Las principales causas naturales de la variación del clima a lo largo de la historia terrestre son:
- Excentricidad de la órbita: la órbita terrestre es una elipse, pudiendo oscilar ligeramente cada 100.000 años por la atracción gravitatoria de otros planetas.
- Oblicuidad del eje de rotación terrestre: las estaciones se deben al ángulo del eje de rotación de la Tierra respecto del plano que forma con el Sol (eclíptica). Se producen ligeras variaciones cada 40.000 años.
- Precesión del eje de rotación terrestre: el eje de la Tierra está girando alrededor de un eje perpendicular a la eclíptica de manera parecida a un trompo, con un período de 25.000 años.
La relación entre los ciclos orbitales y el clima se conoce como teoría de Milankovich, que explica el origen de las glaciaciones, aunque no implica que fueran estas la única causa de este cambio climático.
Otras causas son:
- Deriva de los continentes: por una lado, la distribución continental modifica las corrientes oceánicas, que constituyen un modo eficaz de transportar calor desde la zona intertropical a las zonas polares, y por otro lado, el albedo o reflexión del océano depende de la inclinación de los rayos solares.
- Cambios en la composición de la atmósfera: por actividad volcánica o impacto de cuerpos celestes.
- Cambios en la actividad solar: la actividad solar está directamente relacionada con el número de manchas solares. Explicaría el denominado Mínimo de Maunder, el período más frío de la llamada pequeña edad de hielo, entre 1643 y 1715, en el que prácticamente no hubo manchas solares.
Por otra parte, está la llamada paradoja del sol débil, que indica que hace 3000 millones de años existía una temperatura similar a la actual a pesar de que el Sol emitía un 70-80 % de la energía actual, por la presencia de una atmósfera con un intenso efecto invernadero.
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