Hace entre 800.000 y 430.000 años, la Tierra experimentó una serie de eventos de calentamiento bastante leves que los científicos ahora llaman “interglaciares cálidos”. El aire sobre la Antártida era frío durante estos interglaciares y los niveles de dióxido de carbono eran entre 30 y 40 partes por millón más bajos que en interglaciares posteriores.
Por qué estos calentamientos anteriores fueron tan moderados ha desconcertado a los científicos del clima durante décadas. Y ahora, nuevos estudios señalan que el Océano Austral es la clave para desbloquear el antiguo ritmo climático de la Tierra.
Una ventana a aguas ancestrales
El equipo de investigación internacional, dirigido por el Dr. Huang Huang, quien recibió su Ph.D. en el Centro GEOMAR Helmholtz de Investigación Oceánica en Alemania y ahora es investigador asistente en el Laboratorio Laoshan en Qingdao, China, utilizó una nueva técnica para mirar hacia el pasado.
Distribuciones del sur de niveles de oxígeno (sombras de color) superpuestas por contornos de densidad neutra (γn) (curvas blancas). (CRÉDITO: Comunicaciones de la naturaleza)
Los científicos estudiaron una corteza de ferromanganeso recolectada del monte submarino Haxby, frente al margen antártico del Pacífico. Enterrada a casi una milla bajo el lecho marino, la corteza mineral que se acumula lentamente es como una cápsula del tiempo oceánica, que documenta los cambios en química del agua de mar capa tras capa durante cientos de miles de años.
Utilizando una técnica de ablación láser bidimensional, los investigadores examinaron pequeños fragmentos de corteza para medir la composición isotópica del plomo en miligramos. El método implica vaporizar pequeños trozos de material y analizar el vapor para determinar su estructura elemental e isotópica.
“Esta nueva tecnología láser abre posibilidades completamente nuevas para la reconstrucción del clima”, afirmó el físico Dr. Jan Fietzke, jefe del laboratorio de mediciones láser en GEOMAR. “Esto nos permitirá comprender mejor el papel del Océano Austral en el ciclo global del carbono y las tendencias climáticas futuras”.
Lea la revista química del océano.
Al rastrear ciertas proporciones isotópicas del plomo, a saber ^208Pb/^206Pb y ^206Pb/^204Pb, los científicos pudieron reconstruir la mezcla de los océanos y el transporte de masa de agua durante los últimos 800.000 años. Estas son huellas dactilares de diferentes fuentes de agua. Las aguas del fondo antártico, formadas cerca del continente helado, tienen una firma isotópica distintiva en comparación con las aguas más profundas provenientes del Pacífico.
Ilustración esquemática de los cambios de circulación en el Océano Austral antes y después del Evento Mid-Brunhes (MBE). (CRÉDITO: Comunicaciones de la naturaleza)
La evidencia fue concluyente. En los interglaciales cálidos, las proporciones ^208Pb/^206Pb fueron mayores que en los interglaciares más jóvenes y modernos, lo que sugiere que está entrando menos agua del fondo antártico a las profundidades del océano. El descubrimiento indica un océano más compartimentado o “estratificado”, con aguas profundas separadas de las de la superficie.
Por el contrario, las glaciaciones más frías experimentaron una mayor mezcla, como lo demuestran los valores isotópicos más bajos. Debido a que el plomo en el mar tiene una vida media relativamente corta, de unos pocos cientos de años como máximo, los cambios conservados en la corteza replican cambios instantáneos cercanos, no los procesos globales más glaciales que tienden a enmascarar las señales climáticas en los sedimentos.
La conexión del carbono
¿Por qué un océano más estratificado enfriaría el mundo? Así es como se intercambia carbono entre el océano y la atmósfera. Las aguas profundas de los océanos contienen enormes reservas de dióxido de carbono disuelto. A medida que disminuye la mezcla vertical, este carbono queda atrapado debajo, lo que limita su pérdida al aire.
Las estimaciones de los investigadores indican que persiste la reducción de la mezcla durante los períodos interglaciares cálidos. CO₂ atmosférico alrededor de 30 a 40 ppm menos que el de períodos cálidos posteriores. Los experimentos con modelos sugieren que el paquete combinado de mayor estratificación, una capa de hielo marino más espesa en la Antártida y una reducción de las surgencias reduciría los niveles de CO₂ en aproximadamente 36 ppm, una cantidad que se aproxima mucho a la indicada por los registros isotópicos.
Esta tendencia se revirtió después del Evento Mid-Brunhes, hace unos 430.000 años, cuando los interglaciales se volvieron cada vez más largos y cálidos. Desde entonces, el clima de la Tierra ha tendido a presentar concentraciones de CO₂ más altas y una mezcla oceánica más vigorosa, lo que representa un cambio fundamental en la forma en que el Océano Austral ayuda a mantener estables las temperaturas globales.
Composición Mn/Fe y edad de la corteza de ferromanganeso estudiada. (CRÉDITO: Comunicaciones de la naturaleza)
Después de la causa de la estratificación.
Varios factores pueden haber hecho que las profundidades del Océano Austral estuvieran más estratificadas durante estos antiguos períodos cálidos. Las temperaturas más bajas del aire en la Antártida y la expansión de una extensa capa de hielo marino probablemente formaron aguas del fondo más densas que produjeron un fuerte contraste de densidad que se opuso a la mezcla vertical. Por el contrario, una surgencia más lenta redujo la circulación que, de otro modo, traería a la superficie aguas profundas y ricas en nutrientes.
La reducción de la productividad biológica (menos vida marina que fija carbono a través de la fotosíntesis y se hunde en el fondo del océano) también puede haber influido. En conjunto, estos cambios han ayudado a “bloquear” el carbono en las profundidades de los océanos, eliminándolo de la atmósfera y retrasando el calentamiento global.
Fortalezas y preguntas pendientes
Lo inusual de este estudio es la precisión de sus datos y la consistencia de su sitio de muestreo. Debido a que la corteza de ferromanganeso se formó en mar abierto con una contaminación de sedimentos limitada, proporciona un registro claro de la química del agua de mar. Los investigadores incluso cruzaron dos partes separadas de la misma corteza y obtuvieron historias isotópicas casi idénticas, lo que aumentó la confianza en sus hallazgos.
Sin embargo, algunas cosas siguen siendo inciertas. Es difícil fechar una corteza de esta edad, especialmente hace más de 450.000 años, porque la tasa de crecimiento es baja: sólo alrededor de un milímetro cada millón de años. Los investigadores deben utilizar uranio y isótopos de torio hasta la fecha, pero estos isótopos tienen variaciones naturales que pueden dar lugar a ligeros errores. Sin embargo, las tendencias generales son consistentes con observaciones independientes de núcleos de sedimentos, así como con otros registros isotópicos en el Océano Austral.
Composiciones elementales e isotópicas de un área seleccionada de la corteza de Haxby. (CRÉDITO: Comunicaciones de la naturaleza)
Los resultados respaldan una creencia cada vez más extendida de que el Océano Austral, y no el Atlántico, fue en gran medida responsable de los cambios en el CO₂ durante los interglaciares cálidos. Si bien la propia circulación de inversión del Atlántico se ha mantenido fija, los cambios en las aguas que rodean la Antártida parecen haber rediseñado el mapa de cuánto carbono podrían almacenar las aguas profundas.
Lecciones del antiguo cambio climático
Este descubrimiento es parte de las preocupaciones actuales sobre el calentamiento global. A medida que aumentan las temperaturas globales y se derrite el hielo marino de la Antártida, el Océano Austral puede reducir su capacidad para absorber carbono. El océano se volvería menos estratificado y experimentaría un derrame de carbono más profundo hacia la superficie, aumentando así el efecto invernadero.
“Nuestros datos muestran por primera vez que una estratificación más intensa del Océano Austral fue un factor importante en los interglaciales relativamente fríos que condujeron al evento Mid-Brunhes”, dijo el Dr. Huang. “Descubrir estos procesos nos ayuda a evaluar la influencia que el cambio de la estructura del océano puede tener en el clima a largo plazo”.
El estudio no sólo disipa un misterio de larga data en la ciencia paleoclimática, sino que también ilustra cuán interconectados están los océanos y la atmósfera de la Tierra. Cambios modestos en el agua que se mezcla a miles de metros debajo de la superficie pueden tener un impacto profundo en todo el sistema climático.
Implicaciones prácticas de la investigación.
Estos hallazgos ofrecen un escalofriante recordatorio para el día de hoy. Si el calentamiento de los últimos siglos continúa rompiendo el hielo marino e interfiriendo con la estratificación del Océano Austral, las profundidades del océano perderán su capacidad de almacenar carbono. Esto aceleraría cambio climático al permitir que se recicle más CO₂ a la atmósfera.
Además de la predicción del clima, el nuevo método láser de Huang podría transformar el proceso de reconstrucción de hábitats antiguos por parte de los científicos.
Al leer las “páginas” químicas contenidas en las cortezas minerales, los investigadores pueden explorar cómo han evolucionado los patrones de circulación oceánica a lo largo de cientos de miles de años, conocimiento que podría ayudar a crear modelos climáticos mejorados y guiar las estrategias globales de gestión del carbono.
Los resultados de la investigación están disponibles en línea en la revista. Comunicaciones naturales.
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