Reportajes
Cambio climáticoXII El agua de deshielo afecta a los ecosistemas del Océano Ártico
Juan Carlos Tellechea

El deshielo del polo Norte y las zonas árticas retrasa procesos biológicos de gran importancia para la atmósfera y con consecuencias aún imprevisibles para el planeta, han detectado científicos que investigan las actividades polares y marinas en el hemisferio septentrional.
Durante los meses de verano, el hielo marino del Ártico se adentra en el océano Atlántico a través del estrecho de Fram. Alrededor del hielo a la deriva, el agua de deshielo del océano forma una capa estable sobre el agua de mar más salada, que tiene un fuerte efecto sobre los procesos biológicos y los organismos. Esto, a su vez, afecta al momento en que el carbono es captado y almacenado de la atmósfera.
El agua dulce del hielo marino retrasa cuatro meses el bombeo biológico de carbono, como ha descubierto ahora un equipo de investigación dirigido por el Instituto Alfred Wegener Centro Helmholtz de Investigación Polar y Marina (AWI) con la ayuda del Sistema de Observación Oceánica FRAM. Los resultados fueron publicados en la revista Nature Communications, de libre acceso en internet. En este comienzo de 2022 el Instituto que lleva el nombre del meteorólogo Alfred Wegener (Berlín, 1880 – Groenlandia, 1930) ha publicado también estudios sobre la Antártida del que daremos cuenta en las próximas semanas.
Consecuencias
Los océanos se encuentran entre los mayores sumideros de carbono de nuestro planeta. La bomba biológica de carbono también contribuye a ello: Justo debajo de la superficie del agua, microorganismos como las algas o el fitoplancton absorben el dióxido de carbono de la atmósfera mediante la fotosíntesis. Cuando se hunden en el lecho marino, éstos pueden almacenar el carbono que contienen durante varios miles de años. Científicos del AWI han descubierto ahora que el agua de deshielo de los témpanos retrasa estos procesos cuatro meses.
El sistema de observación oceánica FRAM pudo recoger datos de forma continua en el estrecho de Fram (entre Groenlandia y Spitsbergen) desde el verano de 2016 hasta el verano de 2018. En cada una de las dos ubicaciones, se colocaron varios amarres juntos (ruedas de ferrocarril que pesan una tonelada en total sirven de anclajes para resistir las correntadas) para medir tantos aspectos de los procesos físico-biológicos acoplados en el agua como fuera posible. Se utilizaron sensores físicos, biogeoquímicos y acústicos en toda la columna de agua y en el fondo marino, así como equipos para recoger muestras de agua y sedimentos para su posterior análisis en el laboratorio.
Dos sistemas
Por primera vez, hemos podido observar plenamente durante dos años tanto la evolución estacional de las microalgas y el fitoplancton, como el sistema físico, químico y biológico completo en el que se produce esta evolución. (Dr. Wilken-Jon von Appen, oceanógrafo, investigador del clima en el AWI y autor principal del estudio)
Durante este periodo, la exportación de hielo marino alcanzó dos extremos: en el verano de 2017, una gran cantidad de hielo salió del Ártico a través del estrecho de Fram. Esto dio lugar a una gran cantidad de agua de deshielo de baja salinidad y a una fuerte estratificación en el agua. Por el contrario, en el verano de 2018 salió poco hielo del Ártico, apenas hubo agua de deshielo y, por tanto, no hubo una estratificación pronunciada relacionada con la sal. Durante los dos extremos, los procesos de la bomba biológica de carbono funcionaron de forma tan diferente que los científicos hablan de dos sistemas diferentes: el sistema de agua de deshielo (verano de 2017) y el sistema de capa mixta (verano de 2018).
Sistema Meltwater en el verano de 2017
Las primeras floraciones de algas y fitoplancton aparecieron alrededor del 15 de mayo, cuando la atmósfera comenzó a calentar el océano. En el verano de 2017, una gran cantidad de hielo se desplazó a través del estrecho de Fram, por lo que hubo una gran cantidad de agua de deshielo.
El agua mucho menos salada se superpone al agua salada sin mezclarse, señala Wilken-Jon von Appen. En el proceso, la estratificación fue diez veces más fuerte entre 0 y 30 metros que entre 30 y 55 metros. Como resultado, apenas los nutrientes subieron desde las capas más profundas y, a la inversa, apenas el carbono pudo llegar al fondo.
El crecimiento del fitoplancton, que es el primer paso de la bomba biológica de carbono, tuvo lugar casi exclusivamente en los 30 metros superiores. No fue hasta mediados de agosto cuando la fuerte estratificación se derrumbó, momento en que la atmósfera dejó de calentar la superficie del agua. La mayor parte de la biomasa se hundió de la capa superior entre septiembre y noviembre, tenía más de tres meses y era demasiado pobre en nutrientes para atraer a las criaturas del fondo marino. En el sistema de agua de deshielo, los microorganismos fueron capaces de fijar hasta 25 gramos de carbono por metro cuadrado durante la floración.
Sistema de capas mixtas en el verano de 2018
La primavera/verano de 2018, en cambio, pintó un panorama diferente: estuvo relativamente libre de hielo, por lo que hubo menos agua de deshielo y no tanta estratificación en el agua del mar. Se formó una capa mixta hasta una profundidad de unos 50 metros. A partir del 1 de mayo se produjeron las primeras floraciones de diatomeas y, paralelamente, también aumentó el número de zooplancton y de peces, que prefieren alimentarse de ellas.
A través de sus excreciones, el carbono orgánico alcanzó profundidades de hasta 1.200 metros ya a las dos o tres semanas del inicio de la floración. Entre cuatro y siete semanas después del inicio de la floración -casi cuatro meses antes que en el verano de 2017- la biomasa llegó al fondo marino. El material que llegó al fondo marino era rico en nutrientes y atrajo cinco veces más organismos del fondo y peces que en verano con el agua de deshielo. Durante la floración, las algas secuestraron unos 50 gramos de carbono por metro cuadrado, el doble que en el sistema de agua de deshielo.
A pesar de todas estas diferencias en el sistema, la bomba biológica de carbono no fue necesariamente más productiva en el verano de 2018:
Descubrimos que en el verano de 2017, la mayor parte del carbono orgánico no llegó al fondo marino hasta después de septiembre. (Wilken-Jon von Appen)
Como en aguas meridionales
Si observamos el período comprendido entre principios de mayo y finales de noviembre, la exportación de carbono fue sólo un tercio mayor en el sistema de capa mixta que en el de agua de deshielo. (Wilken-Jon von Appen)
Más bien, la fuerte estratificación de 2017 favorece el crecimiento a largo plazo durante varios meses, ya que el carbono y los nutrientes se retienen en las capas superiores.
Por el contrario, la situación de ausencia de hielo en 2018 da lugar a una floración corta e intensa y a una rápida exportación, proporcionando alimento y carbono a los ecosistemas de aguas profundas del fondo marino. Así, este último se beneficiaría especialmente de las condiciones de verano en el sistema de capas mixtas. Esto se debe a que en el sistema de aguas de deshielo, la fuerte estratificación inhibe el suministro de nutrientes en verano y la mezcla de aguas profundas en invierno.
En el futuro, el sistema de capa mixta podría extenderse por zonas más amplias del Ártico. Las condiciones de este sistema son similares a las de latitudes más bajas y el mar Ártico podría comportarse cada vez más como los océanos de climas meridionales. (Wilken-Jon von Appen)
Acerca de FRAM
En las regiones polares, las observaciones científicas y la recogida de datos son especialmente difíciles: las temperaturas extremadamente bajas, las fuertes tormentas y la oscuridad constante en invierno dificultan el uso de las tecnologías de medición. El observatorio ártico FRAM (Frontiers in Arctic Marine Monitoring) puede hacerlo: las plataformas modulares de medición están equipadas con sensores de última generación que pueden utilizarse todo el año sobre y bajo el hielo, en la columna de agua cubierta de hielo y en el fondo marino.
Esto les permite mejorar la velocidad, la economía y la sostenibilidad de las mediciones. Según la bióloga marina y profesora Antje Boetius, directora del AWI:
FRAM es una infraestructura oceánica única utilizada por proyectos de investigación nacionales e internacionales para describir y comprender mejor los ecosistemas polares y su influencia en el sistema climático global. El cambio climático en curso también influye en el Océano Ártico. Observar estos cambios en todas sus facetas y comprender las causas y efectos hasta las profundidades del mar es uno de nuestros principales objetivos.
La infraestructura de FRAM está financiada por la Asociación Helmholtz y operada por AWI.
En este estudio, titulado La estratificación del agua de deshielo derivada del mar frena la bomba biológica de carbono: resultados de observaciones continuas, contribuyeron además los científicos y asistentes Anya M. Waite, Melanie Bergmann, Christina Bienhold, Olaf Boebel, Astrid Bracher, Boris Cisewski, Jonas Hagemann, Mario Hoppema, Morten H. Iversen, Christian Konrad, Thomas Krumpen, Normen Lochthofen, Katja Metfies, Barbara Niehoff, Eva-Maria Nöthig, Autun Purser, Ian Salter, Matthias Schaber, Daniel Scholz, Thomas Soltwedel, Sinhue Torres-Valdes, Claudia Wekerle, Frank Wenzhöfer, Matthias Wietz.
Derretimiento del hielo marino: un efecto dominó inimaginado
Hace ocho años, los investigadores del AWI empezaron a instalar un nuevo observatorio marino en el estrecho de Fram, que desde entonces documenta la física, la química y la biología del océano las 24 horas del día, tanto en verano como en invierno. El análisis de los datos del primer año reveló sorprendentes conocimientos sobre el papel del hielo marino para la vida en las zonas marinas polares. Dependiendo de dónde y con qué rapidez se derrita el hielo marino, la composición de las especies y el crecimiento del plancton en la columna de agua cambian y, por tanto, también el suministro de alimentos en las profundidades marinas.
Las condiciones del hielo en el centro del Estrecho de Fram no podían ser más opuestas. Mientras que en el verano de 2017 una cantidad extremadamente grande de hielo marino ártico, impulsado por el viento y las corrientes, migró a través del estrecho de Fram hacia el Atlántico Norte, al año siguiente hubo menos hielo que la media. Un golpe de suerte para la investigación marina, ya que exactamente en medio de la autopista del hielo marino -a 79 grados de latitud norte y 4 grados 20 minutos de longitud este- los investigadores del Instituto Alfred Wegener, Centro Helmholtz para la Investigación Polar y Marina (AWI) habían instalado en el verano de 2016 un observatorio marino completamente nuevo desde el punto de vista técnico con muchos instrumentos de medición diferentes en la columna de agua. Éste debería permitir observar por primera vez en la zona marginal del Océano Ártico cómo se desarrollan las condiciones de vida de las algas y los animales marinos cuando el hielo marino desaparece gradualmente.
El Ártico es uno de los puntos calientes del cambio climático. Llevamos décadas observando una drástica disminución de la superficie y el volumen del hielo marino; al mismo tiempo, las temperaturas del aire y del agua están aumentando. Sin embargo, hasta ahora no sabíamos exactamente cómo afectan estos cambios a la química marina, a las condiciones de luz, al contenido de nutrientes, a la estratificación de la masa de agua y, por tanto, a las condiciones básicas de vida de las algas y el zooplancton en primavera, verano, otoño e invierno, y qué papel desempeña realmente el hielo marino en el crecimiento del plancton en el océano. (Wilken-Jon von Appen)
Las razones de estas lagunas de conocimiento son múltiples:
Por un lado, nuestras expediciones en barco sólo nos han llevado hasta ahora al estrecho de Fram en verano, es decir, en una época en la que la floración primaveral de las algas a menudo ya había terminado y nuestros datos de medición apenas permitían sacar conclusiones sobre las condiciones invernales y primaverales de la columna de agua. Por otra parte, hasta la puesta en marcha de nuestro nuevo observatorio FRAM, tampoco existía una tecnología de medición adecuada para el Ártico, que hubiéramos necesitado para documentar todos los procesos importantes en todas las profundidades del agua con una alta resolución temporal. (Wilken-Jon von Appen)
Cuando el calendario de expediciones del rompehielos de investigación Polarstern lo permite, las cadenas de amarre FRAM se recuperan una vez al año y se leen todos los datos de las mediciones. Para la recuperación, la tripulación del barco envía una señal acústica hacia el fondo marino, que abre un mecanismo de bloqueo en el extremo de la cadena. A continuación, la cadena se desprende de su ancla y sube a la superficie del mar, arrastrada por los cuerpos de flotación, donde los investigadores la recogen.
Punto de inflexión: El nuevo observatorio FRAM permite realizar mediciones las 24 horas del día
La instalación del observatorio FRAM en el verano de 2016 representó, por tanto, un punto de inflexión para los biólogos marinos y oceanógrafos del AWI, ya que desde entonces los sensores de temperatura, salinidad, luz, corriente y nutrientes registran todos los parámetros importantes necesarios para entender lo que ocurre en el océano, las 24 horas del día, los 365 días del año; a través de varias capas de agua; desde el punto justo debajo de la superficie del mar hasta el fondo marino a una profundidad de unos 2500 metros.
Para esta observación a corta distancia, los distintos instrumentos de medición están sujetos a cables de plástico de tres kilómetros de longitud. Están dispuestos en un triángulo a una distancia de 2.500 metros y se sitúan verticalmente en el agua. Los cuerpos de flotación llenos de aire están unidos a su extremo superior. Mantienen las cadenas de medición en posición vertical en el agua. Mientras tanto, del extremo inferior cuelgan cuatro ruedas de ferrocarril que pesan en conjunto unos 1.000 kilogramos. Sirven de anclaje y evitan que el equipo de investigación sea arrastrado por la corriente marina. Esta precaución también explica por qué los científicos llaman a las cadenas de medición cadenas de amarre.
A diferencia de las anteriores observaciones a largo plazo del AWI en el Estrecho de Fram, las cadenas de amarre del nuevo observatorio FRAM también llegaron excepcionalmente cerca de la superficie del mar. Uno de los instrumentos de investigación más importantes, un muestreador automático de agua con sensores de luz, oxígeno, nutrientes, pH, dióxido de carbono y clorofila, estaba suspendido en apenas 30 metros de agua. Sobre la disposición del aparato explica Wilken-Jon von Appen:
Las algas, como todas las plantas, necesitan luz y nutrientes para crecer, así que, por supuesto, éramos conscientes de que los procesos más importantes, las floraciones de algas, tendrían lugar en la parte superior de la columna de agua. Sin embargo, no podemos dejar que las cadenas de los instrumentos lleguen hasta la superficie del mar porque el peligro de que se enganchen en una de las largas quillas de hielo marino y se rompan es demasiado grande. Empezar las mediciones a 30 metros de profundidad era la mejor solución de compromiso posible desde ese punto de vista.
El hielo determina la estratificación de las aguas superficiales
Este cálculo del riesgo funcionó. Durante dos años, las cadenas de fondeo del FRAM documentaron continuamente la huella física, biológica y química del mar, que fue sorprendentemente diferente en los dos años extremos de hielo marino. En el año 2017, rico en hielo, la capa de hielo marino en el estrecho de Fram se extendió tan al sur que los témpanos seguían a la deriva por encima del observatorio FRAM en primavera y verano.
Sin embargo, como el hielo se desplaza hacia zonas más cálidas en su camino hacia el sur, se derrite gradualmente y libera millones y millones de litros de agua de deshielo en el estrecho de Fram. Esta agua de deshielo casi no contiene sal marina. Por lo tanto, es más ligero que el agua de mar salada y solo se mezcla con el agua en la superficie del mar inmediata. Como resultado, se forma allí una capa superficial de agua de deshielo de unos pocos metros de grosor, pero extremadamente estable, con un contenido de sal significativamente menor que en la capa de agua inferior. Ambas capas apenas se mezclan, por lo que los oceanógrafos hablan de fuerte estratificación o estratificación de la masa de agua. Por el contrario, en el año 2018, con poco hielo, el aporte de agua de deshielo fue bajo.
La capa de hielo ya terminaba a 50 kilómetros al norte del observatorio FRAM, por lo que nuestra zona de estudio estaba libre de hielo y no podía formarse una capa estable de agua de deshielo directamente sobre las cadenas de amarre. En cambio, nuestros instrumentos de medición documentaron una capa de agua superficial mixta que alcanzó una profundidad de 50 metros. (Wilken-Jon von Appen)
Las preguntas sobre la profundidad que alcanza el agua superficial y si está bien mezclada son vitales para la vida marina. Una buena mezcla significa que hay suficientes nutrientes, como el nitrato y el fosfato, y que las algas marinas encuentran así las mejores condiciones para crecer. Además, cuanto más gruesa sea la capa superficial, mayor será la cantidad de estos nutrientes disponibles para las algas para lograr grandes floraciones.
Si, por el contrario, se forma una capa fina y estable de agua de deshielo en la superficie del mar, su contenido de nutrientes está muy limitado. Una vez agotados, los nutrientes no pueden reponerse a lo largo del verano. La fuerte estratificación de la masa de agua impide que las aguas profundas ricas en nutrientes se mezclen con las aguas superficiales desde abajo.
Subraya a su vez la Dra. Eva-Maria Nöthig, oceanógrafa, bióloga marina del AWI y experta en plancton.
En cambio, en el verano de 2018, el buffet de las profundidades se llenó de partículas nutritivas desde el principio. En la capa superficial libre de hielo y bien mezclada, que llega hasta los 50 metros de profundidad, florecieron varias especies de diatomeas a principios de año. Su crecimiento explosivo atrajo al zooplancton comedor de algas y a los peces a la columna de agua superior en pocos días. Ambos grupos consumieron una parte considerable de la floración de algas y, en consecuencia, produjeron partículas fecales que eran significativamente más pesadas que el agua y se hundieron directamente en las profundidades, sin ser recicladas de nuevo en el agua superficial. Esta diferencia con respecto al transporte de partículas del año anterior es bastante crucial, porque el material que llegó a las profundidades marinas a principios del verano de 2018 tenía menos de seis semanas y aún contenía tanta clorofila nutritiva que se asentó en el fondo marino como un velo verde claro y proporcionó un festín a los organismos que vivían allí.
Los científicos del AWI también pueden demostrar que las criaturas de las profundidades marinas se abalanzaron sobre esta montaña de comida con gran vigor. Las mediciones de oxígeno realizadas por su nuevo robot de aguas profundas muestran que la tasa de actividad en el fondo marino aumentó significativamente después de que la nieve marina rica en nutrientes descendiera. Por lo tanto, los organismos deben haber pasado un buen rato.
Zonas de deshielo: ¿Hoy en el estrecho de Fram, mañana en el Ártico central?
Falta de alimento un año, alimento casi en abundancia al siguiente - la pregunta que surge es: ¿Qué significan estas observaciones tan contradictorias en el observatorio FRAM para la vida marina en la zona marginal del Océano Ártico?
Nuestras observaciones sugieren que en las regiones marinas en las que el hielo marino se derrite rápidamente, se forma con mayor frecuencia una capa estable de agua de deshielo en la superficie del mar, en la que se produce entonces un desarrollo biológico completamente diferente al que estamos acostumbrados en la zona del borde del hielo ártico hasta ahora, y este desarrollo influye directamente en el suministro de alimentos hasta las profundidades del mar. (Eva-Maria Nöthig)
Además, con vistas al desarrollo del hielo marino en el Estrecho de Fram, cabe suponer que el fenómeno de la estratificación del agua de deshielo y la proliferación de algas espumosas podría desplazarse más hacia el Ártico en el futuro, ya que la capa de hielo es cada vez más fina y la concentración de hielo disminuye.
La disminución de la concentración de hielo significa que la capa de hielo se rompe gradualmente, creando cada vez más zonas de aguas abiertas entre los distintos témpanos. Una cubierta de hielo perforada de este tipo tiene muchas más zonas de borde de hielo que una superficie de hielo cerrada, lo que proporciona las mejores condiciones para la formación de una capa de agua de deshielo en muchos lugares. Además, el grosor del hielo marino disminuye: los témpanos finos se derriten más rápido que los gruesos, lo que aumenta el aporte local de agua de deshielo.
En el estrecho de Fram, debido a su hielo natural y a las condiciones actuales, ya estamos viendo los procesos que también podrían tener lugar en el Ártico central en el futuro como consecuencia del cambio climático. Esto es exactamente lo que hace que esta región sea una zona modelo tan valiosa para la investigación climática y oceánica y que las mediciones de nuestro observatorio FRAM sean tan increíblemente emocionantes. ( Eva-Maria Nöthig)
Ella y sus colegas se enfrentan ahora al reto de evaluar los datos de medición del FRAM de 2018 a 2021. Wilken-Jon von Appen se centrará principalmente en los datos de temperatura y salinidad.
Cuando empezamos nuestras mediciones FRAM, no sabíamos lo superficial que puede resultar la estratificación en la columna de agua superior. Por ello, en los años siguientes hemos equipado nuestras cadenas de amarre con más sensores. Incluso los cuerpos de flotación disponen ahora de sensores de temperatura, por lo que tenemos la esperanza de que pronto podamos comprender mejor los procesos de estratificación de la masa de agua directamente en la superficie del mar y el papel que desempeña el hielo marino en ello. (Wilken-Jon von Appen)
Observatorio FRAM - Un salto cuántico de posibilidades
Los científicos del Instituto Alfred Wegener llevan casi 25 años investigando a largo plazo en el estrecho de Fram para estudiar los efectos del cambio climático en la circulación oceánica y la vida animal y vegetal. Sin embargo, gracias a la fusión y ampliación de sus antiguas cadenas de fondeo y del observatorio de aguas profundas "Hausgarten" en el nuevo observatorio FRAM, las posibilidades técnicas de los investigadores se han multiplicado desde el otoño de 2014.
Financiadas por la Asociación Helmholtz, las unidades de medición estacionarias, como las cadenas de fondeo, se han equipado con nuevos y más numerosos instrumentos de medición, de modo que ahora se pueden registrar parámetros físicos, químicos y biológicos durante todo el año con una resolución espacial y temporal mucho mayor. Además, ahora también se utilizan componentes móviles como robots de alta mar, boyas de hielo y robots submarinos de navegación autónoma.
Éstos permiten realizar mediciones autónomas continuas en zonas marinas (por ejemplo, sobre el hielo, en el hielo, directamente bajo el hielo o en el fondo marino) o en momentos en los que antes era imposible. Más información sobre el observatorio FRAM en este enlace con el Instituto Alfred Wegener.
Los dos científicos
El Dr. Wilken-Jon von Appen es oceanógrafo físico del Instituto Alfred Wegener y, con el apoyo de 25 colegas, evaluó los conjuntos de datos de los dos primeros años de las boyas FRAM en el centro del Estrecho de Fram. Su análisis detallado se ha publicado ahora como estudio científico en la revista Nature Communications (2021). Su título original es "La estratificación del agua de deshielo derivada del mar frena la bomba biológica de carbono: resultados de observaciones continuas".
La Dra. Eva-Maria Nöthig es bióloga marina del Instituto Alfred Wegener y lleva casi 30 años coordinando los estudios a largo plazo del plancton en el Ártico central y el estrecho de Fram, desde 2009 con el grupo PEBCAO. Entre otras cosas, ella y su equipo pudieron demostrar que los anfípodos del Atlántico Norte también migran al estrecho de Fram con el calentamiento de la corriente de Spitsbergen occidental.
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