero sí pequeñas campanillas que avisaban al sacristán en qué momento debía jalar las cuerdas de la campana. El invento de este reloj es atribuido al papa Silvestre II —un “científico” que los azares de su tiempo colocaron en la curia papal— y al año 996; sin embargo, lo que sorprende es que su uso aún no se hubiera extendido 300 años después de su aparición.
Analizando el caso, da la impresión de que la necesidad no había presionado a quienes, conocedores de las ruedas dentadas que se usaban en los molinos de agua y de viento, bien podrían haberlo diseñado para entonces. El uso de pesos como fuente de fuerza motriz tampoco era desconocido, así que no se hubiera necesitado mucho esfuerzo para diseñar un mecanismo que cada hora golpeara un metal en señal de que cierto tiempo había transcurrido. Al principio estos relojes no tenían manecillas y señalaban la hora mediante el número de tañidos de campanillas, lo cual resultaba novedoso, como lo atestigua una vieja descripción de 1309 acerca de un reloj milanés de hierro:
“… un gran martillo golpea la campana 24 veces al día… y en la primera hora suena una vez, dos en la segunda... distinguiendo así las horas, lo cual resulta muy útil a los hombres de cualquier rango.”
Los idiomas europeos en uso en las zonas donde el conocimiento era objeto de interés de sectores importantes de la sociedad, reflejan algunas etapas en el desarrollo de la relojería. La palabra clock originalmente denotaba un instrumento que medía el paso del tiempo y sonaba periódicamente una campanilla, sin que, las más de las veces, tuviera una manecilla. Los relojes que poseían una manecilla o flecha eran denominados watch (en singular), aun cuando no fuera posible transportarlos de un lugar a otro, como sucede con lo que hoy se conoce con dicho nombre. Un horloge —en francés actual es el reloj de pared— era cualquier instrumento que marcara el tiempo sin recurrir al Sol. Un dial —lo que implica una flecha o manecilla— sería un reloj de sol o cualquier carátula de reloj.
En la Edad Media era obvio que había una diferencia sustancial entre medir el tiempo y medir una longitud. Para esto último bastaba cualquier palo o varilla que pudiera ser utilizada como patrón una y otra vez. Para medir el tiempo ocurría algo curioso: cualquier intervalo que se tomara como patrón dejaba de serlo en cuanto era definido como tal. En su esencia misma estaba que el tiempo era algo que fluía y no se dejaba atrapar, por lo que no se podía usar repetidas veces. Sin embargo, la situación no era trágica, ¿desde cuándo un impedimento que se genera en la racionalidad constituye razón suficiente para frenar a práctica? Como ya hemos visto, bastaba con elegir un intervalo entre acontecimientos naturales cuya repetición ocurriera de manera más o menos regular —según lo estimara la “práctica” — o, mejor aún, construir un mecanismo que marcara la repetición de estos intervalos.
Lo esencial en esta nueva empresa era acomodar tres elementos: una fuerza motriz, un conjunto de ruedas dentadas de diferentes radios para disminuir la tasa de movimiento, y un sistema para regular la velocidad de rotación.
Sobre estos mecanismos sabemos muchas cosas, directa o indirectamente. Ejemplo de lo último es un relato acerca del incendio que ocurrió el 23 de junio de 1198 y que consumió parte de la iglesia de Bury St. Edmunds, en el norte de Inglaterra. El texto en cuestión dice que: “… corrimos todos y encontramos que las llamas habían alcanzado el refectorio… y los jóvenes de entre nosotros corrieron por agua, algunos hacia el pozo y los otros al reloj…”. Se preguntará uno para qué podría servir un reloj en este caso. La respuesta es que para entonces ya existían relojes cuyo funcionamiento dependía del agua almacenada en un depósito. Estos relojes representaban un grado de adelanto muy grande respecto de las antiguas clepsidras, que a la manera de un reloj de arena en lugar de ésta utilizaban agua. Su desventaja era que en noches de invierno el agua podía congelarse, inutilizando así el dispositivo.
Los nuevos relojes de agua añadían a su funcionalidad un elemento que se adaptaba a las cambiantes duraciones del día a lo largo del año. Con ello se alcanzó un registro relativamente preciso de cómo iban pasando las horas.
Con mecanismos de relojería tan adelantados el problema de conocer las horas en días nublados —lo que hacía inútil el recurrir al reloj de Sol y durante las noches quedaba resuelto. El monje encargado de hacer sonar las campanas ya no tenía que depender de que su propio reloj de agua le indicara los momentos en que debería entrar en acción. En la Regla de una orden cisterciense se estipula que el sacristán “al ser alertado por el sonido del reloj, procederá a tocar la campana”.
Es indudable que los primeros relojes mecánicos tenían un aspecto bastante burdo. Con un peso para mantener el movimiento, se recurría al mecanismo de regulación o “de escape” —mediante el cual la energía “escapa”— para transformar el movimiento rotatorio adquirido por la rueda al bajar un peso en el ir y venir de una balanza. Éste debió ser el origen del llamado “árbol de volante” de un reloj, y que consistía en una varilla con pesos en cada extremo que giraba libremente montada sobre un pivote. Dos pequeñas paletas sobresalían y enganchaban los engranes de una gran rueda horizontal, produciendo con ello un movimiento intermitente y, de paso, el tan peculiar tic, tac, tic, tac de los relojes mecánicos.
Evidentemente, el resultado de estos movimientos era algo irregular, y un error de unos veinte minutos cada día era algo normal. Esto no hubiera sido tan grave si el retraso fuera constante, pero no resultaba así y, por lo tanto, dichos relojes requerían de la frecuente atención de un experto que los ajustara. Tan grave era el problema que cuando murió el “maestro” del gran reloj de Pavía (siglo XV), éste se detuvo para siempre porque no había quien entendiera su funcionamiento, aun cuando se contaba con instrucciones escritas para su manejo.
Tan importante era poseer un reloj que rigiera la vida en las cortes, que el puesto de relojero adquirió (siglo XIV) cierta relevancia, y aparecieron nombramientos tan rimbombantes como “Ciudadano del gran reloj de nuestro Señor el Rey, en el palacio de Westminster”. Merece mencionarse que este tipo de puestos no exigía que sus ocupantes fueran del sexo masculino. Las damas también podían alcanzar tal honor, y se sabe que en la catedral de Lincoln, en Inglaterra, durante un tiempo fue una mujer quien se encargó del reloj, si bien la razón subyacente no fue tan halagadora. La dama en cuestión ocupaba el puesto para que “con celo cuide el reloj, y despierte temprano a las otras damas para que se ocupen de sus trabajos”.
La vida pública de la localidad debía estar regida por algún reloj situado en un edificio de importancia —la catedral, la sede de gobierno edificios situados, por regla general, en la plaza principal—, y cuanto más espectacular fuera el señalamiento de las horas más ascendencia adquiría entre los usuarios. Al igual que las campanas, los primeros grandes relojes aparecieron en los monasterios (siglo XII) y de ahí pasaron a las catedrales y finalmente a los edificios públicos (siglo XV).
El reloj astronómico de la catedral de Wells (Inglaterra), que un contemporáneo nuestro observaría sin comprender gran cosa de lo que nos informa, es un hermoso recuerdo de cuando el mercader y el “cirujano”, el rey y el viajero, consultaban las estrellas para saber cuándo iniciar el viaje, cuándo extirpar un diente y qué fortuna le esperaba al recién nacido. Para quien vive nuestra “modernidad”, esta “información” ya viene digerida en los horóscopos que aparecen en múltiples revistas, periódicos y que, últimamente, se puede recabar vía telefónica. En la Edad Media las posiciones estelares servían a muchos que siguiendo reglas más o menos elementales, aprendidas como parte del adiestramiento que a su oficio correspondía, creían leer en los cielos los tiempos propicios y los adversos. Relojes como los de la catedral de Wells —en una época en que sólo en las cortes y en bibliotecas conventuales se lograba obtener información escrita— eran la única fuente de información acerca de las horas y de las moradas astrales.
En 1481 los pobladores de la ciudad de Lyon pidieron un reloj público para “que más gente acudiera a las ferias —la fama de las telas de Lyon y de las ferias que reunían a los comerciantes de toda Europa se remonta a esos años— y que los ciudadanos estén satisfechos y felices y que lleven una vida más ordenada”. Al ser anunciadas las horas mediante el tañido de la campana, pronto se hizo evidente que los intervalos iguales entre las horas que marcaba el reloj discrepaban con los que marcaban los viejos relojes de Sol. Esto llevó a mejorar el diseño de estos últimos y, curiosamente, a que fueran utilizados para corregir la hora señalada por los relojes mecánicos. Con este propósito, algunos de los primeros relojes tenían integrado su propio reloj de Sol.
Al principio, las carátulas de los relojes marcaban sólo seis horas y la manecilla daba cuatro vueltas en un día. La falta de exactitud en su funcionamiento hacía inútil que hubiera otra manecilla que marcara intervalos de tiempo tales como nuestros minutos, pero se sabe que para 1500 el reloj de Wells marcaba los cuartos de hora. Si se necesitaba medir tiempos más cortos había que recurrir al reloj de arena. Por ello, cuando en tiempos de Isabel I de Inglaterra alguien preguntaba por la hora —What o’clock it is?— sólo significaba desear saber cuál era la última hora que había sonado.
Construidos según requisitos más numerosos que los actuales, los relojes de las postrimerías del Medievo transmitían más datos que la simple hora del día. El gran reloj de Estrasburgo, construido en 1352 y considerado en su época una de las grandes maravillas de Alemania, incluía un calendario que variaba según las fiestas movibles del año religioso, y para 1574 le había sido añadido un sistema planetario ¡copernicano! donde se mostraban las fases de la luna, eclipses, tiempos siderales y la precesión de los equinoccios. Una de las manecillas señalaba los santos y los días que les correspondían, en tanto que los cuartos de hora eran anunciados por las figuras de la Infancia, Adolescencia, Edad Adulta y Vejez, mismas que golpeaban una campanilla. A mediodía aparecían los 12 apóstoles, seguidos de un gallo cacareando y carrozas llevando deidades paganas que representaban los días de la semana. Tan complicado era su mecanismo que cuando falló —en el siglo XIX— tardaron cuatro años en arreglarlo.
Para mediados del siglo XV, cuando el espíritu aventurero de algunos osados marinos recibió el apoyo de reyes y de no menos arriesgados comerciantes, la navegación comenzó a depender cada vez más de instrumentos que midieran el paso del tiempo. El reloj de arena seguía siendo por entonces el único dispositivo para medir la velocidad de un barco, lo que se lograba contando el número de nudos de una cuerda que caían por la borda de un barco durante un intervalo de tiempo medido con el reloj de arena, y que usualmente era de alrededor de medio minuto. Si caían siete nudos se decía que la velocidad era siete millas náuticas por hora.
Desafortunadamente el procedimiento anterior no resultaba eficiente cuando se intentaba medir velocidades en tierra firme. Aun así, el uso del reloj de arena ya era algo común en muchas actividades de la vida diaria, en particular en la medición de las jornadas de trabajo o en el cocimiento de algún manjar, y salvaba el tener que recurrir a lapsos medidos mediante la repetición de Padres Nuestros o de Misereres. Su utilidad es innegable al considerar que en 1483, en ciertas partes del norte de Europa, se implantó una ley que obligaba a los oficiales religiosos a colocar un reloj sobre el púlpito. Seguramente esto fue a consecuencia de las múltiples quejas de una grey hambrienta que buscaba que el predicador estuviera consciente de que su público notaba que se estaba excediendo en la duración del sermón.
Se sabe que para 1410 el afamado arquitecto Filipo Brunelleschi ya estaba construyendo relojes que se servían de un resorte para mantener el sistema en movimiento. Mejorando el funcionamiento mediante el uso de tornillos y de una cuerda enrollada dentro de un tamborcillo para regular la disminución de la tensión del resorte, la nueva máquina resultó de dimensiones más pequeñas, dando paso al reloj portátil, y con ello al sometimiento cada vez mayor del hombre a los pulsos del tiempo.
Los primeros relojes portátiles no eran tan pequeños como los actuales; iban encerrados en cajitas con forma de huevo, libro de oraciones, calaveras y otras figuras que la imaginación sugería a los artesanos-artistas que los fabricaban, y las personas se los colgaban del cuello o de la ropa.
Que el reloj pasó a ser símbolo de riqueza y de elegancia lo constatamos en una obra de Ben Johnson, donde uno de los personajes afirma que “anoche he prestado mi reloj a alguien que hoy cena con el sheriff”. Mucho más importante fue que la ciencia también se sirvió de él, convirtiéndolo en objeto de algunas de sus teorías y mejorándolo para que la sirviera con mayor eficacia.
La Ilustración
En cuanto a avances teóricos, Galileo fue el primero que realizó una aportación revolucionaria al darse cuenta que un péndulo oscilaba de manera casi periódica, sobre todo cuanto más pequeño fuera el arco de oscilación. Con base en ello, diseñó un mecanismo de relojería novedoso, aunque nunca se le ocurrió dotar a su modelo de manecillas y carátula. Christian Huygens sí lo hizo y, además de adaptarle un nuevo sistema de pesos, le añadió una banda flexible de metal en el punto donde se sujetaba el péndulo, logrando con ello que la oscilación fuera elíptica. Con estos añadidos construyó un péndulo de 39 pulgadas de longitud que realizaba una oscilación completa en un segundo.
En ese momento de la historia irrumpieron los ingleses, vía Roberto Hooke y su conocida ley ut tensio sic vis, que describe la fuerza F que ejerce un resorte elongado una distancia x a partir de su longitud normal (F = – kx). El mismo Hooke diseñó un sistema con pequeños resortes en espiral que adaptó a las balanzas de un reloj, con lo que logró una mejora tal en la medición del tiempo que por primera vez tuvo sentido agregar otra manecilla que marcara el transcurso de los minutos. De paso obtuvo, una vez más, el sonido producido por la paleta y el engrane, tic al engancharse, toc, al soltarse.
El progreso hacia la exactitud en la medición del tiempo alcanzó en el siglo XVI niveles inimaginables para hombres como Tycho Brahe, Kepler y toda su generación de astrónomos y científicos. Los nuevos dispositivos hicieron más exacta y más autosuficiente la marcha del reloj: un barril que permitía dar cuerda al reloj sin que se detuviera su funcionamiento durante dicha acción; un pedómetro, que no es lo que el lector piensa, daba cuerda al reloj conforme un peso giraba impulsado por el movimiento del usuario. Se puede afirmar que la horología, en esta etapa, se empezó a establecer como una ciencia, alejándose de las viejas prácticas artesanales.
Al tomar cada vez más en serio lo que decían las Escrituras respecto a que el Creador hizo al mundo según reglas que ordenan el número, el peso y la medida, las mediciones alcanzaron una exactitud nunca antes soñada, hasta el punto que la Royal Society estableció los patrones de longitud, volumen y peso. Y como el vernier y el micrómetro ya existían, lo que faltaba era el instrumento que permitiera realizar una medición precisa y repetible, con un patrón supuestamente inalterable, del paso del tiempo. Aunque los físicos ya podían medir dos de las que después serían consideradas unidades fundamentales, la longitud y la masa, lo que faltaba —si se querían cuantificar cualidades secundarias, como la velocidad, pero que en el contexto del siglo XVI adquirían una importancia teórica extraordinaria— era medir el tiempo.
Sin aparatos ni procedimientos confiables para determinar los momentos en que ocurrirían los eventos, ni la velocidad, ni la aceleración, y por ende tampoco la fuerza, podían ser calculadas. Igualmente, la más fina observación del paso de un astro resultaba imposible si no se establecía el momento del evento. Más importante aún para un mercantilismo que buscaba nuevos horizontes, si no se contaba con un dispositivo relativamente exacto para medir el tiempo, los viajes interoceánicos eran poco menos que aventuras de locos, tanto para quienes iban en las naves como para quienes arriesgaban sus capitales en el patrocinio de la expedición.
La navegación y la medición del tiempo participaron en un proceso de retroalimentación que ilustra de manera fehaciente los beneficios que la ciencia puede aportar la sociedad cuando ésta presta atención a las necesidades de la ciencia. El problema que se planteaba era de orden práctico: determinar a qué distancia se encontraba un barco de su destino, o de su punto de partida, cuando lo único que se tenía como referencia eran el cielo y sus estrellas. La respuesta, teóricamente, era simple. Si se conoce la hora exacta en que ocurre un evento —un eclipse, por ejemplo— en algún sitio de la Tierra, y si además se puede determinar para el mismo evento la hora exacta que corresponde al punto donde se encuentra el observador, la diferencia entre ambos tiempos es una medida de la diferencia en longitud entre los sitios que se están tomando en cuenta. La latitud, por su parte, se medía fácilmente con el viejo astrolabio o con la llamada escuadra del agrimensor. Con ambos datos, longitud y latitud, la posición del barco quedaba perfectamente determinada.
Varios elementos novedosos se conjugaban para proporcionar información sistemática que hiciera confiable el método arriba mencionado. Uno de ellos fue el que Jean Dominique Cassini, astrónomo de la Académie Royale des Sciences, presentó en 1669: unas tablas que daban cuenta de los tiempos en que ocurrían los eclipses de las lunas de Júpiter. Éstos ocurrían casi a diario, lo cual los hacía, en este caso, más útiles que los de nuestra propia luna. Cassini había calculado los tiempos de ocurrencia a lo largo de un meridiano estándar y, por lo tanto, quien quisiera determinar la longitud terrestre de un sitio en particular, sólo tendría que comparar los datos de Cassini con el tiempo local de ocurrencia del fenómeno. Lo único que faltaba para que este procedimiento diera los frutos esperados era contar con un sistema suficientemente exacto para determinar la hora.
Hasta entonces el reloj más exacto era el diseñado por Huygens (1650), pero éste, al ser utilizado en alta mar por Jean Richer (1671), se atrasó un promedio de 2.5 minutos diarios. Al regresar al punto de partida grande fue la sorpresa de Richer al encontrar que había ganado en promedio 2.5 minutos diarios, ¡los mismos que había perdido de ida! Huygens en persona se encargó de explicar la razón de estos cambios, y la encontró en las variaciones de la fuerza de gravedad en los distintos sitios por donde pasó el navío. Con ello ilustraba, de paso, la diferencia entre “peso” y “masa”. Pero entender la causa del error no remediaba que éste ocurriera, y lo que había que hacer era diseñar un mecanismo que midiera el tiempo y que de alguna manera evitara los errores de origen gravitacional. La empresa no resultó sencilla; los esfuerzos para mejorar el reloj de Huygens fueron infructuosos por no poder contrarrestar el efecto del movimiento del barco y las alteraciones en la longitud del péndulo ocasionadas por los cambios en la temperatura ambiente.
Tan importante era poder determinar la longitud a la que se encontraba un barco en alta mar que en Inglaterra se ofreció, en 1714, un premio de 20000 libras esterlinas (para darse una idea de lo que esta cantidad significaba en aquella época, he aquí algunos datos: un poeta como John Dryden vivía con una pensión anual de 200 libras esterlinas; Newton, por su puesto en la Casa de Moneda recibía 400 libras anuales; una casa para un funcionario se rentaba a razón de 40 libras anuales) a quien pudiera hacerlo con un error máximo de 45 km después de 6 semanas de viaje. Esto requería, si se usaba un reloj, que su error diario no excediera de 3 segundos. La mitad del premio le fue otorgada en 1765 a John Harrison, carpintero inglés, quien después de presentar varios relojes que no satisfacían los requisitos propuestos, finalmente construyó un aparato que después de 156 días de viaje perdió 54 segundos.
El reloj, que tenía un costo muy elevado (450 libras esterlinas), y permitió fijar la posición de un barco después de un viaje a lo largo del Ecuador, en donde el error que se comete es máximo, con una incertidumbre inferior a 12 km. Mejoras posteriores, avaladas por el viaje de circunnavegación del capitán Cook (1772), y la intervención personal del rey Jorge III (no todas las autoridades se desentienden de la ciencia y su potencial), le valieron al Sr. Harrison que en 1776 se le otorgara el premio completo.
Una manera de apreciar los avances logrados por la relojería en tan corto tiempo es contrastar las mejoras que tuvieron lugar desde los tiempos antiguos hasta muy entrado el siglo XVII, y contrastarlos con los que como avalancha llevaron a que el instrumento diseñado por Huygens sólo fallara en 10 segundos diarios y que con una mejora posterior —debida a un mecanismo que compensaba los cambios en la temperatura— redujera el error a un segundo cada día. El último reloj de Harrison llevó a 1/7 de segundo diario este error, haciendo de su reloj un mecanismo cien veces más exacto que el de Huygens.
Mientras esto sucedía, Christopher Wren había levantado el Observatorio Real en Greenwich (1675) —“un poco para presumir”, nos lo dice él mismo—, y con ello el nombre de este pequeño puerto cercano a Londres comenzó a recorrer el mundo, llevado por los navegantes ingleses que utilizaban la hora de su meridiano como tiempo de referencia.
El tiempo vuela
Tempus fugit (el tiempo vuela) fue la imagen romana que equiparó el tiempo con el clima. De ahí en adelante el tiempo sopló como viento romano, voló imitando el ave y caminó junto al anciano que carga una guadaña. Compañero inseparable de algunos de los primeros enigmas filosóficos, fluyó cual río, abriendo el cauce de la eternidad.
El tiempo fue movimiento, y todos entendieron que el tiempo real debería medirse usando algún tipo de modelo físico: un objeto que al moverse recorriera espacios iguales, repitiéndose como el Sol al cruzar el firmamento, como péndulo que busca los extremos, como resorte que controla el reloj, como cristal que vibra en el reloj digital.
Ha sido una larga historia la de medir el tiempo. Tan larga que sus propósitos de origen sólo los imaginamos, y únicamente recordarnos que los primeros relojes de agua griegos no eran sino simulacra, imitaciones de cómo funciona el cosmos. Su fin era exclusivamente alcanzar la satisfacción estética de construir un instrumento que imitara los movimientos planetarios, como la Torre de los Vientos en Atenas, erigida para consignar la belleza y simplicidad de la danza de las esferas celestes.
Y llegó la Edad Media, y con ella la disciplina y la vida controlada que los monasterios y la Iglesia reclamaron para sus seguidores: las horas para orar, los momentos de descanso y las citas en el refectorio. Pronto la necesidad de exactitud en la medición del tiempo se extendió a la sociedad entera, y marinos y comerciantes hicieron de los relojes piezas indispensables de trabajo e, inevitablemente, se acuñó la frase Time is money.
Y queda para la discusión la idea de Lewis Mumford de que “…fue el reloj, y no la máquina de vapor, el instrumento clave en el surgimiento de la época industrial moderna”.
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Referencias Bibliográficas
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Rafael Martínez Enríquez
Facultad de Ciencias,
Universidad Nacional Autónoma de México.
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cómo citar este artículo →
Martínez Enríquez, J. Rafael 1994. Historias del tiempo. Ciencias núm. 35, julio-septiembre, pp, 26-39. [En línea].
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| Victor Magaña Rueda |
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Mucha gente se pregunta si los veranos son ahora más
calientes que antes y si llueve menos o más. El cambio en el clima, el “agujero de ozono” y el fenómeno de El Niño, parecen ya ser parte del vocabulario de muchos. Opiniones y preocupaciones sobre variaciones en el clima se expresan día a día pero, ¿qué hay detrás de lo que intuitivamente sentimos que está pasando con nuestra atmósfera?, ¿la estamos calentando? o ¿posee “los mecanismos” necesarios para adaptarse a las modificaciones asociadas a factores antropogénicos? Estas preguntas son las mismas que están en la mente de muchos científicos en el mundo y son motivo de grandes discusiones y proyectos.
Cuando se habla de variaciones en el clima, se habla implícitamente de la circulación de la atmósfera en diferentes escalas de tiempo y espacio. Para tener una idea de cómo se pueden interpretar dichas relaciones espacio-tiempo hagamos referencia a la figura 1. En esta gráfica se observa que cuanto más grande sea la escala en el espacio del fenómeno, mayor es la escala de tiempo que se utiliza para su descripción y viceversa. A muchos nos gustaría pronosticar en forma precisa cuál será el clima de la Ciudad de México en diez años bajo los efectos, por ejemplo, del aumento de gases de invernadero, pero esto aún no es posible. Cuando más, podemos especular acerca de cómo variará la temperatura en los trópicos, ya que para la descripción adecuada de cualquier fenómeno atmosférico se deben siempre considerar escalas de tiempo y espacio. Por ejemplo, los procesos de menor escala ocurren generalmente en horas o minutos y están cercanos a lo que se conoce como turbulencia, por lo que su estudio es difícil. Para simplificar la descripción de fenómenos atmosféricos se ha creado una subdivisión un poco artificial. Así, se tienen procesos de escala planetaria (~104 km), sinóptica (~103 - 102 km), mesoescala (< 102 km), etcétera, y se habla de tiempo y clima según sea su escala temporal.
En Meteorología las subdivisiones no deben hacernos pensar, sin embargo, que las variaciones en el clima son independientes de las variaciones en el tiempo en escala sinóptica. Después de todo, el clima no es sino el tiempo promedio que ha hecho durante muchos días. Supongamos que iniciamos nuestro estudio de variaciones climáticas analizando alguna escala de tiempo, la más pequeña que se nos ocurra, digamos un día, y pensemos en una de las variables con las que estamos más familiarizados: la temperatura. Durante la mañana ésta comienza a subir, llega a un máximo y por la noche y madrugada desciende hasta alcanzar un mínimo antes de volver a subir. Nos podemos referir a tales variaciones como una oscilación con periodo de un día. Los valores máximos y mínimos de tales oscilaciones dependen de la estación del año. En general, serán mayores durante el verano y menores durante el invierno, es decir son modulados por las estaciones. Tales máximos y mínimos de la temperatura durante las estaciones son a su vez modulados por oscilaciones interanuales que, aunque no siempre tienen un periodo regular, están presentes. Ejemplos de tales fluctuaciones en el clima son el popular fenómeno de El Niño y su menos conocida contraparte, La Niña. Podemos continuar hablando de oscilaciones en escalas mayores de tiempo, modulando escalas menores, hasta llegar a las fluctuaciones de miles de años, como las glaciaciones. Basados en tales procesos de modulación, ¿qué decir, por ejemplo, de procesos de calentamiento global de la atmósfera? Pudiera ser que tal calentamiento sea sólo parte de la variabilidad natural de la atmósfera y que actualmente nos encontremos en la parte ascendente de alguna de las oscilaciones con periodo de decenas o cientos de años. ¿No hay motivo, entonces, para preocuparse si se duplica el bióxido de carbono o el metano “gracias” a las industrias contaminantes en el mundo? Las respuestas son motivo de discusiones acaloradas en los grandes foros científicos y políticos. Gente a favor y en contra expresa opiniones, no siempre sobre bases firmes, principalmente porque aún no se entiende de manera adecuada cómo funciona y “reacciona” nuestra atmósfera a factores anómalos externos.
El problema de la variabilidad en la circulación atmosférica se estudia basándose en consideraciones físicas, pues sólo en este marco de referencia se pueden abordar problemas como el de los cambios en el tiempo y en el clima, que son el resultado de complejas interacciones entre atmósfera, océano y continentes.
Consideraciones sobre el calentamiento global
El efecto invernadero
En la actualidad, el calentamiento global y las consecuentes catástrofes en el mundo se dan como un hecho. El incremento observado en el último siglo en la concentración de bióxido de carbono (CO2) y otros gases “de invernadero” nos ha llevado a crear escenarios de climas con sequías devastadoras y hundimiento de ciudades bajo los efectos del creciente nivel del mar asociado al deshielo en los polos. Sin embargo, la evaluación objetiva de estos peligros requiere una determinación real del problema.
El sistema Tierra-atmósfera es calentado por radiación solar de onda corta dada por S0 (1–α) /4, donde S0 es la “constante” solar, α es la fracción de radiación reflejada por la Tierra y el factor 4 está relacionado con la geometría de la Tierra. Este calentamiento debe ser balanceado por emisiones de onda larga (térmica o infrarroja) hacia el espacio (figura 2a). La razón de enfriamiento está dada por σTe4, donde σ es la constante de Stefan Boltzman y Te es la temperatura efectiva a la que radia el sistema. En condiciones de equilibrio:
S0 (1-α)/4 = σTe4
que al tomar un valor aproximado de 0.3 para el albedo nos da una temperatura Te de 255°K (–18°C). Si no existiera la atmósfera, ésta sería la temperatura de la superficie de la Tierra.
El vapor de agua, el bióxido de carbono, y otros gases de invernadero son relativamente ineficientes para absorber radiación de onda corta (solar), pero eficientes para absorber la radiación de onda larga. Así, los gases de invernadero absorben la radiación emitida por la superficie y la re-emiten tanto a la superficie, donde produce un calentamiento adicional, como al espacio, para mantener un balance entre la energía que entra y la energía que sale del sistema (Figura 2b). Como resultado, la temperatura superficial media del planeta (~285K) es significativamente más elevada que la temperatura Te con la que radiaría el sistema si no existiera la atmósfera. Este aumento en la temperatura superficial es lo que se conoce como efecto de “invernadero”. Un aumento en CO2 permitiría atrapar más radiación de onda larga, lo que resultaría en una mayor temperatura superficial.
Aunque gran parte del CO2 que producimos es absorbido por los océanos, mediante mecanismos que no son completamente conocidos, durante el último siglo, la cantidad de CO2 en la atmósfera ha aumentado significativamente. Tal aumento está asociado principalmente al consumo de combustibles fósiles. Existen datos geológicos que muestran que las fluctuaciones de los gases de invernadero están íntimamente relacionadas con variaciones en la temperatura (figura 3). De acuerdo con las predicciones más recientes se prevé que el duplicar la cantidad de CO2 en la atmósfera se traducirá en incrementos promedio globales de temperatura de superficie de entre 0.5 y 5°C debido al llamado efecto de invernadero y una disminución de la temperatura en las partes altas de la atmósfera, enfriadas por la radiación térmica emitida por este gas. Por otro lado, el incremento de la cantidad de CO2 podría estimular un aumento en ciertos tipos de vegetación. Tal posibilidad está siendo estudiada y de ser cierta, podría representar un cambio benéfico.
Ahora bien, el CO2 constituye sólo una mínima parte de los gases de la atmósfera. La distribución del vapor de agua puede determinar el clima de manera aún más directa. Los diversos procesos que involucran circulaciones oceánicas y atmosféricas, variaciones en la cubierta hielo-nieve, nubes y radiación, etcétera, son determinantes en la evolución del clima. Por eso, para analizar el fenómeno del calentamiento global se utilizan esquemas que incluyen la mayoría de estos procesos.
El uso de modelos de circulación general de la atmósfera y el océano
El cambio climático global se estudia utilizando diferentes procedimientos. El más común hace uso de modelos numéricos basados en leyes que gobiernan la física de la atmósfera y el océano. Por ejemplo, existen modelos de balance de energía y modelos radiactivo-convectivos (Gay y Conde 1992), que se fundamentan en principios de conservación de energía para pronosticar cambios en la temperatura de superficie. Estos modelos han sido utilizados desde los años setentas para obtener pronósticos con cierto éxito.
Existen también los modelos de circulación general (GCM, por sus siglas en inglés), que sacrifican la relativa “simplicidad” de los anteriores con el fin de incluir la mayoría de los efectos que determinan la dinámica atmosférica en gran escala y sus interacciones con los océanos. Por su complejidad, dichos modelos sólo describen procesos de gran escala espacial. Los efectos de menor escala, nubes, orografía, características del terreno, algunas ondas atmosféricas, etcétera, quedan parametrizados en términos de variables de gran escala. Los GCM son capaces de simular la variación estacional y latitudinal de la temperatura en superficie, la localización de los centros de baja presión donde se generan tormentas, las zonas intertropicales de actividad convectiva, etcétera, por lo que se han convertido en la herramienta más popular en los estudios del clima.
La manera como se emplean los GCM se basa en el pronóstico de la circulación atmosférica a partir de las condiciones observadas en el presente (experimento de control) y de condiciones iniciales anómalas, que corresponden a escenarios climáticos tales como El Niño, las glaciaciones, etcétera. Los pronósticos que se obtienen a partir de estas condiciones anómalas son comparados con los obtenidos a partir del experimento de control, y de esta forma se logra tener una idea aproximada del impacto en el clima de una situación anómala. Así, se pueden construir escenarios en los que exista el doble de bióxido de carbono en la atmósfera y su correspondiente clima, incluyendo los cambios de la temperatura promedio del planeta.
Aunque el costo de usar modelos de circulación general es alto, pues se requieren de sofisticados equipos de cómputo, en la actualidad se realizan diversos experimentos numéricos del clima para entender el impacto de un aumento de los gases de invernadero. Son varias las maneras en que se realizan tales experimentos. En uno de los casos, por ejemplo, se aumenta gradualmente el CO2 hasta duplicarlo en un cierto número de años, tiempo en que se analizan las condiciones anómalas en el clima. Los resultados de estos experimentos muestran que la temperatura promedio superficial aumenta. En otro tipo de experimento, se considera el doble de bióxido de carbono como condición inicial y se corre el modelo hasta alcanzar una situación de equilibrio. Como en el caso anterior, el resultado corresponde a aumentos de temperatura superficial, aunque de diferentes órdenes de magnitud debido a la inercia térmica del océano. Un ejemplo de tales predicciones, para invierno y verano, se muestra en la figura 4.
Los estados de equilibrio alcanzados por la mayoría de los modelos de circulación general acoplados a modelos de océano, que son muy probables de ocurrir en la atmósfera real indican que, de duplicarse la concentración de CO2:
• la estratósfera (entre 10 y 50 km de altura) se enfriará,
• la tropósfera (de la superficie a 10 km de altura) se calentará y, el ciclo hidrológico se intensificará.
Por otro lado, los siguientes cambios ocurren en modelos similares y probablemente se observarán en la atmósfera:
• el calentamiento será mayor en latitudes altas durante el invierno,
• el calentamiento medio anual será pequeño en los trópicos,
• el calentamiento en los trópicos variará poco con las estaciones,
• la precipitación aumentará durante los meses de invierno en latitudes medias y altas,
• la humedad del suelo y los escurrimientos al océano aumentarán en latitudes medias y altas durante el invierno, y
• el hielo en los polos se derretirá tempranamente y se formará tardíamente.
Finalmente, algunos modelos predicen los siguientes cambios que resultan menos probables de ocurrir en la atmósfera:
• el ciclo anual de la cubierta de nieve será más corto, y
• la humedad acumulada en el suelo será menor durante el verano en las latitudes medias del hemisferio norte.
La incertidumbre en la mayoría de los resultados se debe a que la sofisticación de los distintos modelos de circulación general parece ser aún insuficiente para entender la variabilidad climática. La respuesta de los GCM puede variar grandemente dependiendo del tipo de modelo de circulación del océano al que sea acoplado. Las diferencias en la temperatura superficial promedio del planeta pronosticada pueden ser de hasta 2°C. Además, como se mencionó anteriormente, un factor más de incertidumbre es la manera en que se ha diseñado el experimento. Si se inicia con condiciones iniciales 2 x CO2 los cambios pronosticados son mayores que si se aumenta gradualmente la cantidad de CO2 en la atmósfera. El sentido común indicaría aumentar gradualmente la cantidad CO2 en la atmósfera pero, cuánto tiempo tardará en duplicarse depende de factores geofísicos, políticos, económicos y sociales, no siempre fáciles de cuantificar. En la parte geofísica, por ejemplo, factores como la capacidad y velocidad de asimilación de CO2 por parte de los océanos, la inercia térmica de éstos, los tiempos de circulaciones profundas, etcétera, poco entendidos hasta ahora, son determinantes a la hora de dar una respuesta confiable. Se estima, sin embargo, que la duplicación de la cantidad de CO2 pudiera ocurrir entre cincuenta y cien años.
De acuerdo con modelos numéricos, el incremento en los gases de invernadero durante los últimos 150 años debería haber producido ya un calentamiento de entre 0.5 y 2°C. Sin embargo, ese cambio no ha sido detectado satisfactoriamente en observaciones de temperatura en superficie y cuando más se habla de un incremento de 0.5°C desde 1880. Esto no significa que el aumento no haya ocurrido. El problema es que las observaciones para determinar el cambio de temperatura en el planeta son pocas y no siempre consistentes, haciendo difícil corroborar las predicciones de los modelos.
Variaciones climáticas en escalas geológicas de tiempo
Muchos experimentos con los GCM han sido desarrollados para cuantificar y validar simulaciones del clima. Los mismos GCM que ahora se usan para pronosticar el cambio climático en los próximos decenios, han sido utilizados en estudios de paleoclima. La comparación de los resultados numéricos, con datos obtenidos de análisis de O18 y CO2 en columnas de hielo extraídas de los polos, registros climáticos generados a partir de los anillos de crecimiento de árboles o los registros de sedimentos y polen en los estratos del subsuelo, muestran una concordancia significativa. En varios casos, los cambios de temperatura simulados por los modelos corresponden con precisión a periodos de calentamiento e incluso de glaciaciones. Sin embargo, las condiciones especiales bajo las que esos experimentos numéricos se realizan pueden llevar a una falsa confianza en la capacidad de los modelos para simular el clima en grandes escalas de tiempo. Mediante estudios paleoclimáticos se ha concluido que el sistema atmosférico es mucho más sensible que nuestra habilidad para modelarlo. Aun así, se sabe que las fluctuaciones de la temperatura asociadas a cambios en CO2 son reales (figura 3), tal como lo muestran los modelos. Por tanto, aunque la sensibilidad del sistema no sea completamente conocida, es suficientemente grande como para que el rápido aumento en los gases de invernadero sea motivo de preocupación.
En el pasado han existido concentraciones de CO2 mucho más grandes que las actuales, pero éstas se dieron gradualmente, en periodos de muchos miles de años, mientras que los cambios actuales se dan en periodos muy cortos (decenas de años). El rápido incremento del CO2 en nuestro tiempo está asociado a condiciones de no-equilibrio que harán aumentar la variabilidad del sistema climático. Las características actuales de la orografía, las circulaciones oceánicas y el terreno, tan diferentes a las de hace millones de años, nos llevan a concluir que de continuar el aumento del CO2, los cambios climáticos por venir serán únicos en la historia de la Tierra.
Cambios climáticos durante el último siglo
Para entender los cambios climáticos recientes, se han compilado los datos colectados durante los últimos cien años en estaciones meteorológicas y por barcos mercantes. Su análisis requiere consideraciones especiales que incluyen correcciones de errores sistemáticos en las medidas, así como de los efectos de urbanización, en el caso de estaciones en ciudades. Con base en esos datos se ha determinado que durante el último siglo han existido periodos de calentamiento global, como entre 1920 y 1939 y entre 1967 y 1986 (figura 5). También se ha observado que el aumento aproximado de la temperatura superficial del planeta durante este periodo es de 0.5°C. Tal tendencia de la temperatura superficial valida parcialmente los pronósticos de los GCM. Los cambios de temperatura no son, sin embargo, uniformes en todo el planeta pues como predicen los modelos, los aumentos parecen ser mayores en latitudes altas (Figura 4). Por eso también se tiene interés ahora en los cambios climáticos regionales, como la frecuencia de sequías o inundaciones, aumentos locales en la temperatura, etcétera, ya que tendrán un impacto directo en la actividad humana.
El cambio climático regional
Aunque en general los modelos coinciden en sus predicciones al estimar cambios climáticos en grandes áreas del planeta, existen diferencias notables cuando se comparan cambios climáticos regionales o locales.
No es sino hasta fechas recientes que se ha comenzado a estudiar el cambio climático a escala regional. Para algunos lugares se pronostica que un ciclo hidrológico más intenso corresponderá a periodos de inundaciones más frecuentes. Esto implica que habrá un mayor número de tormentas durante los meses de lluvia, que no serán de una lluvia uniforme y moderada, sino que serán tormentas fuertes y localizadas que provocarán graves daños. Los huracanes, por ejemplo, que de manera tan directa afectan nuestro país, serán más intensos de lo que hasta ahora son. Asimismo, los periodos de sequía serán mucho más prolongados. De acuerdo con modelos numéricos, tales cambios se manifestarán de manera clara en los subtrópicos, por ejemplo en México. Algunos científicos incluso especulan que los primeros indicios de sequías ya comienzan a aparecer en el Sahel. Por otro lado, los incrementos de temperatura podrían afectar grandemente a los crecientes núcleos de población en las costas del mundo, ya que el aumento en los niveles del mar pondrá en riesgo las ciudades. Este fenómeno se dejará sentir también porque afectará la ecología de playas, estuarios, lagunas costeras, etcétera, al trastornar el delicado balance entre aguas de diferentes grados de salinidad.
Desde un punto de vista más práctico, debemos señalar que los cambios más notables en el clima regional están, y estarán, asociados a cambios en las características del terreno por actividades humanas, más que al cambio climático por aumento del CO2 Los efectos de la deforestación, sobrexplotación de los pastizales por la industria ganadera, crecimiento desmedido de las manchas urbanas, etcétera, provocan variaciones, a veces significativas, en el clima local. Aunque actualmente se trabaja en todo el mundo con el fin de entender el cambio que provocará el aumento de CO2 en el clima y su impacto en los ecosistemas, pudiera ocurrir que para cuando éste se dé, los ecosistemas que hoy describimos ya hayan desaparecido.
Los factores que determinan cambios climáticos regionales son muchos. En el caso de la Ciudad de México por ejemplo, se experimenta el llamado efecto de la “isla de calor” (Jáuregui, 1992), asociado a aumentos de temperatura superficial. Mediante datos promedio mensuales se puede observar que durante los últimos cincuenta o sesenta años existe una ligera tendencia de aumento de temperatura (figura 6a). Sin embargo, este cambio es difícil de detectar por “pura experiencia personal”. Las grandes variaciones climáticas interanuales y de decenios, inherentes al sistema, engañan nuestra memoria. Estas variaciones se observan no sólo en temperatura sino también en la precipitación, y oscurecen a veces los cambios debido a factores antropogénicos. Para darnos cuenta de ello, baste observar las variaciones en la precipitación en la Ciudad de México durante un periodo de ochenta años (1921-1980). Con un poco de cuidado se encontrará que han existido periodos de menor y mayor cantidad de lluvia en escalas de tiempo de unos treinta años (figura 6b). Después de analizar esa gráfica, ¿puede nuestra intuición decirnos si llueve ahora más o menos que antes?
Conclusiones
El estudio del cambio climático encierra una gran cantidad de problemas. Aquí nos hemos referido principalmente a los procedimientos que se siguen para pronosticar el impacto que tendrá en el clima ante un eventual aumento al doble de la cantidad de bióxido de carbono en la atmósfera. En general, parece existir un consenso sobre el aumento en la temperatura superficial del planeta al aumentar el CO2, aunque sin saber de qué magnitud será y en cuantos años se dará. No está por demás repetir que la mayoría de esas predicciones se basan en modelos numéricos con imperfecciones, y que sólo son una aproximación a la realidad. Se tendrá más certeza en esas predicciones cuando los estudios se realicen con modelos de mayor resolución espacial, y una representación más realista de los factores que determinan el clima local: nubes, hidrología subterránea, efectos de la vegetación, orografía detallada, etcétera. Por supuesto, a escala global, los modelos también tendrán que mejorar, entre otras cosas, en la simulación de la absorción y transporte de calor y de CO2 por los océanos. Sólo así se conocerá el grado de sensibilidad del sistema atmósfera-océano-continente a perturbaciones naturales o antropogénicas. Por otra parte, se estima que a escala regional los cambios climáticos estarán mayormente determinados por cambios en las características del terreno asociados a la actividad humana. Los detalles de tales cambios tampoco pueden describirse con exactitud pues se desconoce cómo actúan muchos procesos de retroalimentación en el sistema que controla el clima en estas escalas espaciales.
Aunque en el entendimiento de los fenómenos que controlan el clima y el tiempo se ha progresado notablemente, falta aún mucho que conocer del sistema atmósfera-océano-continente; alterarlo sin saber cómo reaccionará es un juego peligroso que puede tener consecuencias por demás indeseables. Aunque ciertos factores físicos nos podrían hacer pensar que la atmósfera se ajustará a los cambios que hoy le imponemos, ya sea por aumentos en el CO2 o cambios en el terreno, es necesario manejar inteligentemente el planeta. Nuestro escepticismo podría llevarnos a pensar que dado que los pronósticos del tiempo y el clima nunca son acertados, no hay por qué preocuparse. Concluiré haciendo referencia a un planteamiento que en este sentido me hicieron hace poco tiempo. Si se nos dijera que el avión en el que vamos a viajar está fallando y que existen posibilidades de que pudiera estrellarse, ¿lo abordaríamos?
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Referencias Bibliográficas
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Víctor Magaña Rueda
Centro de Ciencias de la Atmósfera,
Universidad Nacional Autónoma de México.
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cómo citar este artículo →
Magaña Rueda, Víctor. 1994. El pronóstico del tiempo para los próximo días, meses, años .... Ciencias núm. 35, julio-septiembre, pp. 15-22. [En línea] .
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| Victor J. Jaramillo | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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El fenómeno conocido como “cambio ambiental global”
que amenaza de diversas formas el funcionamiento del planeta, abarca varios fenómenos y procesos que están íntimamente relacionados. Un cambio global se define, según Vitousek, en dos contextos: a) es aquel que altera las capas de fluidos del sistema de la Tierra (la atmósfera y los océanos) y que, por lo tanto, se experimenta a escala planetaria, y b) aquel que ocurre en sitios muy localizados pero tan ampliamente distribuidos que constituye un cambio a nivel global. Como ejemplos del primero tenemos el cambio en la composición de la atmósfera (por ejemplo, aumentos en la concentración de bióxido de carbono y de metano), el cambio climático, la destrucción de la capa de ozono en la estratosfera y el aumento de la incidencia de radiación ultravioleta. Dentro del segundo tipo están la pérdida de la diversidad biológica, el cambio en el uso del suelo (por ejemplo la destrucción de los bosques para uso agropecuario), los cambios en la química atmosférica (por ejemplo la lluvia ácida y el aumento en la concentración de ozono en la tropósfera) y las invasiones biológicas. El denominador común a todos estos componentes del cambio ambiental global es el hombre y sus actividades. Éstas incluyen las actividades productivas, el desarrollo de ciertas tecnologías, la expansión de las tierras agrícolas y urbanas, un creciente e ineficiente uso de los combustibles fósiles y la emisión de nutrientes, toxinas y gases traza a la atmósfera como consecuencia de estos procesos. La actividad del hombre ha adquirido proporciones enormes, incluso en relación con el flujo de energía y materiales en la Tierra. Por ejemplo, las sociedades humanas consumen directamente cerca de 2% de la productividad primaria neta de los ecosistemas terrestres, pero al hacerlo utilizan o destruyen cerca de 40% del total.
La certeza o la incertidumbre en cuanto a la ocurrencia de los diversos componentes del cambio global es relativamente fácil de discernir. Por ejemplo, los cambios en la atmósfera, en particular el aumento en la concentración de bióxido de carbono, de óxido nitroso y de metano en la parte baja de la atmósfera (tropósfera), así como la disminución de la concentración de ozono en la estratósfera están bien documentados como se detallará más adelante. Asimismo, la pérdida de la diversidad biológica puede ser un alto grado de certeza. Por otro lado, no podemos asegurar que ya esté ocurriendo un cambio climático debido a las modificaciones inducidas por el hombre en el planeta. Sin embargo, existen evidencias que sugieren que por la exacerbación del fenómeno de invernadero puede estar ya presentándose un calentamiento. Por ejemplo, el nivel global del océano ha aumentado a una tasa de 15 a 25 cm por siglo en los últimos 100 años, debido probablemente al deshielo de las capas polares y a la expansión térmica del agua oceánica. También la temperatura promedio global del aire muestra una tendencia al aumento de aproximadamente 0.7°C desde 1880. Aunque el aumento concomitante de CO2 y de la temperatura en los últimos 100 años son consistentes con las predicciones de los modelos climáticos avanzados, es un hecho que esta magnitud de calentamiento ha ocurrido numerosas veces en la historia de la Tierra. Por lo tanto, la tendencia documentada puede representar un fenómeno de variabilidad natural sin relación con las actividades humanas en el planeta.
El efecto de los diferentes componentes del cambio global es más difícil de establecer. A largo plazo, el cambio climático es el que tiene el mayor potencial para alterar el funcionamiento de la Tierra y, además, interacciona fuertemente con los otros componentes. Sus efectos más dramáticos se verán en un futuro, mientras que las consecuencias de los otros ya están ocurriendo. Según Vitousek, existe un consenso entre los ecólogos estudiosos de los ecosistemas terrestres en cuanto a que el cambio en el uso de la tierra (por ejemplo la transformación de ecosistemas naturales para uso agropecuario) es en la actualidad el componente del cambio global más importante.
Se ha considerado que la situación actual ha colocado a la humanidad en una posición sin precedente, ya que se espera que en el lapso de una sola generación, el ambiente que hace posible la vida en la Tierra cambie más rápidamente que en ningún otro periodo comparable de la historia del planeta. Sin embargo, existen evidencias recientes que sugieren que habrá que replantear algunas concepciones con respecto a la estabilidad climática experimentada por la humanidad en el Holoceno (los últimos 10000 años). Los descubrimientos logrados mediante el análisis isotópico del hielo en Groenlandia indican que durante el periodo interglacial anterior, el Eemiano, que abarcó de los 125000 a los 115000 años a. C., existieron oscilaciones climáticas que determinaron la existencia de periodos calientes (hasta 2°C más que en la actualidad) y fríos (hasta 5°C menos que en el Holoceno). Lo más sorprendente es que los cambios de estado se completaron en tan sólo 10 a 20 años y los periodos duraron desde 70 hasta 5000 años. La pregunta pertinente es, por qué el clima de los últimos 10000 años ha sido tan estable dadas las notables variaciones registradas para los últimos 150000 años, incluyendo un periodo interglacial análogo al presente pero ligeramente más caliente que el actual. White señala que en realidad no sabemos qué periodo representa la norma de los interglaciales; si el Holoceno, estable y monofásico; el Eemiano, multifásico y cambiante. Resalta, además, el hecho de que los humanos hemos construido un sistema socioeconómico complejo en lo que es, probablemente, el único periodo con patrones climáticos suficientemente estables como para desarrollarlo; se trata, sin duda, de una afortunada casualidad.
La duración de los eventos del Eemiano sugiere que los cambios en la circulación de los océanos estuvieron involucrados de manera causal en esos patrones. Aún se requieren muchas explicaciones que nos indiquen los “requisitos” para inducir una desestabilización “tipo Eemiano” en el patrón climático del Holoceno. Pero como el trabajo mismo señala, el hombre está perturbando ya uno de los factores que pueden estar involucrados: los gases de invernadero.
Los gases de invernadero tienen la propiedad de dejar pasar las radiaciones de longitud de onda corta pero absorben la radiación infrarroja (de longitud de onda larga) emitida por la Tierra y la retienen en la tropósfera (ver en Gay et al. 1991 una descripción más detallada de este fenómeno). Un aumento sustancial en la concentración de estos gases puede, por lo tanto, producir el calentamiento de la superficie de la Tierra y afectar considerablemente el clima del planeta. No obstante su gran capacidad para absorber la radiación infrarroja, estos gases están presentes en la tropósfera en concentraciones muy bajas: baste considerar que 99.9% de los gases atmosféricos lo constituyen el nitrógeno, oxígeno y otros gases nobles inertes, que no son gases de invernadero. Ante la creciente preocupación respecto a un posible calentamiento global, se tiende a pensar que el “fenómeno de invernadero” es algo que está ocurriendo como resultado de las actividades humanas o que ocurrirá en el futuro. Es necesario entonces reflexionar sobre la posible existencia de este fenómeno en la historia de la Tierra, sobre la “constancia” de la composición de la atmósfera y sobre la relación entre ésta y los seres vivos
La atmósfera en la evolución del planeta
Se ha estimado que en sus estados tempranos de desarrollo como estrella, el Sol emitía aproximadamente 30% menos de radiación que en la actualidad. Esto implica que con la composición química de la atmósfera actual, la Tierra habría estado congelada hasta hace 2000 millones de años. Sin embargo, sabemos por el registro fósil que no fue así, y que ha existido agua en estado líquido desde hace aproximadamente 3800 millones de años. La explicación más aceptable de esto es que la atmósfera primitiva era más rica en bióxido de carbono —aproximadamente una concentración de 3% contra 0.035% en la actualidad— y evitaba la salida de la radiación produciendo un calentamiento global en el planeta. Es decir, este gas producía un efecto de invernadero. Aún en la actualidad, y con el Sol emitiendo más energía, sin la presencia del bióxido de carbono y del vapor de agua en la atmósfera, la temperatura promedio del planeta sería 33°C más fría y, por lo tanto, estaría congelado.
Es evidente que estos gases, que se presentan en la atmósfera en concentraciones muy bajas, han desempeñado un papel fundamental en la regulación de la temperatura del planeta desde sus orígenes. Un ejemplo claro de la constancia de las condiciones favorables para la vida en el planeta es que la temperatura promedio de la Tierra no ha bajado de 15°C ni ha rebasado los 30°C por lo menos durante los últimos 140 millones de años. Se ha propuesto que el factor que ha controlado la variación de temperatura en la escala geológica es la concentración atmosférica de CO2 mediante un sistema de retroalimentación negativa regulado por el ciclo geoquímico del carbonato-silicato.
Dicho ciclo es responsable del intercambio de cerca de 80 del bióxido de carbono entre la superficie terrestre y la atmósfera en una escala de tiempo que rebasa los 500000 años. Tal mecanismo sugiere que a los aumentos de temperatura en la superficie terrestre corresponden descensos en la concentración del CO2 atmosférico que regulan la temperatura del planeta. Sin embargo, sería preciso conciliar las predicciones de este sistema de regulación planetario con las evidencias obtenidas para los últimos 60000 años. Dichos resultados muestran un acoplamiento positivo entre la temperatura del planeta y la concentración de bióxido de carbono en la atmósfera.
Aunque no es posible establecer una relación causal de esto, es obvio que el patrón es diferente al sugerido por Kasting y colaboradores. Se tendría que resolver hasta qué punto el mecanismo propuesto por ellos es erróneo o es un problema de las escalas de tiempo involucradas —el ciclo geoquímico operaría en periodos que rebasan los 500000 años y los datos presentados corresponden a sólo 160000.
La composición química de la atmósfera de la Tierra y la del escenario en el que evolucionó la vida obedecen a tres restricciones iniciales: 1) la abundancia cósmica de los gases, 2) su distribución durante la formación de la Tierra, y 3) la solubilidad de los diferentes elementos en el agua. Esto último tuvo como consecuencia que los elementos abundantes en el agua oceánica fueran constituyentes importantes de la química de la vida.
Como se sugirió anteriormente, la composición de la atmósfera no ha permanecido constante desde el origen de la Tierra. Ha estado sujeta en un principio a cambios debidos a los procesos geoquímicos y después a los procesos biológicos resultantes de la evolución de la vida. Aunque no se sabe con exactitud cuál era la composición de la atmósfera primaria de la Tierra, es muy probable que en el surgimiento de la vida, la atmósfera estuviera dominada por el nitrógeno molecular (N2), con proporciones menores de vapor de agua y de bióxido de carbono, y cantidades muy pequeñas de gases emitidos por las erupciones volcánicas, y que careciera de oxígeno. Es decir, en el origen de la vida y durante los primeros 2500 millones de años del planeta no existió una capa de ozono (O3) en la estratósfera que protegiera la superficie terrestre de la incidencia de la radiación ultravioleta (el ozono en esta zona de la atmósfera se deriva del oxígeno (O2) sujeto a reacciones fotoquímicas).
La vida estuvo, pues, dominada por formas microbianas que desarrollaron los mecanismos bioquímicos necesarios para utilizar un ambiente anaerobio, entre ellas las bacterias fotosintéticas, que utilizaban el sulfuro de hidrógeno (H2S) como fuente de hidrógeno. Lynn Margulis sostiene que fue la incesante demanda de hidrógeno y la disponibilidad limitada del mismo lo que “empujó” a los ancestros de las cianobacterias a obtenerlo de otra fuente abundante en el planeta: el agua (H2O). Esta innovación metabólica de las bacterias tuvo implicaciones enormes para la historia de la vida en la Tierra. Simplemente, los animales no podrían haber evolucionado sin el alimento provisto por la fotosíntesis y el oxígeno del aire. Al mismo tiempo, esta innovación bioquímica produjo lo que Lynn Margulis y Dorion Sagan denominan un “holocausto” de dimensiones planetarias hace aproximadamente 2000 millones de años, cuando el oxígeno se empezó a acumular en la atmósfera debido a que los reactivos pasivos, como los compuestos metálicos, los gases atmosféricos reducidos y los minerales de las rocas, se agotaron. Dicho evento se considera un “holocausto” debido a que el oxígeno atmosférico constituyó un veneno letal para los microorganismos de entonces por su enorme capacidad de reacción con la materia orgánica. El oxígeno capta electrones (oxida) y puede alterar drásticamente los compuestos de carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre que son la base de vida. Ciertamente, la presencia de O2 en la atmósfera produjo la desaparición de muchísimas especies de microbios, pero otros encontraron la forma de sobrevivir en las nuevas condiciones. Más aún, algunas cianobacterias “inventaron” un sistema metabólico capaz de utilizar ese oxígeno letal: la respiración aerobia. Los sobrevivientes anaerobios del “holocausto” encontraron refugio y están todavía con nosotros en los ambientes carentes de oxígeno como las zonas inundadas y el aparato digestivo de muchos organismos, realizando labores clave para el funcionamiento tanto de los seres vivos como del planeta.
Para tener una idea más clara del cambio tan radical que ocurrió en la composición de la atmósfera debido al “holocausto”, basta considerar lo siguiente. En la actualidad estamos preocupados por un cambio de 0.028% a 0.035% en la concentración del CO2 atmosférico, y por las consecuencias que éste o un aumento más severo —por lo general se considera el doble de la concentración actual— pueden tener en cuanto a los patrones climáticos del planeta. En contraste, el cambio ocurrido hace 2000 millones de años llevó la concentración de O2 de 0.0001% a 21% (un cambio de 5 órdenes de magnitud) que se ha mantenido casi constante en este último nivel durante millones de años. La importancia de dicha constancia radica en que con unos cuantos puntos porcentuales menos de oxígeno, los organismos aerobios nos asfixiaríamos: con 15% menos se podría iniciar un fuego y con más de 25% hasta la materia orgánica mojada ardería espontáneamente. Los microorganismos regularon el balance de oxígeno de la Tierra y crearon una anomalía planetaria.
La atmósfera del planeta entró en lo que se reconoce como un estado de desequilibrio químico. Por ejemplo, la concentración actual de metano excede de 29 a 140 órdenes de magnitud y la de óxido nitroso de 12 a 13 (según dos estimaciones independientes) la concentración que les correspondería en el equilibrio termodinámico. El registro de estas variables desde la nave espacial Galileo, así como el de la inusitada cantidad de oxígeno en la atmósfera, comparada con la de otros planetas, son utilizadas por Carl Sagan y colaboradores en la realización de un experimento único en su género como evidencia de la existencia de vida en la Tierra. Es decir, tales características atmosféricas sólo pueden presentarse si existen mecanismos activos que las mantengan. En este mismo sentido, Schlesinger indica que la emisión de oxígeno a la Tierra anaeróbica es el recordatorio más fuerte de la influencia de los seres vivos en la geoquímica de la superficie terrestre.
Para ilustrar de otra forma la anomalía de la atmósfera del planeta comparemos la composición atmosférica de planetas sin vida con la de la Tierra en la actualidad (tabla 1). Se observa que la atmósfera de una Tierra sin vida no sería muy diferente de la de Marte y Venus, ya que sería muy rica en bióxido de carbono y muy pobre en nitrógeno. Es obvio también que, con esa composición atmosférica, la temperatura de la Tierra sería mucho más alta que la que se observa hoy día. La atmósfera estaría seguramente en equilibrio termodinámico.
Los gases de invernadero en la actualidad
Como es imposible exponer con detalle todos los aspectos relevantes de los gases de invernadero aun de los más importantes, expondremos a continuación la problemática general de algunos de ellos. Trataremos con mayor extensión el caso del bióxido de carbono ya que es, probablemente, el más importante y acerca del cual se ha realizado más investigación en muy diversas áreas del conocimiento. Es necesario señalar que, salvo los clorofluorocarburos, los gases que se mencionan son, en primera instancia, producto de procesos naturales, que ya existían muchísimos millones de años antes de la evolución del hombre. En particular, varios de ellos son emitidos como resultado de la actividad biológica de los microorganismos del suelo.
El bióxido de carbono
Este gas, importante componente de nuestra atmósfera desde hace miles de millones de años, tuvo su origen en la actividad volcánica del planeta que lo lanzaba a la atmósfera. Ya mencionamos que la concentración de dicho gas en la atmósfera podría estar controlada en el largo plazo por el ciclo geoquímico del carbonato-silicato, pero a corto plazo el ciclo está regulado por procesos biológicos. El bióxido de carbono es, posiblemente, el componente atmosférico más importante y más afectado por las actividades humanas. De acuerdo con las predicciones de los modelos climáticos globales, cerca de 55 del calentamiento predicho para el próximo siglo se debe al bióxido de carbono (CO2), 20% a los clorofluorocarburos (CFC) y el 25% restante al metano (CH4) y al óxido nitroso (N2O)
El aumento de CO2 en la atmósfera está bien documentado. Las mediciones realizadas en Mauna Loa, Hawai, han mostrado un aumento en su concentración de 315 partes por millón (ppm), en 1957 a 350 ppm en 1988. Los resultados obtenidos con núcleos de hielo han mostrado concentraciones de 280 ppm al principio de la era industrial (1880). Esto significa un incremento de 25% en poco más de 100 años (0.25% anual), cuando la tasa de aumento actual es de 0.4% por año. Aunque se han documentado concentraciones similares a la actual en el registro geológico, ésta constituye el nivel más alto alcanzado en los últimos 160000 años y la velocidad de cambio parece mucho mayor.
Las causas de este incremento incluyen el uso industrial y doméstico de combustibles que contienen carbono (petróleo, carbón, gas natural y leña), la deforestación —que provoca la descomposición de la materia orgánica— y la quema de la biomasa vegetal (tabla 2). Sin embargo, es el uso indiscriminado e ineficiente de los combustibles fósiles el principal generador de la tendencia actual. La quema de dichos combustibles ha aumentado a una tasa de 4.3% anual desde la Revolución Industrial, excepto en algunos periodos como las guerras mundiales y durante la Gran Depresión. La cantidad de carbono emitida por esta vía varía, según los cálculos, entre 5.5 y 5.7 Pg/año (tabla 3) (1 petagramo [Pg] = 1015 g). Las estimaciones recientes indican que la desforestación de los bosques tropicales podría contribuir con alrededor de 35% a 50% de dichas emisiones, es decir de 2 a 3 Pg/año, pero aún existe mucha incertidumbre sobre los flujos de carbono debidos al cambio en el uso de la tierra, sobre todo en los trópicos. De hecho, la magnitud de este flujo podría ser menor. Los cálculos realizados recientemente para América Latina, afinando las estimaciones de la pérdida de carbono del suelo entre otras variables, mostraron valores por debajo de los obtenidos previamente. Por ejemplo, el flujo neto de carbono obtenido para el año de 1985 estuvo entre 0.4 y 0.8 Pg y representó valores de 40% por debajo de las estimaciones previas. Asimismo, en dicho estudio se determinó que dos de los tres factores que produjeron mayor variación en los cálculos se relacionan con las estimaciones de biomasa de los bosques. Esto hace más evidente la necesidad de determinar la biomasa vegetal de manera más precisa si queremos reducir la incertidumbre en la estimación de los flujos debidos a los cambios en el uso de la tierra. Desde la perspectiva del ciclo global del carbono, estos flujos antropogénicos son pequeños si se comparan con los que se dan naturalmente entre la atmósfera, los ecosistemas terrestres y los océanos, pero son suficientes para modificar los flujos netos y aumentar el contenido de CO2 de la atmósfera a una tasa de 3.2 Pg/año.
Para el cálculo del balance global de carbono hay que considerar fuentes de emisión y sumideros o sitios que captan carbono (tabla 3). De los valores presentados, sólo la magnitud de los flujos debidos a la quema de combustibles fósiles y el del aumento en la atmósfera son bien conocidos; los demás valores presentan diversos grados de incertidumbre. Se observa que del CO2 emitido por los combustibles fósiles sólo 56% se acumula en la atmósfera, lo que sugiere que el resto debe acumularse en otros sumideros. Es justamente la magnitud de los mismos lo que constituye una de las controversias y áreas de investigación más activas en la actualidad.
Se distinguen tres posibles sumideros para el carbono: a) los océanos, b) los bosques templados y los boreales, y e) los bosques y pastizales tropicales (tabla 3).
La capacidad de los océanos para captar bióxido de carbono ha sido ampliamente discutida en los últimos años. El intercambio de CO2 de la superficie del océano y la atmósfera está regulado por la diferencia en la presión parcial de dicho gas (pCO2) entre ambos fluidos, por la velocidad del viento sobre la superficie oceánica y por el estado de la misma. Existen pruebas de que la “bomba biológica” del océano controla la pCO2 de las aguas superficiales. De esta manera, cuando la “bomba” está activa, baja la pCO2 superficial, aumenta la presión parcial de las aguas profundas que no están en contacto con la atmósfera y permite la entrada de bióxido de carbono al océano. En áreas de baja productividad primaria, la presión parcial superficial es a menudo mayor que la de la atmósfera y por lo tanto el CO2 es liberado de la superficie oceánica. La medición de estas variables es más compleja de lo que uno podría suponer, pero los esfuerzos recientes del World Ocean Circulation Experiment (WOCE) y del Joint Global Ocean Flux Study (JGOFS) del Programa Internacional de la Geósfera-Biósfera (JGBP) han mostrado que la pCO2 es mucho más cambiante de lo que se pensaba y que está influida negativamente por la abundancia de fitoplancton. Es decir, a mayor abundancia de éste menor es la pCO2.
Los modelos recientes indican que la capacidad del océano para actuar como sumidero del bióxido de carbono que no permanece en la atmósfera es mucho más reducida de lo calculado previamente. Cuando más, podría captar en el orden de 1 Pg/año de CO2; lo cual implica que por lo menos 3 Pg/año deberían ser captados por la biota terrestre. Takahashi et al., sugieren que no es el océano el principal sumidero de carbono sino que son los bosques templados y boreales del Norte. No obstante, se opina que cuando se tome en cuenta una serie de factores como la estacionalidad biológica, las influencias a nivel de meso-escala y el papel de los mares cercanos a las costas en el ciclo del carbono oceánico, la capacidad del océano como sumidero de carbono tendrá que ser evaluada nuevamente.
La capacidad de los ecosistemas terrestres para capturar el CO2 atmosférico también ha estado sujeta a debate, en particular la concerniente a los ecosistemas tropicales. Existen posiciones muy escépticas que sostienen que dadas las tasas actuales de perturbación de la vegetación y del crecimiento poblacional, la discusión se vuelve puramente académica (Schlesinger, 1990). De manera menos pesimista pero no menos crítica, se ha cuestionado también la suposición teórica de que los ecosistemas terrestres naturales estén en estado estable y que estaban en equilibrio o casi antes de 1860. Lugo y Brown llevan este cuestionamiento al caso de los bosques tropicales y calculan que éstos tienen una capacidad potencial para “secuestrar” carbono del orden de 1.5 a 3.2 Pg/año. El mayor potencial lo tienen los bosques sucesionales, que capturan 43% del total. Estos resultados contradicen el consenso respecto a que sólo los bosques templados y boreales pueden actuar como sumideros y que los bosques tropicales funcionan fundamentalmente como emisores de CO2 a la atmósfera.
La capacidad de los ecosistemas terrestres para funcionar como sumideros depende también del posible efecto de fertilización por el aumento en la concentración de bióxido de carbono en la atmósfera. ¿Pero sabemos de sus consecuencias sobre el funcionamiento y crecimiento de las plantas? Las investigaciones fisiológicas han mostrado, entre otros resultados, lo siguiente: a) las plantas con la ruta fotosintética C3 —la mayoría de las plantas silvestres y cultivadas— responden más que las C4 (maíz, caña de azúcar y otras); b) el incremento inicial en las tasas de fotosíntesis y de crecimiento puede disminuir conforme avanza el tiempo de exposición a las concentraciones elevadas; c) hay un aumento en la eficiencia del uso del agua aún bajo condiciones de campo; d) la respuesta de la fotosíntesis y del crecimiento es particularmente pronunciada cuando otros recursos como la luz, el agua y los nutrientes son abundantes; e) las plantas fijadoras de nitrógeno tienden a beneficiarse más del aumento que las no fijadoras; f) el contenido de carbohidratos no estructurales aumenta generalmente, mientras que la concentración de nutrientes disminuye; g) en consecuencia, la calidad de la hoja como recurso disminuye provocando un aumento en los requerimientos de biomasa per capita en el caso de los herbívoros, y h) la respuesta puede diferir entre las especies de la misma comunidad y entre las poblaciones de la misma especie. La mayoría de los estudios que permiten llegar a las consideraciones anteriores se han realizado en condiciones controladas y más de dos tercios de los trabajos publicados se han realizado con especies cultivadas. Del tercio restante, gran parte lo constituyen investigaciones con plántulas de árboles y malezas.
Aunque la investigación ha permitido generar predicciones factibles de ser validadas en condiciones naturales, existen críticas a los resultados obtenidos en dichos estudios. Por ejemplo, algunos trabajos recientes han mostrado que si no se tiene un control adecuado de la nutrición mineral de las plantas sujetas a experimentación no puede saber cuál es el verdadero efecto de un aumento en la concentración de CO2. Esto es, la disponibilidad de nutrientes puede determinar el tipo de respuesta al tratamiento. La respuesta diferencial de las especies y de las poblaciones, la existencia de ajustes, tanto en la planta como en el ecosistema, y la notable preferencia de esos estudios por las especies cultivadas, hacen que la modelación del cambio de vegetación en respuesta a las concentraciones altas de CO2 sea una tarea muy difícil. Sin duda, la información más útil será producto de las investigaciones en condiciones naturales. Los problemas logísticos para montar los experimentos son grandes y en la actualidad se han publicado únicamente resultados de dos ecosistemas: la tundra del Ártico y la vegetación de zonas inundables en la costa atlántica de Estados Unidos. Ambos ecosistemas tienen vegetación de baja estatura que facilita el montaje de las cámaras de enriquecimiento de CO2. Los resultados revelan que los ecosistemas responden de manera diferente al enriquecimiento y que los patrones de respuesta no coinciden necesariamente con los obtenidos en condiciones controladas (ver Mooney et al., 1991). Como las investigaciones realizadas en los ecosistemas naturales representan un porcentaje bajísimo del total (menor a 1%), actualmente la investigación se dirige hacia otros ecosistemas como los pastizales y los bosques boreales y tropicales, de modo que permita tener bases más sólidas para la modelación requerida a escala global.
Metano (CH4)
Este gas es, después del bióxido de carbono, el compuesto de carbono más abundante en la atmósfera. Se produce de manera natural en la fermentación de la materia orgánica en condiciones anaeróbicas, tal como ocurre en los humedales, los sedimentos lacustres y en el aparato digestivo de los rumiantes y las termitas. Su concentración en la tropósfera está aumentando cerca de 1% anual, una tasa mucho más alta que la del CO2, y se ha duplicado en los últimos 240 años hasta alcanzar su nivel actual de 1.7 partes por millón. La concentración de metano muestra variaciones latitudinales —es mayor en el hemisferio norte— y fuertes oscilaciones estacionales. El metano tiene una capacidad de absorción de la radiación infrarroja 20 veces mayor por molécula que el bióxido de carbono, por lo que el aumento de este gas en la tropósfera puede sin lugar a dudas contribuir de manera significativa a un cambio climático global. Aunque con cierto grado de incertidumbre, se cree que la creciente superficie cultivada con arroz así como la quema de la biomasa vegetal están contribuyendo de manera importante a dicho aumento (tabla 2). El incremento del hato ganadero y de las poblaciones de termitas ha sido descartado como fuente importante de metano en términos globales. Por otro lado, muchos investigadores creen que el aumento puede deberse a una disminución de radicales OH que reaccionan con el metano y lo eliminan de la atmósfera. Tal fenómeno podría deberse al incremento en las emisiones de monóxido de carbono, contaminante que se combina rápidamente con dichos radicales. Otra posibilidad es que los cambios en el uso de la tierra en los trópicos estén reduciendo la tasa de consumo de metano por parte del suelo y que esto contribuya también a su aumento en la atmósfera.
Óxido nitroso (N2O)
El óxido nitroso se origina de manera natural en los procesos microbianos, tanto en los ecosistemas terrestres como marinos en los que se produce como resultado de la nitrificación (conversión de amonio a nitratos o nitritos) y la desnitrificación (conversión de nitratos a óxido nitroso y nitrógeno molecular). Su concentración ha aumentado a una tasa anual de 0.2 a 0.3% en los últimos 20 a 30 años hasta alcanzar una concentración actual de 330 partes por billón. La molécula de N2O es 250 veces más eficaz que la de bióxido de carbono para absorber la radiación infrarroja por lo que, al igual que en el caso del metano, su aumento tiene potencialmente la capacidad de contribuir al cambio climático global. Una característica de este gas es que además de actuar como “gas de invernadero” en la tropósfera, dada su larga permanencia en la atmósfera, (tabla 2) llega a la estratósfera donde se oxida a óxido nítrico, el cual reacciona con el ozono y lo destruye. Por ello el aumento actual adquiere mayor importancia. Las causas del aumento no son bien conocidas pero se cree que la quema de la vegetación, el uso indiscriminado de fertilizantes nitrogenados y la conversión de tierras en los trópicos constituyen las fuentes de emisión más importantes (tabla 2).
Clorofluorocarburos
Estos compuestos conocidos como CFC son, en contraste con los anteriores, de origen netamente antropogénico ya que se producen como propelentes de aerosoles, refrigerantes y solventes (tabla 2). Tienen la propiedad de ser prácticamente inertes en la tropósfera y por eso llegan a la estratósfera en donde son los principales responsables de la destrucción del ozono. La radiación ultravioleta libera los iones de cloro, sumamente reactivos con el ozono y se produce oxígeno molecular. Sin embargo, en la tropósfera los CFC pueden contribuir también de manera significativa al calentamiento del planeta ya que los dos más comunes (CFC-11 y CFC-12) tienen, por molécula, de 17 500 a 20000 veces la capacidad de la del bióxido de carbono para absorber la radiación infrarroja. Su concentración está aumentando a una tasa de 5% anual, lo que aunado a su larga permanencia en la atmósfera (tabla 2) los hace de crucial importancia. A eso se debe que la comunidad internacional haya promovido acuerdos (por ejemplo el Protocolo de Montreal) para controlar la producción de dichos compuestos.
Perspectiva de investigación: el IGBP
A pesar de que en el presente artículo se hace hincapié en los gases de invernadero y en su relación con la biota, es preciso insistir, nuevamente, en que el cambio global es un tema mucho más amplio. Lo tratado aquí es solamente un aspecto del problema, aunque los cambios en la composición atmosférica representen individualmente la amenaza más importante para la estabilidad ambiental. El reconocimiento de que la humanidad está alterando significativamente todos los sistemas y ciclos que en conjunto hacen posible la vida en la Tierra, dio como resultado el lanzamiento en 1986, por parte del Consejo Internacional de Uniones Científicas (ICSU), de un programa de investigación muy ambicioso: el Programa Internacional de la Geósfera-Biósfera, más conocido como IGBP (International Geosphere-Biosphere Program: A Study of Global Change). Se reconoció que el clima, los ciclos globales del carbono y del agua, y la estructura y el funcionamiento de los ecosistemas naturales están íntimamente relacionados, y que cualquier cambio importante en cualquiera de estos sistemas afectaría a los demás, con consecuencias potenciales muy serias para la humanidad y otras formas de vida en el planeta. El objetivo fundamental del IGBP fue, por lo tanto, describir y entender los procesos físicos, químicos y biológicos interactuantes que regulan el sistema de la Tierra, el ambiente singular que provee para la vida, los cambios que están ocurriendo en este sistema y la forma en que los afectan las actividades humanas. Cumplir con este objetivo implica la interacción activa y constante de disciplinas científicas que nunca o rara vez se comunicaban entre sí, un reto pocas veces planteado con estas dimensiones. Se empezó por identificar los problemas y a construir el programa a partir de preguntas clave.
En la actualidad el IGBP está estructurado en seis proyectos núcleo y tres actividades. Los proyectos abordan cuestiones de la química atmosférica, los ecosistemas terrestres, el ciclo hidrológico, las interacciones océano-tierra en la zona costera, la biogeoquímica de los océanos y los cambios globales del pasado. Casi todos ellos cuentan ya con un programa activo de investigación con subproyectos y actividades muy precisas, y son los comités nacionales involucrados en el programa los que están llevando a cabo el trabajo.
Se trata de un reto formidable y aunque la investigación en muchas áreas es muy costosa, la comunidad científica ha decidido que es mucho más costoso no entender ni predecir las consecuencias de lo que estamos haciendo con este planeta.
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Agradecimientos
Agradezco los comentarios de Alejandro Morón y de Manuel Maass para mejorar el presente manuscrito.
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Referencias Bibliográficas
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Victor J. Jaramillo
Centro de Ecología,
Universidad Nacional Autónoma de México.
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cómo citar este artículo →
Jaramillo, Víctor J. 1994. El cambio global: interacciones de la biota y la atmósfera. Ciencias núm. 35, julio-septiembre, pp. 4-14. [En línea].
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