Los datos robóticos ayudan a explicar los agujeros misteriosos

Polynya del mar de Weddell, inicialmente 3,700 millas cuadradas, 2017. La imagen satelital de la NASA en color falso muestra hielo en azul, nubes en blanco. (Foto: Instituto Scripps de Oceanografía)

El hielo de invierno en la superficie del mar de Weddell de la Antártida ocasionalmente desarrolla un enorme agujero. En 2016 y 2017, uno de esos hoyos atrajo una intensa curiosidad de los científicos y los medios de comunicación.

Aunque se habían formado brechas más grandes décadas antes, esta era la primera vez que los oceanógrafos tenían la oportunidad de monitorear verdaderamente la brecha inesperada en el hielo marino de invierno en la Antártida. Fue una oportunidad que surgió como resultado de la extraña sincronización y el conocimiento experimentado del mar por parte de un oceanógrafo.

Un nuevo estudio realizado en colaboración con investigadores del Instituto Scripps de Oceanografía de la Universidad de California en San Diego combina imágenes satelitales de la cubierta de hielo marino y datos recopilados por drifters robóticos e incluso sellos equipados con sensores para comprender mejor el fenómeno. La investigación liderada por la Universidad de Washington (UW) explora por qué este agujero aparece solo algunos años y qué papel podría desempeñar en la mayor circulación oceánica.

El estudio, publicado el 10 de junio en la revista Nature , toca una región considerada crucial para el clima por los oceanógrafos. Se cree que el Océano Austral desempeña un papel clave en las corrientes oceánicas mundiales y en los ciclos del carbono, pero su comportamiento es poco conocido. Alberga algunas de las tormentas más feroces del planeta, con vientos azotando ininterrumpidamente alrededor de la Antártida en la oscuridad de 24 horas del invierno polar. El estudio sugiere que los fenómenos que provocan los vientos pueden tener implicaciones para el clima en todo el mundo.

"Pensamos que este gran agujero en el hielo marino, conocido como polinia, era algo raro, tal vez un proceso que se había extinguido. Pero los eventos en 2016 y 2017 nos obligaron a reevaluar eso", dijo el autor principal, Ethan Campbell. Un estudiante de doctorado de la UW en oceanografía. "Las observaciones muestran que las polinias recientes se abrieron a partir de una combinación de factores: uno de ellos es la inusual situación del océano y el otro una serie de tormentas muy intensas que se arremolinaron sobre el mar de Weddell con vientos casi huracanados".

Una "polinia", una palabra rusa que significa aproximadamente "agujero en el hielo", puede formarse cerca de la costa cuando el viento empuja el hielo. Pero también puede aparecer lejos de la costa y permanecer allí durante semanas o meses, donde actúa como un oasis para que los pingüinos, las ballenas y las focas emergan y respiren.

Este lugar en particular lejos de la costa antártica a menudo tiene pequeñas aberturas y ha visto polinias grandes antes. Las mayores polinias conocidas en ese lugar fueron en 1974, 1975 y 1976, justo después del lanzamiento de los primeros satélites, cuando un área del tamaño de Nueva Zelanda se mantuvo libre de hielo durante tres inviernos antárticos consecutivos a pesar de las temperaturas del aire muy por debajo del punto de congelación.

El nuevo estudio utilizó observaciones del proyecto de Modelización y observaciones de carbono y clima en el Océano Austral, o SOCCOM, que ha estado implementando instrumentos desde 2014 que están a la deriva de las corrientes para monitorear las condiciones antárticas. La clave del éxito del proyecto fue la selección de sitios en el Mar de Weddell donde se implementaron los instrumentos. A finales de 2014, la oceanógrafa de Scripps Lynne Talley, una de las principales científicas de SOCCOM, eligió la ubicación en parte debido a una característica distinta: una montaña submarina conocida como Maud Rise. El equipo de investigación lanzó versiones modificadas de flotadores construidos originalmente para Argo, una red de casi 4,000 robots que recopilan datos fundamentales a profundidades de 2,000 metros (6,500 pies) en todo el mundo. Estas unidades especializadas, conocidas como flotadores biogeoquímicos Argo, tienen instrumentos adicionales que permiten mediciones relacionadas con la actividad biológica.

Una coautora del estudio, Talley, dijo que se enfocó en el área de Maud Rise porque sabía que estaba asociada con fenómenos climáticos interesantes. Ella sabía que había una buena posibilidad de que la física del océano alrededor de la montaña pudiera arrastrar los flotadores alrededor de la montaña, lo que podría llevar a una gran cantidad de datos.

"Pero no teníamos ni idea de que el evento más grande desde mediados de la década de 1970 se produciría justo cuando instalamos esas carrozas", agregó.

Por casualidad, la formación de la polinia gigante se produjo en 2016 cuando las carrozas todavía estaban presentes en la región para capturar el evento. Una imagen de satélite de la NASA en agosto de ese año reveló una brecha de 33,000 kilómetros cuadrados (13,000 millas cuadradas) que apareció durante tres semanas. Una brecha aún mayor que creció a 50,000 kilómetros cuadrados (19,000 millas cuadradas) apareció en septiembre y octubre de 2017.

"Reconociendo la importancia de la región de Maud Rise para el clima, Lynne se aseguró de que los flotadores Argo estuvieran presentes en el área como parte del proyecto SOCCOM", dijo el investigador de Scripps Matt Mazloff, coautor del documento. "Los datos de flotación permitieron un estudio exhaustivo de las causas e impactos de esta apertura de la cubierta de hielo, así como una nueva comprensión de los eventos históricos".

El estudio utilizó otros datos de Argo, así como datos recopilados por elefantes marinos equipados con etiquetas que lo envían de regreso a la costa, estaciones meteorológicas, reanálisis atmosférico y décadas de imágenes de satélite.

"Este estudio muestra que esta polinia es en realidad causada por una serie de factores que todos tienen que alinearse para que ocurra", dijo el coautor Stephen Riser, profesor de oceanografía de la Universidad de Washington. "En un año cualquiera, puedes hacer que ocurran varias de estas cosas, pero a menos que las obtengas todas, entonces no obtienes una polinia".

El estudio muestra que cuando los vientos que rodean la Antártida se acercan a la costa, promueven una mezcla más fuerte de las aguas en el Mar del este de Weddell. En esa región, Maud Rise fuerza el denso agua de mar a su alrededor y deja un vórtice giratorio arriba. Dos instrumentos SOCCOM quedaron atrapados en el vórtice sobre Maud Rise y registraron años de observaciones allí.

El análisis muestra que cuando la superficie del océano es especialmente salada, como se observó a lo largo de 2016, las fuertes tormentas de invierno pueden desencadenar una circulación en la que las aguas más cálidas y saladas de las profundidades se baten hacia la superficie. Allí el aire lo enfría y lo hace más denso que el agua de abajo. A medida que el agua se hunde, el agua profunda relativamente más cálida de aproximadamente 1 ℃ (34 ℉) la reemplaza en la superficie, creando un circuito de retroalimentación donde el hielo no puede volver a formarse.

"La mezcla que Ethan encontró en Maud Rise también mezcla nutrientes y contribuyó a una floración de clorofila temprana y grande que se midió mediante las flotaciones biogeoquímicas de SOCCOM", dijo Talley, "por lo que tenemos mucho más que descubrir y entender sobre este evento".

Debido al cambio climático, se espera que el agua dulce de los glaciares que se derriten y otras fuentes hagan que la capa superficial del Océano Austral sea menos densa, lo que podría significar menos polinias en el futuro. Pero el nuevo estudio cuestiona ese supuesto. Muchos modelos muestran que los vientos que rodean la Antártida se harán más fuertes y se acercarán más a la costa. El nuevo artículo sugiere que esto animaría a que se formen más polineas, no menos.

Estas son las primeras observaciones que prueban que incluso una polinia más pequeña, como la de 2016, mueve el agua desde la superficie hasta el océano profundo.

"Esencialmente, es un cambio de todo el océano, en lugar de una inyección de agua superficial en un viaje de ida desde la superficie a la profundidad", dijo el coautor Earle Wilson, quien recientemente completó su doctorado en oceanografía en la Universidad de Washington.

Una de las formas en que una polinia superficial influye en el clima es a través de aguas profundas conocidas como Agua Antártica de Fondo. El lugar y la forma en que se crean las aguas profundas afecta sus características, lo que tendría un efecto dominó en otras corrientes oceánicas importantes.

"En este momento, la gente cree que la mayor parte del agua del fondo se está formando en la plataforma antártica, pero estas grandes polineas marinas podrían haber sido más comunes en el pasado", dijo Riser. "Necesitamos mejorar nuestros modelos para poder estudiar este proceso, que podría tener implicaciones climáticas a mayor escala".

Las polinias grandes y duraderas también pueden afectar a la atmósfera, porque las aguas profundas contienen carbono de formas de vida que se han hundido durante siglos y se han disuelto en su camino hacia abajo. Una vez que esta agua llegue a la superficie, ese carbono podría ser liberado.

"Esta profunda reserva de carbono ha estado encerrada durante cientos de años, y en una polinia puede ser ventilada en la superficie a través de esta mezcla realmente violenta", dijo Campbell. "Un gran evento de desgasificación de carbono realmente podría afectar al sistema climático si ocurriera varios años seguidos".

“Esta polinia fue un evento significativo con importantes implicaciones con respecto a nuestro clima cambiante. "Fue gracias a la sensatez de Lynne para desplegar flotadores sobre el aumento de Maud que estaba tan bien documentado", dijo Mazloff. "Además de este estudio, están comenzando a surgir otros análisis, lo cual es un testimonio tanto de la importancia del evento como de la cantidad de información que hemos recopilado gracias a SOCCOM".

Otros coautores del artículo son Kent Moore, de la Universidad de Toronto, quien fue el Catedrático de Canadá Fulbright 2016-17 en Estudios Árticos en la Universidad de Washington; y Casey Brayton, de la Universidad de Carolina del Sur, quien inició su trabajo en el proyecto como parte del programa Summer Undergraduate Research Fellowship (SURF) en Scripps.

SOCCOM es financiado por la Fundación Nacional de Ciencia. Campbell recibió el apoyo del Departamento de Defensa a través del programa de becas para graduados de ciencia e ingeniería de la Defensa Nacional. Los fondos adicionales provienen de la NSF, la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, UW y Scripps Oceanography.

- Adaptado de la Universidad de Washington.