Diminutos fósiles marinos evidencian qué causó las edades de hielo

EP | 11/12/2020

Desde el descubrimiento de que las concentraciones de dióxido de carbono (CO2) atmosférico fueron más bajas durante las glaciaciones pasadas, la causa ha sido un misterio.

Ahora, los fósiles de algas oceánicas revelan que un debilitamiento de la surgencia en el Océano Antártico mantuvo más CO2 en las profundidades del océano durante las edades de hielo.

Esto acerca a los científicos a una explicación completa del ciclo glacial y sugiere que las afloramientos se fortalecerán bajo el calentamiento global antropogénico, alterando el clima global y los ecosistemas oceánicos, según publican los investigadores en la revista 'Science'.

Los últimos millones de años de la historia de la Tierra se han caracterizado por frecuentes ciclos glaciales-interglaciares, grandes cambios en el clima que están relacionados con el crecimiento y la reducción de capas de hielo masivas que se extienden por continentes. Estos ciclos son provocados por oscilaciones sutiles en la órbita y rotación de la Tierra, pero las oscilaciones orbitales son demasiado sutiles para explicar los grandes cambios en el clima.

"La causa de las edades de hielo es uno de los grandes problemas no resueltos en las geociencias --señala en un comunicado Daniel Sigman, profesor de Ciencias Geológicas y Geofísicas en la Universidad de Princeton, en Estados Unidos--. Explicar este fenómeno climático dominante mejorará nuestra capacidad para predecir el cambio climático futuro".

En la década de 1970, los científicos descubrieron que la concentración de dióxido de carbono (CO2), gas de efecto invernadero en la atmósfera, era aproximadamente un 30% menor durante las edades de hielo. Eso generó teorías de que la disminución de los niveles de CO2 atmosférico es un ingrediente clave en los ciclos glaciales, pero las causas del cambio de CO2 siguen siendo desconocidas. Algunos datos sugirieron que, durante las edades de hielo, el CO2 estaba atrapado en las profundidades del océano, pero se debatió la razón de esto.

Ahora, una colaboración internacional dirigida por científicos de la Universidad de Princeton y el Instituto Max Planck de Química (MPIC), en Alemania, ha encontrado evidencia que indica que durante las edades de hielo, los cambios en las aguas superficiales del Océano Antártico funcionaron para almacenar más CO2 en las profundidades del océano.

Utilizando núcleos de sedimentos del Océano Antártico, los investigadores generaron registros detallados de la composición química de la materia orgánica atrapada en los fósiles de diatomeas: algas flotantes que crecieron en las aguas superficiales, luego murieron y se hundieron en el fondo del mar. Sus mediciones proporcionan evidencia de reducciones sistemáticas en el afloramiento impulsado por el viento en el Océano Antártico durante las edades de hielo.

Durante décadas los investigadores han sabido que el crecimiento y el hundimiento de las algas marinas bombea CO2 a las profundidades del océano, un proceso que a menudo se conoce como "bomba biológica", impulsada principalmente por los océanos tropicales, subtropicales y templados y es ineficaz cerca de los polos, donde el CO2 se ventila de regreso a la atmósfera por la rápida exposición de aguas profundas a la superficie.

El peor infractor es el Océano Antártico ya que los fuertes vientos del este que rodean el continente antártico arrastran aguas profundas ricas en CO2 a la superficie, "filtrando" CO2 a la atmósfera, señalan.

También se ha reconocido durante décadas la posibilidad de una reducción de las afloramientos impulsados por el viento para mantener más CO2 en el océano y, por lo tanto, explicar la reducción de CO2 atmosférico de la era glacial. Hasta ahora, sin embargo, los científicos han carecido de una forma de probar sin ambigüedades tal cambio.

La colaboración Princeton-MPIC ha desarrollado un enfoque de este tipo, utilizando diatomeas diminutas. Las diatomeas son algas flotantes que crecen abundantemente en las aguas superficiales de la Antártida y sus conchas de sílice se acumulan en los sedimentos de las profundidades marinas. Los isótopos de nitrógeno de las conchas de las diatomeas varían con la cantidad de nitrógeno no utilizado en el agua superficial.

El equipo midió las proporciones de isótopos de nitrógeno de las trazas de materia orgánica atrapadas en las paredes minerales de estos fósiles, que revelaron la evolución de las concentraciones de nitrógeno en las aguas superficiales de la Antártida durante los últimos 150.000 años, cubriendo dos eras de hielo y dos períodos interglaciares cálidos.

"El análisis de los isótopos de nitrógeno atrapados en fósiles como las diatomeas revela la concentración de nitrógeno en la superficie en el pasado", señala Ellen Ai, primera autora del estudio y estudiante graduada de Princeton que trabaja con Sigman y con los grupos de Alfredo Martínez-García y Gerald Haug en MPIC.

"Las aguas profundas tienen altas concentraciones de nitrógeno del que dependen las algas --añade--. Cuanto más afloramiento se produce en la Antártida, mayor es la concentración de nitrógeno en el agua superficial. Así que nuestros resultados también nos permitieron reconstruir los cambios de afloramiento antártico".

Los datos se hicieron más poderosos gracias a un nuevo enfoque para fechar los sedimentos antárticos. El cambio de temperatura del agua superficial se reconstruyó en los núcleos de sedimentos y se comparó con los registros de la temperatura del aire del núcleo de hielo de la Antártida.

"Esto nos permitió conectar muchas características en el registro de nitrógeno de las diatomeas con cambios climáticos y oceánicos coincidentes en todo el mundo --señala Martínez-García--. En particular, ahora podemos precisar el momento de la disminución de las afloramientos, cuando el clima comienza a enfriarse, así como conectar los cambios de afloramientos en la Antártida con las rápidas oscilaciones climáticas durante las edades de hielo".

Esta sincronización más precisa permitió a los investigadores enfocarse en los vientos como el impulsor clave de los cambios de surgencia.

Los nuevos hallazgos también permitieron a los investigadores desentrañar cómo los cambios en el afloramiento antártico y el CO2 atmosférico están relacionados con los desencadenantes orbitales de los ciclos glaciares, lo que acercó a los científicos a una teoría completa sobre el origen de las edades de hielo.

"Nuestros hallazgos muestran que el cambio de CO2 atmosférico impulsado por las afloramientos fue fundamental para los ciclos, pero no siempre de la manera que muchos de nosotros habíamos asumido --señala Sigman--. Por ejemplo, en lugar de acelerar el descenso a las edades de hielo, el afloramiento antártico provocó cambios de CO2 que prolongaron los climas más cálidos".

Sus hallazgos también tienen implicaciones para predecir cómo responderá el océano al calentamiento global. Los modelos informáticos han arrojado resultados ambiguos sobre la sensibilidad de los vientos polares al cambio climático.

La observación de los investigadores de una importante intensificación de las surgencia impulsada por el viento en el Océano Antártico durante los períodos cálidos del pasado sugiere que las afloramientos también se fortalecerán con el calentamiento global. Es probable que un afloramiento antártico más fuerte acelere la absorción de calor del océano debido al calentamiento global en curso, al tiempo que impacta las condiciones biológicas del Océano Antártico y el hielo en la Antártida.

"Los nuevos hallazgos sugieren que la atmósfera y el océano alrededor de la Antártida cambiarán mucho en el próximo siglo", dijo Ai. "Sin embargo, debido a que el CO2 de la quema de combustibles fósiles es exclusivo de los tiempos actuales, se necesita más trabajo para comprender cómo los cambios del Océano Antártico afectarán la velocidad a la que el océano absorbe este CO2".

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