El clima está regulado por interacciones complejas entre los componentes del sistema terrestre.

La enseñanza sobre las interacciones climáticas se apoya en seis conceptos clave:

a. El clima de la Tierra depende de las interacciones entre el sol, el océano, la atmósfera, las nubes, el hielo, la tierra y la vida. El clima varía según la región como resultado de las diferencias locales entre estas interacciones.

Hay otros 5 conceptos fundamentales. Para verlos todos ...

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b. Cubriendo el 70% de la superficie de la Tierra, el océano ejerce un mayor control sobre el clima al dominar los ciclos de energía y agua de la Tierra. El océano tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de energía solar. Las corrientes oceánicas, impulsadas por diferencias en la densidad y la circulación atmosférica, redistribuyen el calor y el vapor de agua globalmente. Los cambios en la circulación oceánica causados ​​por movimientos tectónicos o grandes flujos de agua dulce proveniente del derretimiento del hielo polar pueden provocar cambios significativos e incluso abruptos en el clima, tanto a nivel local como global.

c. La cantidad de energía solar absorbida o radiada por la Tierra es modulada por la atmósfera y depende de su composición. Los gases de efecto invernadero, como el vapor de agua, el dióxido de carbono y el metano, se producen naturalmente en pequeñas cantidades y absorben y liberan energía térmica de manera más eficiente que los gases atmosféricos abundantes como el nitrógeno y el oxígeno. Los pequeños incrementos en la concentración de dióxido de carbono tienen un gran efecto en el sistema climático.

d. La abundancia de gases de efecto invernadero en la atmósfera está controlada por ciclos biogeoquímicos que continuamente mueven estos componentes entre sus reservas de océano, tierra, vida y atmósfera. La abundancia de carbono en la atmósfera se reduce a través de la acumulación de sedimentos marinos en el fondo marino y la acumulación de biomasa vegetal. Se incrementa a través de la deforestación y la quema de combustibles fósiles, así como a través de otros procesos.

e. Las partículas en el aire, llamadas "aerosoles", tienen un efecto complejo en el balance de energía de la Tierra: pueden causar tanto el enfriamiento, al reflejar la luz solar entrante hacia el espacio, como el calentamiento, al absorber y liberar la energía térmica en la atmósfera. Pequeñas partículas sólidas y líquidas pueden ser transportadas a la atmósfera a través de una variedad de procesos naturales y provocados por el hombre, incluyendo erupciones volcánicas, rocío oceánico, incendios forestales y emisiones generadas a través de actividades humanas.

f. La interconexión de los sistemas de la Tierra implica que un cambio significativo en cualquiera de los componentes del sistema climático puede influir en el equilibrio de todo el sistema de la Tierra. Los circuitos de retroalimentación positiva pueden amplificar estos efectos y desencadenar cambios abruptos en el sistema climático. Estas complejas interacciones pueden dar como resultado un cambio climático más rápido y en mayor escala que el proyectado por los modelos climáticos actuales.

El clima de la Tierra está gobernado por varios tipos diferentes de procesos.

Los procesos oceánicos, atmosféricos, biológicos y geológicos impulsan el sistema climático y dan lugar a diferencias regionales en los climas de la Tierra. Muchos procesos climáticos, como el efecto invernadero y el ciclo del carbono, son el resultado de la interacción entre las "esferas" del sistema de la Tierra (atmósfera, criosfera, geosfera, biosfera). Las reacciones entre los diversos componentes funcionan para exacerbar o mitigar los cambios en el clima.

Ciclos climáticos, retroalimentación e interacción entre causas y efectos.

Estas ideas abordan algunas de las complejidades naturales de nuestro sistema climático y crean una base para la comprensión de los componentes clave como el ciclo del carbono, el efecto invernadero y las interacciones y circuitos de retroalimentación. Estos temas son áreas activas de la investigación del clima e incluyen preguntas importantes como:

• Cómo los aerosoles juegan un papel en el cambio climático. Estas pequeñas partículas en el aire tienen un efecto de enfriamiento o de calentamiento y se originan tanto a partir de fuentes naturales, como de aquellas causadas por el hombre.
• Cómo las reacciones en el sistema climático contribuyen a los efectos del aumento del CO2 en la atmósfera.
• Por qué algunos cambios climáticos pasados han sido graduales y otros abruptos.

A un nivel más básico, los procesos cubiertos en este principio pueden observarse fácilmente, como:

• En comparación con el aire, el agua tarda más tiempo en calentarse o enfriarse.
• Una noche nublada será más cálida que una noche clara (si todos los demás factores permanecen iguales).
• El clima de una región no está determinado únicamente por su latitud, sino que también está influenciado por otros factores como la proximidad a los océanos o las cadenas montañosas.

Ayudando a los/as estudiantes a comprender estas ideas

El efecto invernadero natural es un tema donde comúnmente se dan malentendidos. Los/as educadores deben esforzarse por explicar este concepto de una manera que sea lo más simple posible, pero también sea precisa.

Los intentos de simplificar en exceso el efecto invernadero pueden ser contraproducentes y confundir aún más a los/as estudiantes. Para explicarlo a los/as estudiantes más jóvenes, el modelo mental que se puede usar para entender qué es el efecto invernadero natural, es imaginarlo como una "manta" que mantiene el calor de debajo de las sábanas, pero una diferencia clave es que una manta retiene el calor generado por un cuerpo (o la Tierra, en la analogía). En realidad, la energía térmica proviene originalmente del sol, no de la Tierra.

En niveles de escuela secundaria y, para decir verdad, a nivel de los/as estudiantes universitarios, se debe de tener una comprensión más clara sobre los mecanismos del efecto invernadero. Este concepto es esencial para comprender cómo las actividades humanas están afectando el sistema climático.

Para entender por completo el ciclo del carbono, se requiere una comprensión de los sistemas biogeoquímicos. Los/as estudiantes también deben de entender las diferentes escalas de tiempo en las que se produce el intercambio de carbono en las distintas reservas. El conocimiento del ciclo del carbono es una base importante para comprender el impacto de la quema de combustibles fósiles. Como se muestra en el famoso estudio del Universo Privado de Harvard, los/as estudiantes se esfuerzan por seguir la conexión entre la producción en masa a través de la fotosíntesis y la captura de carbono, el entierro de la biomasa y los combustibles fósiles; todos estos conceptos son parte del ciclo del carbono.

La terminología de retroalimentación positiva y negativa en un sistema a menudo puede llevar a malentendidos porque las palabras "positivo" y "negativo" tienen otros significados. Es más claro usar el término 'ciclo de autoreforzamiento' para describir la forma en la que la retroalimentación positiva puede amplificar la entrada inicial. La retroalimentación negativa puede denominarse "ciclo de auto-amortiguación".

Trayendo estas ideas a su clase

El hecho de que un proceso sea complejo no significa que deba ser complicado. La enseñanza de estos temas básicos de la ciencia del clima se puede manejar mejor con un enfoque que permita la profundidad en toda su amplitud. Si los/as estudiantes son capaces de abordar un solo tema con suficiente profundidad, pueden llegar a un entendimiento sobre los matices de la retroalimentación o la circulación en el océano profundo, por ejemplo. Por lo tanto, una buena táctica sería dedicar más tiempo para explorar un solo tema con varias facetas dentro de él. Una parte importante del conocimiento del clima es la apreciación de su complejidad científica, incluso los jóvenes aprenden a comprender que un proceso aparentemente simple y lineal puede complicarse rápidamente por otros factores.

Otra estrategia para enseñar estos principios es el enfoque de la ciencia en los sistemas terrestres. Este método enseña a los/as estudiantes sobre las "esferas" del sistema terrestre: la atmósfera, la criosfera, la geosfera y la biosfera. Un enfoque de los sistemas de la Tierra es una forma efectiva de ilustrar la interacción entre los diferentes componentes de la Tierra y cómo los procesos no se producen de forma aislada. Obtenga más información y encuentre ejemplos específicos en el proyecto InTeGrate: Enseñar a pensar en sistemas o Incorporar el pensamiento en sistemas en el aula.

Material didáctico de la colección CLEAN.

Escuela intermedia

• La Animación del Ciclo del Carbono es una manera fácil de enseñar a los/as estudiantes más jóvenes las formas en que el carbono se mueve a través de las plantas, los animales, el suelo y la atmósfera.
• Entendiendo Albedo explora las cualidades de captura de calor de ciertos gases y cómo la energía térmica transportada por las corrientes oceánicas puede influenciar a los climas locales en todo el mundo.
• Calentándolo: La química del efecto invernadero es parte de una secuencia de actividades sobre el cambio climático. Es también adecuado para la escuela secundaria.

Escuela secundaria

• Este breve vídeo sobre el efecto invernadero del científico atmosférico Scott Denning brinda una explicación sincera y entretenida de cómo los gases de efecto invernadero en la atmósfera de la Tierra calientan nuestro planeta. Este vídeo también podría ser útil como herramienta de desarrollo profesional para el equipo docente.
• Las corrientes oceánicas y la temperatura de la superficie del mar. Los/as estudiantes acceden a datos sobre la temperatura de la superficie del mar y la velocidad del viento desde un sitio de la NASA, trazan y comparan datos, sacan conclusiones y las vinculan con el tema del cambio climático global.
• Carbono en Movimiento es una actividad de laboratorio de 3 partes en la que los/as estudiantes investigan el ciclo global del carbono y así como los efectos de ciclos de retroalimentación específicos.
• Una presentación de diapositivas y un estudio de caso del New York Times muestran en un ejemplo una retroalimentación que se refuerza a sí misma a día de hoy. Mientras el permafrost se descongela, los/as científicos/as estudian los riesgos asociados.
• Los/as estudiantes pueden explorar comentarios adicionales con esta actividad rica en datos que examina el albedo y la tasa de deshielo en el Plan de Estudio del Clima Ártico: Explorando los Datos Climáticos del Ártico.

Universidad

• Comprender el ciclo del carbono: un enfoque de rompecabezas ofrece una opción interactiva en la que los/as estudiantes investigan y comunican el papel del carbono en la Tierra.
• Los/as estudiantes pueden visualizar cómo 8 diferentes gases de efecto invernadero absorben energía a través de la animación Gases Invernadero - IR Spectra.
• El presupuesto de calor de la Corriente del Golfo y el clima templado de Europa es una actividad donde los/as estudiantes determinan si la Corriente del Golfo es la responsable de mantener caliente la región norte de Europa. Consideran el futuro potencial de la Corriente del Golfo si el hielo polar continuase derritiéndose.
• Los/as estudiantes pueden construir un modelo de computadora simplificado para modelar la circulación termohalina oceánica con STELLA y examinar el impacto de variar las reservas iniciales, los cambios de temperatura y los pulsos de agua dulce. La actividad desafiará la expectativa de los/as estudiantes de que solo comportamientos complejos surgen de sistemas y modelos complejos.
• En Sedimentos y el ciclo global del carbono, los/as estudiantes aprenden sobre el papel de las rocas sedimentarias en el almacenamiento de carbono a largo plazo y su relevancia para el calentamiento global. También se introduce a los/as estudiantes el uso de isótopos de carbono para la interpretación del paleoclima.
• Explorando el vínculo entre los huracanes y el clima utilizando los resultados de GCM: los/as estudiantes examinan los resultados del modelo climático global y consideran el impacto potencial del calentamiento global en el inicio y la evolución de los ciclones tropicales.