Investigación Antártica: Modelado del Hielo y Cambio Climático

Hoy en día, el Océano Austral que rodea la Antártida es el único sistema del mundo en el que se produce mezcla entre masas de agua de todas las cuencas oceánicas. El Océano Austral también es el más biológicamente productivo de la Tierra y desempeña roles clave en los presupuestos globales de carbono y nutrientes y en el intercambio de dióxido de carbono entre la atmósfera y el océano a través de procesos de mezcla a gran escala.

La Antártida cuenta con varios sitios importantes donde el agua fría se hunde y actúa como parte de las ruedas motrices de la cinta transportadora oceánica global, lo que ayuda a moderar el clima de las altas latitudes. La capa de hielo ejerce una influencia directa sobre el Océano Austral, en parte, a través de su influencia sobre la temperatura y los fuertes vientos impulsados por la gravedad que bajan por la capa de hielo y se extienden sobre el océano costero. Estos vientos influyen en la formación del hielo marino y en la mezcla oceánica, lo que a su vez influye en los procesos de circulación atmosférica y oceánica.

Así, la variabilidad de las temperaturas antárticas y la extensión del hielo glacial y marino afecta a los sistemas climáticos en todo el mundo. Por esta razón, muchos investigadores consideran fundamental comprender cómo reaccionará la capa de hielo al calentamiento global actual y futuro, ya que algunos de los escenarios predichos por el Panel Internacional sobre el Cambio Climático indican que dentro de unos pocos siglos, las concentraciones de gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono, podrían ser más altas que cuando se formaron las capas de hielo en la Antártida hace más de 30 millones de años.

Una tarea urgente para el modelado numérico de la capa de hielo es evaluar la vulnerabilidad de las principales capas de hielo modernas frente a los cambios climáticos futuros. La investigación de ANDRILL sobre las variaciones pasadas de las capas de hielo de la Antártida Occidental y Oriental, las dos componentes de la Capa de Hielo Antártica, ayudará a validar estos modelos y también nos dirá directamente qué respuestas de la capa de hielo esperar para tipos y cantidades dados de cambio climático.

Los modelos a gran escala anteriores del paleo-hielo antártico se han centrado en la respuesta básica de la capa de hielo antártica oriental a los cambios en la precipitación nival y las adiciones o pérdidas de volumen de hielo en el Cenozoico (últimos 65 millones de años). El modelado sugiere una recesión relativamente menor de la capa de hielo terrestre oriental, con mayor vulnerabilidad probable de la capa de hielo marina occidental. El potencial de un retroceso drástico de la capa de hielo occidental no se comprende bien porque la modelización precisa requiere una combinación compleja de comprensión de diferentes regímenes de flujo que van desde el hielo flotante hasta el flujo de hielo rápido, y comprender cómo se mueve la capa de hielo sobre una capa de agua y sedimentos deformables.

Los núcleos de perforación geológica de la margen antártica proporcionan evidencia directa de la extensión pasada y la variación en el tamaño de la capa de hielo antártica y los procesos oceánicos y de hielo marino asociados. Los científicos pueden comparar los datos de estos núcleos con lo que se conoce desde otros lugares sobre los grandes eventos que afectaron al mundo durante el Cenozoico, como cambios en la circulación oceánica, tendencias de calentamiento y enfriamiento, y cambios en el nivel del mar. Así se vuelve posible evaluar la conexión entre los cambios en la Antártida y los del resto del mundo.

Los datos de ANDRILL facilitarán modelos de alta resolución de la capa de hielo y sedimentos, impulsados por modelos climáticos y de capas de hielo continentales a mayor escala, y aplicarlos a la región. Y las comparaciones detalladas con los datos de los núcleos permitirán validar los modelos y una oportunidad única para mejorar la comprensión de las interacciones entre el nivel del mar, el clima, la acumulación de sedimentos y los cambios en la capa de hielo, todo ello cubriendo una necesidad urgente de predecir mejor la vulnerabilidad de la capa de hielo occidental antártica frente al cambio climático.

ANDRILL es un programa internacional que incluye a unos 170 científicos de Estados Unidos, Nueva Zelanda, Italia y Alemania. El programa ha mejorado una técnica de perforación adoptada de esfuerzos anteriores, en la que se modificaron equipos de perforación minera para perforar hielo marino. Con una tasa de recuperación de núcleos superior al 95% en los tipos de materiales encontrados en la plataforma continental antártica, esta tecnología de perforación funciona significativamente mejor en ubicaciones antárticas que otras técnicas utilizadas por el Programa de Perforación Oceánica más lejos de la costa, en el talud continental y otras ubicaciones.

Los investigadores despliegan un vehículo operado remotamente (ROV) a través del hielo marino en el suroeste del Mar de Ross para investigar la química de las aguas frías. Imagen cortesía de Ross Powell.

La nueva plataforma de perforación de ANDRILL superó con éxito una reciente prueba de perforación en Nueva Zelanda después de ser personalizada para funcionar tanto desde el hielo marino como desde las plataformas de hielo en la Antártida. La plataforma puede bajar 2.000 metros de sarta de perforación a través de agujeros en el hielo. Para las plataformas de hielo, un sistema de perforación con agua caliente diseñado a medida primero derrite un agujero de acceso a través del hielo y luego se baja la sarta de perforación geológica a través de él. Esta tecnología permite la recogida de registros paleoclimáticos y de la capa de hielo antigua desde áreas que de otro modo serían inaccesibles.

Dos proyectos dentro de ANDRILL tienen como objetivo recuperar registros de diferentes períodos de tiempo geológicos y, por tanto, abordar preguntas científicas ligeramente diferentes.

El Proyecto de la Plataforma de Hielo McMurdo comenzará la perforación este octubre y durará aproximadamente dos meses. El Proyecto del Sondeo del Mar de McMurdo del Sur comenzará un año más tarde, y ambos proyectos están ubicados cerca de la Estación McMurdo operada por Estados Unidos y la Base Scott operada por Nueva Zelanda.

El Proyecto de la Plataforma de Hielo McMurdo investigará las respuestas pasadas de la plataforma de hielo flotante de Ross y de la capa de hielo occidental antártica fijada al fondo marino ante una gama de fuerzas climáticas en distintas escalas temporales, a medida que los ambientes han cambiado con el crecimiento o decaimiento de la capa de hielo en los últimos 5 a 10 millones de años. Para alcanzar este objetivo, ANDRILL perforará en un cuerpo de sedimentos glaciares, marinos y volcánicos del Plioceno-Pleistoceno de 1.200 metros de espesor, rico en restos de vida marina fosilizada. Los sedimentos se han acumulado en la región de Windless Bight dentro de un canal alrededor de los volcanes aún activos que forman la Isla de Ross. El canal en la corteza oceánica de la Tierra alrededor de la isla se ha formado durante los últimos millones de años a medida que los volcanes han crecido en tamaño y han ejercido localmente un peso sobre la corteza.

El proyecto recuperará un único núcleo de perforación de 1.000 metros del eje del canal en aproximadamente 900 metros de agua. Los sedimentos recuperados de este núcleo se utilizarán para determinar cuándo el sitio estaba abierto al agua, o cuándo estaba cubierto por hielo marino, la plataforma de hielo de Ross o la capa de hielo occidental antártica. Actualmente, los científicos tienen poca evidencia directa de los cambios a través del tiempo para esta parte de la capa de hielo antártica, que algunos creen que es potencialmente muy sensible a los cambios climáticos y del nivel del mar.

En contraste, el Proyecto del Sondeo del Mar de McMurdo del Sur tiene como objetivo perforar depósitos del Mioceno medio al Plioceno con algunos depósitos más jóvenes y delgados (aproximadamente desde hace 17 millones de años hasta el presente), que se acumularon en una cuenca tectónica hundida generada por fallas en el margen de la cuenca de Victoria Land en el oeste del Mar de Ross. El proyecto tiene principalmente como objetivo establecer una historia sólida del crecimiento y decaimiento de la capa de hielo antártica oriental y los cambios asociados de hielo marino durante el Neógeno, desde aproximadamente hace 17 millones de años hasta hace unos 2 millones de años.

Actualmente, los científicos tienen "ventanas de tiempo" en las que saben lo que ha sucedido con esta parte de la capa de hielo antártica, a partir de los sedimentos preservados recuperados de esfuerzos anteriores de perforación. La nueva perforación esperará llenar algunos de los vacíos críticos de tiempo cuando la historia de la capa de hielo no está bien definida o completamente desconocida. El proyecto también podría arrojar más luz sobre los debates sobre la actividad de la capa de hielo antártica oriental en el pasado. Comprender este comportamiento pasado puede ayudar a los científicos a entender cómo podría comportarse la capa de hielo antártica durante el calentamiento global actual y futuro.

Solo el comienzo.

Además de ANDRILL, que Estados Unidos considera una importante contribución al Año Polar Internacional (2007-2008), la comunidad geocientífica estadounidense reconoce que otros datos son importantes para la investigación geocientífica sobre la historia geológica de la Antártida. Varias iniciativas geocientíficas orientadas a problemas paleoclimáticos han surgido de talleres recientes de la NSF. Una de estas iniciativas, el proyecto SHALDRIL (Perforación Somera), tiene como objetivo la toma de núcleos desde barcos a lo largo de la margen continental antártica. Proporcionará acceso a registros sedimentarios que se encuentran bajo la zona de hielo marino, entre donde ANDRILL está investigando y el talud continental donde se pueden utilizar plataformas de perforación tradicionales desde barcos.

Otro proyecto aún en fase de planificación se llama FASTDRILL (Perforación Rápida de la Capa de Hielo), cuyo objetivo es desarrollar un sistema de perforación móvil capaz de perforar rápidamente matrices locales a escalas continentales de pozos profundos a través de toda la capa de hielo antártica de 3 a 4 kilómetros de espesor. Este proyecto permitirá un acceso sin precedentes a los ambientes glaciares y subglaciares que despiertan un interés multidisciplinario creciente entre geólogos, glaciólogos, biólogos y paleoclimatólogos. Este esfuerzo permitirá potencialmente el acceso a ambientes de lagos subglaciares para investigar la vida en el hielo profundo y ambientes subglaciares, así como acceso a registros paleoclimáticos que se encuentran atrapados en los sedimentos lacustres. Estos últimos serían los primeros registros paleoclimáticos profundos procedentes del interior continental de la Antártida.

Los avances recientes en teledetección, vehículos autónomos y operados remotamente (AUVs y ROVs), y nuevas técnicas analíticas geoquímicas y biogeoquímicas también están proporcionando una gran cantidad de datos nuevos y oportunidades para descubrimientos importantes. Varios nuevos programas de campo estadounidenses e internacionales que utilizan estas nuevas tecnologías están actualmente en marcha o en fase de planificación. Estas misiones de recogida de datos cubren todo el rango de ambientes antárticos, desde los interiores continentales hasta la zona de costa/hielo marino, zona del talud continental/hielo marino, y el Océano Austral más distante.

Aunque la Antártida suele olvidarse o ignorarse por parte de los legos y políticos por igual, debido a su posición como el único continente polar del mundo situado en la parte inferior del planeta, su tamaño masivo (aproximadamente 1,5 veces el de Estados Unidos, incluyendo Alaska) y sus características únicas la convierten en un actor importante en la investigación climática y geológica. El futuro de esta masa congelada de agua tiene importantes implicaciones sociales que justifican la necesidad de perforar hacia atrás en el tiempo en la Antártida, para obtener una comprensión más clara de cómo es capaz de comportarse la capa de hielo.

Un panel de expertos del Consejo Nacional de Investigación (NRC) de las Academias Nacionales de Estados Unidos está evaluando si la flota de rompehielos polares de la Guardia Costera de Estados Unidos necesita una renovación. Según el panel, al menos una de las naves necesitará ser renovada, o la Guardia Costera estadounidense tendrá que construir una nueva, en el corto plazo.