Modelo informático para inferir la distribución del permafrost submarino
El Ártico es un lugar remoto, con condiciones a menudo duras, y su clima está cambiando rápidamente: calentándose cuatro veces más rápido que el resto de la Tierra. Esto hace que el estudio del clima ártico sea un desafío y de vital importancia para comprender el cambio climático global.
Los científicos de los Laboratorios Nacionales Sandia están utilizando un cable de fibra óptica existente frente a Oliktok Point en la vertiente norte de Alaska para estudiar las condiciones del fondo marino del Ártico hasta 20 millas de la costa. Christian Stanciu, líder del proyecto, presentó sus últimos hallazgos el viernes 15 de diciembre en la reunión de otoño de la AGU en San Francisco.
Su objetivo es determinar la estructura sísmica de kilómetros de fondo marino del Ártico. Utilizando una técnica emergente, pueden detectar áreas del fondo marino donde el sonido viaja más rápido que en el resto del fondo marino, generalmente debido a que hay más hielo. Han identificado varias áreas con mucho hielo, dijo Stanciu, geofísico de Sandia.
Los científicos también utilizaron el cable para determinar las temperaturas en el tramo del fondo marino y monitorearon los cambios de temperatura a lo largo de las estaciones. Estos datos, a diferencia de cualquier otro recopilado antes, se insertaron en un modelo informático para inferir la distribución del permafrost submarino, dijo Jennifer Frederick, geocientífica computacional.
"Una de las innovaciones de este proyecto es que ahora podemos utilizar una sola fibra para obtener datos acústicos y de temperatura", afirmó Stanciu. "Desarrollamos un nuevo sistema para recopilar de forma remota ambos tipos de datos utilizando un hilo de fibra. Estamos obteniendo algunos interesantes resultados".
Imagen: Los investigadores de los Laboratorios Nacionales Sandia, Michael Baker, Rob Abbott y Christian Stanciu, se encuentran frente al helado mar de Beaufort en la vertiente norte de Alaska. Al enviar pulsos láser a través de un cable de fibra óptica debajo del fondo marino, los investigadores estudian el permafrost en el fondo marino. Crédito: Laboratorios Nacionales Sandia
Permafrost y luz que rebota
Al igual que los restos de pavo asado que se guardan en la parte trasera del congelador desde el Día de Acción de Gracias, el permafrost ártico es un banquete que espera ser descongelado. Específicamente, a medida que se descongela la materia que alguna vez estuvo viva y que estuvo congelada durante la última edad de hielo, los microbios comienzan a digerirla y producen gases residuales como metano y dióxido de carbono, dijo Frederick. Los científicos están estudiando qué tan grande es el banquete microbiano congelado en el Ártico y qué impacto podrían tener esos gases en el clima global.
Para estudiar el permafrost en el fondo marino del Ártico, los investigadores utilizaron pulsos de luz láser disparados desde un cable de fibra óptica de telecomunicaciones submarino enterrado frente a la costa de Alaska, que corre hacia el norte desde Oliktok Point. Pequeñas imperfecciones en el cable provocaron que la luz rebotara en un sistema de sensores.
Al recoger esta luz en dos longitudes de onda, o colores, y compararlas, los investigadores pudieron determinar la temperatura del cable en cada metro, dijo Frederick. Esto se llama detección de temperatura distribuida.
Al observar la luz de una longitud de onda diferente, los investigadores pudieron detectar cuándo el cable había sido tensado por una onda sonora que pasaba. Esta llamada detección acústica distribuida proporcionó información sobre la estructura del fondo marino a profundidades de una a tres millas, dijo Stanciu.
Con este método, los científicos creen haber identificado el fondo del permafrost del fondo marino a aproximadamente un cuarto de milla de profundidad. También encontraron otra área con cantidades inusualmente grandes de hielo, posiblemente consistentes con un pingo o "grano de hielo", una colina abovedada formada por hielo que empuja hacia arriba, añadió. El análisis de datos para las mediciones fue realizado principalmente por el pasante de Sandia, Brandon Herr.
"El hecho de que podamos monitorear la temperatura continuamente, ahora podemos detectar cambios de un año a otro y de una estación a otra", dijo Frederick. "Estamos buscando específicamente puntos cálidos inexplicables. Creemos que podremos ver áreas de filtraciones en el fondo marino, algo así como manantiales que emergen del suelo, excepto que en el fondo marino. Estamos interesados en ellos porque son portadores de fluidos más profundos y ricos en carbono y son un indicador del calentamiento y el cambio".
Imagen: La investigadora de los Laboratorios Nacionales Sandia, Jennifer Frederick, explora un río en la vertiente norte de Alaska. Estudiar el permafrost en el fondo marino del Ártico puede mejorar nuestra comprensión del cambio climático global. Crédito: Laboratorios Nacionales Sandia
Historia e innovaciones
Sandia lleva más de 25 años recopilando datos climáticos del norte de Alaska. El actual proyecto de investigación comenzó hace aproximadamente un año y se basa en trabajos anteriores sobre el mismo cable de fibra óptica realizados por los geofísicos de Sandia, Rob Abbott y Michael Baker. Este proyecto está financiado por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de Sandia.
Una reciente innovación del equipo de Stanciu es un sistema completamente operativo que permite la recopilación remota de datos casi en tiempo real. Esto minimiza el tiempo y el costo del viaje a Oliktok y el riesgo de perder datos cuando el sistema está desatendido, dijo Stanciu. Los datos acústicos y de temperatura no se pueden recopilar al mismo tiempo, pero ahora se pueden recopilar uno u otro de forma continua.
Un desafío que el equipo resolvió durante el primer año del proyecto fue determinar cómo calibrar los datos de temperatura del cable de fibra óptica, dijo Frederick. Normalmente, los sistemas distribuidos de detección de temperatura se construyen con sistemas de autoverificación, como fibra que se dobla sobre sí misma para lograr redundancia, o con termómetros incorporados. Sin embargo, dado que el equipo utiliza fibra oscura de telecomunicaciones, necesitaban modelos computacionales para validar los cambios de temperatura estacionales que detectaron. El análisis de datos para esto fue realizado principalmente por el pasante de Sandia, Ethan Conley.
Frederick utiliza los datos de la detección distribuida de temperatura y los resultados del modelado de detección acústica distribuida para proporcionar restricciones a un código de modelado geofísico desarrollado por Sandia. El código modela líquidos y gases que fluyen a través del suelo subterráneo. Frederick utiliza este código para modelar 100.000 años de historia geológica del tramo estudiado del fondo marino del Ártico, incluida la temperatura promedio de la edad de hielo más reciente y cuánto ha subido el nivel del mar. Los resultados del modelo son mapas de la actual distribución del permafrost submarino.
Las limitaciones del sistema interrogador que utiliza el equipo, incluida la potencia del láser y la sensibilidad de los sensores, impiden que los científicos recopilen datos a más de 18 a 25 millas de la costa, dijo Frederick. Con mejoras en el sistema, espera ampliar aún más la distancia.
"Este proyecto tiene muchas piezas diferentes", dijo Frederick. "Yo estoy mirando la temperatura y Christian está mirando la acústica para obtener un modelo del subsuelo. Realmente se necesitan todas estas piezas para decir algo sobre el panorama más amplio de la distribución actual del permafrost y si estamos viendo cambios como filtraciones y cómo eso influye en el panorama más amplio de las emisiones de gases de efecto invernadero. Poder utilizar nuevas herramientas y llevarlas al extremo para ver qué podemos aprender es realmente genial".
