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Por lo general, el clima se define como estado promedio del tiempo y por tanto, el cambio climático y el estado del tiempo se entremezclan. De acuerdo con observaciones realizadas se han experimentado cambios en el estado del tiempo, las estadísticas de las variaciones en el estado climatológico en el paso del tiempo son las que identifican los cambios climáticos. Si bien el clima y el estado del tiempo se relacionan estrechamente, existen diferencias importantes entre ambos. Una confusión común entre el clima y el estado del tiempo surge al preguntar a científicos cómo pueden predecir que será el clima dentro de 50 años, si no pueden predecir cuál será el estado del tiempo dentro de unas semanas .La naturaleza caótica del estado del tiempo hace impredecible cualquier pronóstico más allá de unos pocos días. La proyección de cambios en el clima (es decir, el estado del tiempo promedio a largo plazo) debido a cambios en la composición atmosférica u otros factores, resulta una cuestión muy diferente y mucho más manejable. Como analogía podemos decir que, si bien resulta imposible predecir a qué edad morirá un ser humano, sí podemos decir con gran confianza que la esperanza de vida promedio de las personas en los países industrializados es de alrededor de 75 años. Otra confusión muy común es pensar que un invierno frío, un lugar de enfriamiento en la tierra, constituye una prueba contra el calentamiento global. Siempre hay extremos de frío y calor, aunque su frecuencia e intensidad cambian al cambiar el clima. No obstante, cuando se promedia el estado del tiempo en espacio y tiempo, el hecho de que el mundo está sufriendo un calentamiento emerge claramente a partir de los datos.
PF 1.2, Figura 1. Vista esquemática de los componentes del sistema climático, sus procesos e interacciones.
Los meteorólogos se esfuerzan muchísimo en la observación, comprensión y predicción de la evolución diaria de los sistemas meteorológicos. Por lo general, los meteorólogos pueden predecir el estado del tiempo exitosamente con varios días de antelación, mediante la utilización de conceptos basados en la física que rigen la forma en qué la atmósfera se mueve, se calienta, se enfría, o la manera en que llueve, nieva, y se evapora el agua. Un factor importante que limita la predictibilidad del estado del tiempo más allá de unos días es la propiedad dinámica fundamental de la atmósfera. En el decenio de 1960, el meteorólogo Edward Lorenz descubrió que diferencias muy ligeras en las condiciones iniciales pueden producir pronósticos muy diferentes.
Este es el llamado efecto mariposa: una mariposa que bate sus alas (o cualquier otro fenómeno pequeño) en un lugar, puede, en principio, alterar el patrón ulterior del estado del tiempo en un lugar lejano. En el centro de este resultado se encuentra la teoría del caos, que explica cómo cambios pequeños en ciertas variables pueden causar cierta aleatoriedad en sistemas complejos.
No obstante, la teoría del caos no implica una ausencia total de orden. Por ejemplo, condiciones ligeramente diferentes y tempranas en la historia pudieran alterar el día de llegada de una tormenta o su trayectoria exacta en una región, pero las temperaturas y las precipitaciones medias (es decir, el clima) serían las mismas para esa región y período de tiempo. Dado que un problema significativo que enfrenta el pronóstico meteorológico es el conocimiento de todas las condiciones al comienzo del período de pronósticos, puede resultar de utilidad pensar el clima mientras se analizan las condiciones de fondo para el estado del tiempo. Más exactamente, puede verse el clima como un elemento que tiene relación con al estado de todo el sistema de la Tierra, incluida la atmósfera, los suelos, los océanos, la nieve, el hielo, y las organismos vivos (ver Figura 1) que sirve como condición de fono mundial que determina los patrones del estado del tiempo. Un ejemplo de ello sería un fenómeno de El Niño afectando las condiciones meteorológicas en la costa de Perú. El Niño establece los límites de evolución probable de los patrones del estado del tiempo que pueden producirse por los efectos aleatorios. Y un fenómeno de La Niña establecería límites diferentes.
Otro ejemplo puede hallarse en el contraste familiar entre verano e invierno. El transcurrir de las estaciones se debe a cambios en los patrones geográficos de la energía absorbida e irradiada por el sistema terrestre. De igual forma, las proyecciones del clima futuro cobran forma por los cambios fundamentales en la energía térmica en el sistema de la Tierra, en particular, la intensidad creciente del efecto invernadero que atrapa el calor cerca de la superficie de la Tierra, determinado por la cantidad de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero de la atmósfera. La proyección de los cambios en el clima dentro de 50 años debido a los gases de efecto invernadero es un problema muy diferente y más fácil de resolver que pronosticar los patrones del estado del tiempo para dentro de unas pocas semanas. Es decir, las variaciones a largo plazo debido a cambios en la composición de la atmósfera son mucho más predecibles que los sucesos meteorológicos específicos. Por ejemplo, si bien no se puede predecir el resultado al lanzar una moneda al aire ni predecir los números al tirar los dados, sí podemos predecir el comportamiento estadístico de una gran cantidad de estas pruebas.
Mientras muchos factores continúan influyendo en el clima, los científicos han determinado que las actividades humanas se han convertido en una fuerza dominante, responsables de gran parte del calentamiento que hemos experimentado en los últimos 50 años. Los cambios climáticos provocados por el ser humano se han producido básicamente por las variaciones en las cantidades de gases de efecto invernadero en la atmósfera, y también por los cambios en las pequeñas partículas (aerosoles), así como, por ejemplo, debido a cambios en el uso de la tierra. En la medida en que cambia el clima, se afectan las probabilidades de cierto tipo de sucesos meteorológicos. Por ejemplo, en la medida en que se ha elevado la temperatura de la Tierra, se han hecho más frecuentes e intensos algunos fenómenos meteorológicos (como las olas de calor y las lluvias intensas), mientras otros son menos frecuentes e intensos ahora (como el frío extremo).