Brewer-Dobson Circulation variability and its impact on ozone at different time scales

• Autores: Samuel Benito Barca
• Directores de la Tesis: Natalia Calvo Fernández (dir. tes.), Marta Ábalos Álvarez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2025
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 238
• Títulos paralelos:
  • Variabilidad de la Circulación de Brewer-Dobson y su impacto en el ozono a distintas escalas temporales
• Tribunal Calificador de la Tesis: Ricardo Francisco García Herrera (presid.), Blanca Ayarzagüena Porras (secret.), Froila María Palmeiro Núñez (voc.), Cristina Peña Ortiz (voc.), Luis Gimeno Presa (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad Complutense de Madrid
• Menciones:
  • Internacional
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Materias:
  • Física
    • Termodinámica
      • Otras especialidades de termodinámica
  • Ciencias de la tierra y del espacio
    • Ciencias de la atmósfera
      • Otras especialidades de ciencias de la atmósfera
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    La circulación de Brewer-Dobson (BDC) describe el transporte neto de masa, calor y trazadores en la estratosfera. La componente advectiva, llamada circulación residual, tiene una rama somera en la baja estratosfera con descensos en los subtrópicos, y una rama profunda en la alta estratosfera con descensos en latitudes altas. Está forzada por la ruptura de ondas de Rossby y de gravedad, aunque su contribución relativa es incierta. La rama somera se ha acelerado en las últimas décadas y seguirá haciéndolo en el futuro. Sin embargo, las tendencias de la rama profunda presentan más incertidumbres.

    La BDC redistribuye el ozono en la estratosfera, que es fundamental en el balance radiativo y nos protege de la radiación ultravioleta del sol. La emisión de sustancias destructoras de ozono (ODS) redujeron drásticamente el ozono en la segunda mitad del siglo XX, llevando a la adopción del Protocolo de Montreal en 1987 para controlar la emisión de ODS. Gracias a ello, el ozono polar se está recuperándose. Sin embargo, en la baja estratosfera en trópicos y latitudes medias sigue disminuyendo y los modelos no pueden reproducir estas tendencias en latitudes medias, desconociéndose la razón. En el futuro, los modelos proyectan una superrecuperación del ozono ártico, aunque con gran dispersión en su velocidad y magnitud. Las incertidumbres en las tendencias de la rama profunda y el vórtice polar pueden ser relevantes.

    Por otro lado, El Niño-Oscilación del Sur (ENSO) afecta a las concentraciones de ozono estratosférico. Sin embargo, el impacto en ozono de los distintos tipos de Niño (Pacífico Oriental, EP, y Central, CP) no se ha explorado, aunque estudios previos mostraron que su respuesta en la estratosfera es diferente. Además, los mecanismos generadores de las anomalías de ozono solo se han explorado parcialmente.

    Por todo ello, el objetivo general de la Tesis es analizar la BDC y su impacto en el ozono estratosférico a diferentes escalas temporales, incluyendo su variabilidad interanual y tendencias pasadas y futuras.

    Primero, se evalúan las incertidumbres de la circulación residual. Los modelos muestran aceleración de la circulación residual desde 1975 hasta la actualidad, mayor durante el periodo de destrucción de la capa de ozono, así como ante un aumento constante de CO2. Los resultados revelan mayor influencia de la variabilidad interna en las tendencias de la rama profunda que en la somera y relacionan las incertidumbres en las tendencias de la rama profunda con las ondas de gravedad parametrizadas.

    En segundo lugar, se destaca la importancia de analizar por separado el impacto en el ozono de los episodios de El Niño EP y CP. Los eventos EP generan reducción del ozono en trópicos y aumento en extratrópicos, mientras que los eventos CP solo tienen impacto significativo en trópicos. En extratrópicos, los cambios en el ozono resultan de cambios en la advección por la circulación residual y en la mezcla horizontal, pero en eventos CP no hay impacto significativo en la advección de la rama profunda.

    Después se investiga el papel de la variabilidad natural y los procesos de transporte en las tendencias recientes de ozono en la baja estratosfera. Se demuestra que las tendencias recientes (1998-2018) en simulaciones con temperaturas de la superficie del mar observadas son consistentes con las tendencias negativas observadas. Además, las diferencias en la variabilidad interna del transporte de ozono, así como en las tendencias en la circulación residual y la mezcla, influyen en la dispersión entre simulaciones.

    Finalmente, el estudio de la influencia de la dinámica en las incertidumbres en la recuperación de ozono ártico revela que una fracción importante de la dispersión entre modelos en el futuro puede atribuirse a incertidumbres en las tendencias del vórtice polar y la rama profunda. Además, tanto los ODS como los gases de efecto invernadero contribuyen de forma comparable a la dispersión en la recuperación del ozono ártico.

  • English

    The Brewer–Dobson circulation (BDC) describes the net transport of mass, heat and tracers in the stratosphere (Butchart, 2014). The advective component is the residual circulation, with upwelling in the tropics and downwelling out of the tropics. It is divided into a shallow branch in the lower stratosphere, with downwelling in the subtropics, and a deep branch in the middle and upper stratosphere with downwelling at high latitudes (Birner and B¨onisch, 2011). It is forced by wave dissipation, although the relative contribution of Rossby and gravity waves is uncertain. The shallow branch has accelerated in recent decades and will continue to do so in the future (Hardiman et al.,2014; Palmeiro et al., 2014). However, past and future trends in the deep branch present many uncertainties...