Los aerosoles marinos tienen una gran influencia en la formación de nubes
El cambio climático es especialmente intenso en el Ártico. Para evaluar sus consecuencias y determinar qué papel desempeña esta región en el calentamiento global, dos equipos de científicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) han visitado la zona. Uno para comprender mejor la composición del aire de la región y el otro para cuantificar los gases de efecto invernadero secuestrados en los fiordos de Groenlandia provenientes del agua glacial.
En el Ártico, una región donde las temperaturas están aumentando tres o cuatro veces más rápido que en cualquier otro lugar de la Tierra, la cantidad de "vida" en el océano Ártico está aumentando, lo que afecta la producción de aerosoles biológicos y la formación de nubes.
Julia Schmale, directora del Laboratorio de Investigación de Entornos Extremos (EERL) de la EPFL, y su grupo de investigación están trabajando para cuantificar este proceso crítico. Un aumento de las nubes en el Ártico podría calentar o enfriar la región, dependiendo de la extensión del hielo marino.
"Sabemos que las nubes árticas están formadas, en general, por gotitas de agua y cristales de hielo", afirma Schmale. "Pero aún queda mucho por aprender sobre su composición exacta y cómo se forman".
"Por ejemplo, las semillas de las gotas de agua y los cristales de hielo: ¿Son sal marina, partículas orgánicas, partículas inorgánicas o polvo mineral? Y lo más importante, ¿Qué porcentaje de estas semillas proviene de fuentes naturales y qué porcentaje de la actividad humana?"
Imagen: Bajo el hielo marino del Ártico central prospera la vida microbiana. Mario Hoppmann, Central Arctic 2018
Principio de una respuesta
Dos estudios dirigidos por el grupo de investigación de Schmale arrojaron luz sobre este complejo campo de estudio y de importancia estratégica. Se centraron específicamente en las partículas de aerosol naturales que actúan como semillas de nubes, o las semillas que permiten que se formen cristales de hielo en las nubes.
El primer estudio, publicado en Elem Sci Anth, cuantifica por primera vez la cantidad de aerosoles biológicos fluorescentes que contiene el aire del Ártico. Estos aerosoles son principalmente bacterias y partículas que contienen aminoácidos que se producen en el océano o en la tierra.
Son muy eficientes en la siembra de cristales de hielo: el hielo comienza a formarse a –9°C, mientras que con polvo mineral, por ejemplo, el hielo comienza a formarse alrededor de –20°C.
Este estudio se basa en datos recopilados a bordo de un rompehielos durante un año completo (entre 2019 y 2020) durante la expedición MOSAIC. "Utilizamos un instrumento basado en láser para tomar medidas segundo a segundo de la fluorescencia de las partículas del aire", explica Schmale.
"Las partículas que emiten fluorescencia son, por lo general, de origen biológico". Estos datos permitieron a los científicos estimar la concentración de aerosoles biológicos naturales en el aire y formular hipótesis sobre su origen.
En invierno, por ejemplo, los científicos observaron "ráfagas" de estos aerosoles, lo que resultó sorprendente dado que durante esa época el océano está congelado y no hay mucha actividad biológica. Los científicos plantearon la hipótesis de que los aerosoles habían sido transportados, por ejemplo, dentro de las nubes, desde zonas distantes.
En junio, la concentración de aerosoles biológicos comenzó a aumentar drásticamente, coincidiendo con un pico de actividad biológica medido por los altos niveles de clorofila en el agua.
También se produjo un marcado aumento de la cantidad de partículas que forman núcleos de hielo a -9°C. Si bien no se pudo demostrar una relación causal directa, esto constituye un fuerte indicio de que las partículas biológicas de origen local contribuyen a la formación de núcleos de hielo en las nubes en el Ártico central. Se observaron procesos paralelos a lo largo del año.
"Curiosamente, a medida que disminuyó la producción de clorofila en el otoño y los microbios más grandes en el agua del océano fueron reemplazados por otros más pequeños, el tamaño de los aerosoles fluorescentes también disminuyó", dice Schmale. "Esto refleja una transición estacional de los microbios marinos que también se produjo en el aire".
Imagen: La expedición MOSAIC permitió al equipo suizo del laboratorio EERL transportar equipo científico en un rompehielos utilizando un contenedor, incluido un instrumento láser que mide partículas de aire segundo a segundo. Michael Gutsche, Central Arctic 2020
Análisis con aprendizaje automático
El segundo estudio, publicado en npj Climate and Atmospheric Science, se basa en un análisis de aprendizaje automático de mediciones de aerosoles y datos meteorológicos de la última década.
Es el primero en identificar qué factores meteorológicos están detrás de la producción de ácido metanosulfónico (MSA), un importante aerosol marino creado por las floraciones de fitoplancton, y cómo es probable que esta producción cambie en los próximos 50 años. La MSA es un componente clave de los núcleos de condensación de las nubes, o las semillas de las gotitas de las nubes, y por lo tanto es relevante para el clima.
Mientras tanto, el estudio de Climate and Atmospheric Science examinó las posibles tendencias de la MSA en el Ártico. Los científicos de EERL trabajaron con el Centro Suizo de Ciencia de Datos para combinar las observaciones de campo con análisis de datos meteorológicos y trayectorias de retorno de las masas de aire.
Desarrollaron un modelo basado en datos para obtener una mayor comprensión de los factores responsables de la producción de MSA en la actualidad. Por ejemplo, los científicos descubrieron que la radiación solar, la cobertura de nubes y el contenido de agua en las nubes son factores críticos que apuntan a procesos químicos atmosféricos específicos.
El equipo de investigación calculó luego las tendencias de estos factores a lo largo de las últimas décadas y las extrapoló para delinear escenarios para la estacionalidad del MSA en el Ártico en el futuro.
"Nuestro hallazgo clave es que probablemente habrá menos MSA en la primavera y mucho más en el otoño", dice Schmale. "Eso se debe a los cambios estacionales en las precipitaciones en la primavera y a un marcado retroceso del hielo marino en el otoño". Esto sugiere que el cambio climático afecta a los aerosoles que influyen en la formación de nubes, lo que a su vez afecta al cambio climático.
Imagen: Representación gráfica de la futura estación polar de Tara, en construcción en Cherburgo. Fundación Tara Ocean
Haciendo las preguntas correctas
Los científicos ya están planeando otra expedición internacional al Ártico y están preparando un buque de investigación, la Estación Polar Tara, para recopilar datos del Ártico central durante los próximos 20 años.
"Los avances logrados por estos dos estudios son fascinantes en mi opinión porque muestran cuán importantes son las fuentes naturales de partículas de aerosol para el sistema climático del Ártico y sugieren que estas fuentes cambiarán drásticamente en las próximas décadas", dice Schmale.
"Estos resultados iniciales nos indican que se necesita urgentemente más investigación para predecir cómo será el Ártico en 2050. Nos ayudarán a plantear las preguntas adecuadas para futuros estudios en este campo".
Los gases almacenados en los fiordos de Groenlandia podrían contribuir al calentamiento global
En junio de 2024, otro equipo de científicos de la EPFL recorrió dos fiordos de Groenlandia maravillosamente salvajes. En las profundidades de estas ensenadas alimentadas por glaciares centenarios, cartografiaron la cantidad de dos gases de efecto invernadero disueltos en el agua en profundidad.
Quieren determinar si estos gases de efecto invernadero podrían potencialmente amplificar el calentamiento global a través de algún desconocido mecanismo de retroalimentación natural. Este proyecto forma parte de la expedición internacional GreenFjord, prevista para entre 2022 y 2026, financiada por el Instituto Polar Suizo y dirigida científicamente por Julia Schmale.
"Aportamos nuestra experiencia tecnológica a Groenlandia, diseñando los instrumentos adecuados para analizar los gases de efecto invernadero disueltos en entornos acuáticos y documentar su variabilidad espacial. "Nuestro objetivo es responder a preguntas fundamentales sobre el papel de Groenlandia en el futuro del cambio climático global", afirma Jérôme Chappellaz, que dirige el Laboratorio de Detección Ambiental Inteligente en Entornos Extremos (SENSE) de la EPFL.
En pasados períodos interglaciares, cuando Groenlandia estaba parcialmente derretida, es posible que las regiones derretidas estuvieran cubiertas de tundra y bosques boreales, que se sabe que dan lugar a un suelo rico en material orgánico. A medida que se descomponen estos suelos ricos en materia orgánica, emiten dióxido de carbono y metano, lo que constituye una de las razones por las que los científicos están tan interesados en la contribución de Groenlandia a las emisiones globales.
Ten en cuenta que los glaciares de Groenlandia son diferentes a los de Suiza.
"Es muy poco probable que nos encontremos con el mismo fenómeno en los glaciares suizos, ya que se formaron a gran altitud, donde la vegetación es casi inexistente", explica Chappellaz.
Imagen: Junio de 2024: Expedición a Groenlandia – 2024 SENSE/EPFL - CC-BY-SA 4.0
Impactos en la microbiología
Los fiordos son entradas de mar largas, estrechas y profundas entre altos acantilados, típicamente formadas por la inmersión de un valle glaciar.
Chappellaz y su equipo se benefician de un proyecto interdisciplinario llamado GreenFjord, coordinado por Julia Schmale, quien dirige el Laboratorio de Investigación de Ambientes Extremos (EERL) de la EPFL. Han diseñado instrumentos avanzados específicamente para medir el metano disuelto (CH4) y el óxido nitroso (N2O) a distintas profundidades de agua en los dos fiordos del suroeste de Groenlandia, hasta 700 m de profundidad.
El fiordo alimentado por un glaciar que termina en el mar consiste de hecho en un continuo de fiordos, Ikersuaq, Brederfjord y Sermilik, donde el agua del glaciar llega al fiordo desde debajo del glaciar flotante y luego al mar de Labrador, formando progresivamente una capa de agua glacial que flota sobre el agua del mar.
Por el contrario, el fiordo Tunulliarfik, habitado por el asentamiento que Igaliku fundó en 1783, tiene su origen en un glaciar que desemboca en la tierra y donde el agua de deshielo glacial invade la superficie de las aguas del fiordo desde el inicio del propio fiordo.
"Las distintivas características de ambos entornos generan grandes diferencias en la estructura física de la columna de agua así como en el aporte de nutrientes, lo que afecta la microbiología de los dos fiordos y luego el destino de estos dos gases de efecto invernadero. Esto es lo que queremos comparar y cuantificar. En una situación de desintegración del manto glaciar de Groenlandia, queda abierta la cuestión de si dichos mecanismos podrían añadir otra fuente inesperada de emisiones de gases de efecto invernadero además de las de origen humano", explica Chappellaz.
Imagen: Jérôme Chappellaz, jefe del Laboratorio SENSE de EPFL (SENSE) - 2024 SENSE / EPFL - CC-BY-SA 4.0
¿Una fuente inesperada de gases de efecto invernadero?
Chappellaz y su equipo visitaron tanto los fiordos que terminan en el mar como los que terminan en tierra a bordo del buque oceanográfico Sanna. A bordo del velero suizo Forel, se centraron en el que termina en el mar. Los científicos pudieron acercarse lo suficiente al frente del glaciar en el fiordo glaciar que termina en el mar, para medir y, con suerte, caracterizar, cuánta cantidad de metano llega al fiordo a través del sistema de agua subglacial.
En una publicación de 1995, Chappellaz muestra que la producción de gases de efecto invernadero en el suelo de Groenlandia es fuerte y que grandes concentraciones de dióxido de carbono (CO2) y metano están actualmente atrapadas en el hielo basal, ubicado en el corazón de la capa de hielo de Groenlandia.
"La pregunta natural es, entonces, ¿Cuánto de estos gases de efecto invernadero se liberan cuando se derrite el agua de los glaciares? ¿Cuánto llega a la costa y posiblemente contribuye a generar flujos significativos que se liberan a la atmósfera? En una situación de desintegración del manto glaciar de Groenlandia, queda abierta la cuestión de si tales mecanismos podrían añadir otra fuente inesperada de emisiones de gases de efecto invernadero además de las de origen humano", dice Chappellaz.
El cambio climático futuro tendrá dos contribuciones principales: las emisiones debidas a la actividad humana y las amplificaciones de fuentes naturales en un mundo más cálido. En otras palabras, ¿Cuánto añadirán las sociedades humanas en términos de emisiones de gases de efecto invernadero y a qué ritmo?, y cuánta amplificación surgiría en un mundo más cálido a partir de la retroalimentación natural.
"Nuestro trabajo en Groenlandia explora posibles mecanismos de retroalimentación natural, brindándonos una urgente visión de cuestiones científicas fundamentales sobre el futuro de nuestro clima en un contexto donde aún hay muchas incertidumbres y procesos desconocidos", dice Chappellaz.
Referencias:
• Characteristics and sources of fluorescent aerosols in the central Arctic Ocean
• Pan-Arctic methanesulfonic acid aerosol: source regions, atmospheric drivers, and future projections
