Alex Kholodov (Universidad de Alaska, Fairbanks) utiliza una barrena eléctrica para preparar agujeros para pozos de agua en los sitios árticos de NGEE en Barrow, Alaska. Crédito:Departamento de Energía de EE. UU.
Los picos nevados se elevan en una dirección; la tundra pantanosa se extiende a través del otro. Cabezas peludas de plantas de tallo largo se mecen con el viento, intercalados con arándanos de pantano. Este es el lago de ocho millas de Alaska, donde la ciudad más cercana tiene una población de poco más de mil personas.
Investigadores apoyados por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía están visitando aquí y otros lugares remotos para estudiar cómo se descongela el permafrost (suelo que se congela durante varios años consecutivos). Debido a que los suelos en sistemas de alta latitud donde esto sucede almacenan casi el doble de carbono que toda la atmósfera, Determinar el proceso de descongelación es esencial para modelar los ecosistemas terrestres y el clima. La mejora de los modelos del sistema terrestre puede ayudar a los científicos a comprender mejor el alcance y los efectos probables del cambio climático futuro.
El congelador de la tierra
Las capas profundas del permafrost actúan como la hielera del mundo, encerrar la materia orgánica, como plantas y animales muertos, de la degradación durante miles de años. Las bajas temperaturas y el suelo anegado ralentizan la descomposición hasta casi detenerla.
Pero hoy el Ártico se está calentando a un ritmo que no se ha producido en los últimos tres millones de años. Aumentando a un ritmo dos veces más rápido que el resto de la Tierra, La temperatura promedio del Ártico podría aumentar hasta 14 ° F entre 2081 y 2100.
Este calentamiento podría hacer que el permafrost se descongele mucho más rápido y más extensamente que nunca. Dependiendo de la tasa y extensión del cambio climático, el Ártico podría perder del 30 al 70 por ciento de su permafrost en el próximo siglo.
La materia orgánica del permafrost descongelado puede descomponerse rápidamente. Como bacterias, hongos y otros organismos diminutos descomponen la materia, liberan los gases de efecto invernadero dióxido de carbono y metano. Cada aumento de 1 grado C (1,8 grados F) en la temperatura global promedio podría resultar en el deshielo del permafrost lo suficiente como para liberar un año y medio de emisiones de dióxido de carbono de origen humano. Los gases de efecto invernadero del permafrost descongelado conducirían a un mayor cambio climático, que luego podría conducir a un mayor deshielo del permafrost, un ciclo de autorrefuerzo.
"Este es el punto de inflexión más importante, "dijo Jizhong Zhou, investigador del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) y profesor de la Universidad de Oklahoma.
Una colaboración gratificante
Si bien los investigadores entienden por qué el permafrost es importante, muchas preguntas quedan sin respuesta. Incluso los modelos que tienen información detallada sobre la tierra, Oceano, y los procesos atmosféricos carecen de suficientes detalles sobre el Ártico.
Ahí es donde entra la investigación de campo y de laboratorio. Antes de 2012, Los investigadores del permafrost y los modeladores climáticos generalmente trabajaban por separado. Pero a través del proyecto Ártico de Experimentos de Ecosistemas de Próxima Generación (NGEE Arctic), equipos de la sede del DOE, Laboratorios nacionales DOE, y universidades reunieron campo, laboratorio, y modelar investigadores para compartir sus necesidades y experiencia.
"Este es un nivel de dinámica e interacciones que simplemente no hemos tenido en el pasado, "dijo Stan Wullschleger, Director de NGEE Arctic e investigador del Laboratorio Nacional de Oak Ridge. "[Estas colaboraciones] permiten una mejor información, una discusión más rica sobre cómo el campo, laboratorio, y los científicos de modelos pueden interactuar ".
Investigación en un paisaje brutal
Estudiar el permafrost no es nada fácil. Cuando las temperaturas caen en picado más de 20 grados bajo cero, los cables se vuelven tan frágiles que un simple empujón los rompe. Debido a que los cortos días de invierno inutilizan los paneles solares, los investigadores deben transportar baterías del tamaño de un automóvil para alimentar sus instrumentos. Pero los datos esenciales que proporcionan estos estudios hacen que valga la pena.
Un tipo importante de estudio de campo permite a los científicos investigar cómo la temperatura afecta la velocidad de descongelación. Para simular cómo reaccionaría un ecosistema de permafrost ante veranos e inviernos más cálidos, los investigadores crean un ecosistema en miniatura. Para imitar las condiciones del verano, utilizan invernaderos abiertos que calientan el aire. Para condiciones invernales, pusieron vallas donde se amontona la nieve, calentando el suelo como un edredón que aísla una cama.
Gran perturbación termokarst a lo largo del río Selawik en Alaska. Cuando estas cuñas de hielo se derritan, el suelo debajo de ellos a menudo se derrumba. Crédito:Departamento de Energía de EE. UU.
Si bien parece que el verano afectaría más al permafrost, en realidad, es el calentamiento del invierno lo que provoca el deshielo. Un estudio importante respaldado por la Oficina de Ciencias encontró que, aunque las condiciones del verano no calentaron el suelo, El calentamiento invernal aumentó la temperatura del suelo en 3-5 ° F.Después de solo tres años, estos cambios llevaron a un aumento del 45 por ciento en la respiración, el proceso que produce dióxido de carbono. Hubo algunos aumentos en el crecimiento de las plantas y la absorción de dióxido de carbono, pero no fue suficiente para compensar los lanzamientos.
Los cambios en el movimiento del agua también podrían acelerar el deshielo. En la actualidad, las cuñas de hielo constituyen una quinta parte de la capa superior de permafrost. Estas cuñas de hielo son tan fundamentales para el paisaje que cuando se derriten, el suelo realmente se derrumba. Los cambios resultantes pueden conectar canales y lagos tanto que drenan, transformar la distribución del agua del ecosistema.
Un estudio realizado por NGEE Arctic encontró que los aumentos de temperatura de tan solo 9 ° F pueden hacer que las cuñas de hielo se derrumben en 15 a 20 años. Y no tienen por qué ser cambios en la temperatura promedio:un verano inusualmente caluroso puede poner en marcha el proceso.
"Es una transformación que no se deshace fácilmente. Ciertamente, no en nuestra vida, "dijo Sue Natali, investigador de permafrost en Woods Hole Research Center.
De vuelta al laboratorio
Ver el cambio del paisaje es esclarecedor, pero el trabajo de campo por sí solo no puede describir los procesos subyacentes. Llevar las muestras al laboratorio permite a los investigadores aislar variables específicas.
Debido a que el derretimiento de las cuñas de hielo podría causar cambios importantes en la distribución del agua, es fundamental saber cómo puede variar la descomposición en función del nivel del agua del suelo. Un estudio de NGEE Arctic descubrió diferencias sustanciales entre la descomposición en suelos secos con oxígeno (aeróbicos) y los suelos anegados que no tienen oxígeno (anaeróbicos). Los investigadores encontraron que seco, Los suelos aeróbicos liberaron el doble de dióxido de carbono y metano después de la descongelación que los anegados. los anaeróbicos lo hicieron después de descongelar.
Microbios como bacterias y hongos, son otro foco importante de la investigación de laboratorio. Varios estudios han examinado cuáles de estos pequeños organismos son más comunes en el permafrost antes y después de la descongelación y han comparado la diferencia entre microbios en diferentes capas. Un estudio apoyado por la Oficina de Ciencias encontró que después de solo 18 meses de calentamiento, La respiración de los microbios que produce dióxido de carbono aumentó en un 38 por ciento.
Los modelos climáticos lo unen todo
Estas observaciones de campo y de laboratorio están haciendo que los modelos climáticos sean más precisos que nunca. De hecho, los modelos de primera generación no incluían permafrost en absoluto.
"La constatación de que a los modelos les faltaba la mayor reserva de carbono fue un verdadero impulsor de lo que hemos hecho desde entonces, "dijo Charlie Koven, un modelador climático LBNL.
Los investigadores utilizan datos de laboratorio y de campo para ayudar a que los modelos reflejen el mundo real de la manera más fiel posible. Para aumentar la especificidad, alimentan datos como la temperatura del suelo, tasas de descongelación, y movimiento del agua directamente en modelos. Para probar la precisión, los investigadores ejecutan el modelo con ciertas condiciones y luego comparan los resultados con experimentos del mundo real realizados en condiciones comparables.
Usando gran parte de estos datos, Un modelo climático respaldado por la Oficina de Ciencias muestra que si el cambio climático continúa al ritmo actual, la mitad del permafrost del mundo podría descongelarse a finales de siglo.
El próximo desafío es integrar datos microbianos complejos en modelos informáticos que ya tienen millones de líneas de código.
Si los investigadores están midiendo la nieve en algunos de los lugares más brutales de la Tierra, descongelar suelo en un laboratorio, o examinando la pantalla de una computadora, cada uno contribuye a nuestra comprensión de las vastas reservas de carbono del Ártico.
"[NGEE Arctic] fue y sigue siendo un gran ejemplo de cómo los laboratorios nacionales pueden interactuar, ", dijo Wullschleger." Este tipo de [enfoque] realmente acelera la mejora de los modelos climáticos ".
