El hielo marino polar está en constante cambio. Se contrae, se expande, se mueve, se rompe, se reforma en respuesta a los cambios de estaciones y al rápido cambio climático. Está lejos de ser una capa homogénea de agua congelada en la superficie del océano, sino más bien una mezcla dinámica de agua y hielo, así como diminutas bolsas de aire y salmuera encerradas en el hielo.
Una nueva investigación dirigida por matemáticos y científicos del clima de la Universidad de Utah está generando nuevos modelos para comprender dos procesos críticos en el sistema de hielo marino que tienen profundas influencias en el clima global: el flujo de calor a través del hielo marino, que une térmicamente el océano y la atmósfera, y la dinámica de la zona de hielo marginal, o MIZ, una región serpenteante de la capa de hielo marino del Ártico que separa el denso hielo del océano abierto.
En las últimas cuatro décadas desde que las imágenes satelitales estuvieron ampliamente disponibles, el ancho de la MIZ ha crecido en un 40% y su borde norte ha migrado 1.600 kilómetros hacia el norte, según Court Strong, profesor de ciencias atmosféricas.
«También se ha desplazado hacia el polo mientras que el tamaño de la capa de hielo marino ha disminuido», dijo Strong, coautor de uno de los dos estudios publicados por científicos de la Universidad en las últimas semanas. «La mayoría de estos cambios ocurrieron en el otoño, aproximadamente cuando el hielo marino alcanza su mínimo estacional».
Una historia de dos estudios, uno al norte y otro al sur.
Este estudio, que adapta un modelo de transición de fase normalmente utilizado para aleaciones y soluciones binarias a escalas de laboratorio a la dinámica MIZ a escala del Océano Ártico, aparece en Informes Científicos. Un segundo estudio, publicado en el Actas de la Royal Society A y basándose en investigaciones de campo en la Antártida, desarrolló un modelo para comprender la conductividad térmica del hielo marino. La portada del número presentaba una fotografía que exponía canales de salmuera regularmente espaciados en los pocos centímetros inferiores del hielo marino de la Antártida.
El hielo que cubre ambas regiones polares ha retrocedido drásticamente en las últimas décadas gracias al calentamiento global provocado por el hombre. Su desaparición también está generando un circuito de retroalimentación en el que una mayor parte de la energía solar es absorbida por el océano abierto, en lugar de ser reflejada de regreso al espacio por la capa de hielo.
Los profesores de matemáticas de Utah Elena Cherkaev y Ken Golden, un destacado investigador del hielo marino, son los autores de ambos estudios. El estudio del Ártico dirigido por Strong examina las macroestructuras del hielo marino, mientras que el estudio de la Antártida, dirigido por la ex investigadora postdoctoral de Utah Noa Kraitzman, profundiza en sus aspectos a microescala.
El hielo marino no es sólido, sino más bien una esponja con pequeños agujeros llenos de agua salada o inclusiones de salmuera. Cuando el agua del océano interactúa con este hielo, puede establecer un flujo que permite que el calor se mueva más rápidamente a través del hielo, tal como cuando revuelves una taza de café, según Golden. Los investigadores del estudio antártico utilizaron herramientas matemáticas avanzadas para determinar en qué medida este flujo impulsa el movimiento del calor.
El estudio de conductividad térmica también encontró que el hielo nuevo, a diferencia del hielo que permanece congelado año tras año, permite un mayor flujo de agua, lo que permite una mayor transferencia de calor. Los modelos climáticos actuales podrían estar subestimando la cantidad de calor que se mueve a través del hielo marino porque no tienen en cuenta completamente este flujo de agua. Al mejorar estos modelos, los científicos pueden predecir mejor qué tan rápido se derrite el hielo marino y cómo esto afecta el clima global.
Si bien los aspectos del hielo investigados en los dos estudios son bastante diferentes, los principios matemáticos para modelarlos son los mismos, según Golden.
«El hielo no es un continuo. Es un montón de témpanos. Es un material compuesto, como el hielo marino con pequeñas inclusiones de salmuera, pero esto es agua con inclusiones de hielo», dijo Golden, describiendo la zona marginal de hielo del Ártico. «Es básicamente la misma física y matemáticas en un contexto y entorno diferente, para descubrir cuáles son las propiedades térmicas efectivas a gran escala dada la geometría y la información sobre los témpanos, lo cual es análogo a dar información detallada sobre las inclusiones de salmuera en el escala submilimétrica.»
A Golden le gusta decir que lo que sucede en el Ártico no se queda en el Ártico. Los cambios en la ZIM ciertamente se están produciendo en otras partes del mundo en forma de patrones climáticos alterados, por lo que es fundamental comprender lo que está haciendo. La zona se define como aquella parte de la superficie del océano donde entre el 15% y el 80% está cubierta por hielo marino. Cuando la capa de hielo es superior al 80%, se considera hielo y menos del 15% se considera la franja exterior del océano abierto.
Una imagen inquietante desde el espacio
«La MIZ es la región alrededor del borde del hielo marino, donde el hielo se rompe en trozos más pequeños por las olas y se derrite», dijo Strong. «Los cambios en la MIZ son importantes porque afectan la forma en que el calor fluye entre el océano y la atmósfera, y el comportamiento de la vida en el Ártico, desde los microorganismos hasta los osos polares y la navegación humana».
Con la llegada de datos satelitales de calidad a finales de la década de 1970, el interés científico en la MIZ ha crecido, ya que ahora sus cambios se documentan fácilmente. Strong estuvo entre los que descubrieron cómo utilizar imágenes tomadas desde el espacio para medir la MIZ y documentar cambios alarmantes.
«Durante las últimas décadas, hemos visto la MIZ ampliarse en un dramático 40%», dijo Strong.
Durante años, los científicos han examinado el hielo marino como una llamada «capa blanda». A medida que una aleación de metal se funde o solidifica a partir de un líquido, de cualquier manera pasa a través de un estado poroso o blando donde coexisten las fases líquida y sólida. El agua salada congelada es similar, lo que da como resultado una masa de hielo puro con bolsas de salmuera líquida, que es particularmente porosa o blanda en los pocos centímetros del fondo más cercanos al océano más cálido, con canales verticales llamados «chimeneas» en el lenguaje de capas blandas.
El equipo de Strong probó si la física de capas blandas previamente modelada podría aplicarse a las vastas extensiones de la MIZ. Según el estudio, la respuesta es sí, lo que podría abrir una nueva mirada a una parte del Ártico que está en constante cambio.
En resumen, el estudio propuso una nueva forma de pensar sobre la MIZ, como una región de transición de fase a gran escala, similar a cómo el hielo se derrite en agua. Tradicionalmente, el derretimiento se ha considerado algo que ocurre a pequeña escala, como en los bordes de los témpanos de hielo. Pero cuando se mira el Ártico en su totalidad, la ZIM puede verse como una amplia zona de transición entre hielo sólido y denso y aguas abiertas. Esta idea ayuda a explicar por qué la ZIM no es sólo un límite definido, sino más bien una región «blanda» donde coexisten hielo y agua.
«En la ciencia del clima, a menudo utilizamos modelos muy complejos. Esto puede conducir a predicciones hábiles, pero también puede dificultar la comprensión de lo que sucede físicamente en el sistema», dijo Strong. «El objetivo aquí era crear el modelo más simple posible que pueda capturar los cambios que estamos viendo en la MIZ y luego estudiar ese modelo para obtener información sobre cómo funciona el sistema y por qué está cambiando».
El objetivo de este estudio fue comprender el ciclo estacional de la MIZ. El siguiente paso será aplicar este modelo para comprender mejor qué impulsa las tendencias de MIZ observadas en las últimas décadas.
