En la foto, la capa de hielo blanca y azul muestra la cobertura de hielo marino en su menor extensión en el verano de 2020, y la línea amarilla muestra la extensión mínima típica del hielo marino del Ártico entre 1981 y 2010.
Crédito: Jesse Farmer, Universidad de Princeton; modificado de Rebecca Lindsey y Michon Scott, "Climate change: Arctic sea ice", NOAA Climate.gov
Fuente: Phys. Por la Universidad de Princeton - 16 de agosto 2021
El cambio climático global está calentando el Océano Ártico y reduciendo el hielo marino. Algunos han propuesto que la nueva superficie marina expuesta provocará un boom de la población de plancton y un ecosistema floreciente en el océano Ártico abierto, pero un equipo de científicos de Princeton y del Instituto Max Planck de Química dicen que eso no es probable. Han examinado la historia y la tasa de suministro de nitrógeno, un nutriente clave. Su reciente trabajo concluye que la estratificación de las aguas abiertas del Ártico, especialmente en las zonas alimentadas por el Océano Pacífico a través del Estrecho de Bering, impedirá que el plancton superficial reciba suficiente nitrógeno para crecer en abundancia.
A medida que el Polo Norte, el Océano Ártico y las tierras árticas circundantes se calientan rápidamente, los científicos se apresuran a comprender los efectos del calentamiento en los ecosistemas árticos. Con la disminución del hielo marino, llega más luz a la superficie del Océano Ártico. Algunos han predicho que esto dará lugar a más plancton, que a su vez servirá de sustento a los peces y otros animales.
No tan rápido, dice un equipo de científicos dirigido por la Universidad de Princeton y el Instituto Max Planck de Química.
Apuntan al nitrógeno, un nutriente vital. Los investigadores utilizaron plancton fósil para estudiar la historia de las fuentes y las tasas de suministro de nitrógeno en el océano Ártico abierto occidental y central. Su trabajo, detallado en un artículo que se publica en el número actual de la revista Nature Geoscience, sugiere que, bajo un régimen de calentamiento global, estas aguas abiertas del Ártico experimentarán una limitación de nitrógeno más intensa, lo que probablemente impedirá un aumento de la productividad.
"Mirando el océano Ártico desde el espacio, es difícil ver el agua en absoluto, ya que gran parte del océano Ártico está cubierto por una capa de hielo marino", dijo el autor principal Jesse Farmer, un investigador postdoctoral asociado en el Departamento de Geociencias de la Universidad de Princeton que también es un investigador postdoctoral visitante en el Instituto Max Planck de Química en Mainz, Alemania. Este hielo marino se expande de forma natural durante los inviernos y se contrae durante los veranos. Sin embargo, en las últimas décadas el calentamiento global ha provocado un rápido descenso de la cobertura de hielo marino en verano, que en la actualidad es aproximadamente la mitad que en 1979.
Al derretirse el hielo marino, el plancton fotosintético que constituye la base de las redes alimentarias del Ártico debería beneficiarse de la mayor disponibilidad de luz. "Pero hay un problema", afirma la autora Julie Granger, profesora asociada de ciencias marinas de la Universidad de Connecticut. "Este plancton también necesita nutrientes para crecer, y los nutrientes sólo son abundantes a mayor profundidad en el océano Ártico, justo fuera del alcance del plancton". Que el plancton pueda adquirir estos nutrientes depende de lo estrictamente "estratificado", o separado en capas, que esté el océano superior. Los 200 metros superiores del océano están formados por distintas capas de agua con diferentes densidades, determinadas por su temperatura y salinidad.
Estos grumos blancos son foraminíferos fosilizados procedentes de un núcleo de sedimento del Océano Ártico, ampliados 30 veces. Los investigadores utilizaron la materia orgánica del interior de estos "forams" -plancton que creció en las aguas superficiales, luego murió y se hundió en el fondo marino- para medir la composición isotópica del nitrógeno. Crédito: Jesse Farmer, Universidad de Princeton
"Cuando la parte superior del océano está fuertemente estratificada, con aguas muy ligeras flotando sobre aguas profundas densas, el suministro de nutrientes a la superficie iluminada por el sol es lento", dijo Farmer.
Una nueva investigación dirigida por científicos de la Universidad de Princeton muestra cómo ha cambiado el suministro de nitrógeno al Ártico desde la última edad de hielo, lo que revela la historia de la estratificación del Océano Ártico. Utilizando núcleos de sedimentos del océano Ártico occidental y central, los investigadores midieron la composición isotópica del nitrógeno orgánico atrapado en los fósiles calcáreos de los foraminíferos (plancton que crecía en las aguas superficiales, luego moría y se hundía en el fondo marino). Sus mediciones revelan cómo las proporciones de nitrógeno derivado del Atlántico y del Pacífico cambiaron a lo largo del tiempo, al tiempo que rastrean los cambios en el grado de limitación de nitrógeno del plancton en la superficie. Ona Underwood, de la promoción de 2021, fue un miembro clave del equipo de investigación, analizando núcleos de sedimentos del Océano Ártico occidental para su proyecto junior.
Donde se encuentran los océanos: Las aguas del Pacífico flotan sobre las aguas del Atlántico, más saladas y densas
El océano Ártico es el punto de encuentro de dos grandes océanos: el Pacífico y el Atlántico. En el Ártico occidental, las aguas del Océano Pacífico fluyen hacia el norte a través del poco profundo Estrecho de Bering que separa Alaska de Siberia. Al llegar al Océano Ártico, el agua relativamente fresca del Pacífico fluye sobre el agua más salada del Atlántico. Como resultado, la columna de agua superior del Ártico occidental está dominada por el nitrógeno procedente del Pacífico y está fuertemente estratificada.
Sin embargo, esto no siempre fue así. "Durante la última edad de hielo, cuando el crecimiento de las capas de hielo redujo el nivel global del mar, el Estrecho de Bering no existía", dijo Daniel Sigman, profesor Dusenbury de Ciencias Geológicas y Geofísicas de Princeton y uno de los mentores de la investigación de Farmer. En aquella época, el Estrecho de Bering fue sustituido por el Puente Terrestre de Bering, una conexión terrestre entre Asia y América del Norte que permitió la migración de los seres humanos al continente americano. Sin el estrecho de Bering, el Ártico sólo tendría agua del Atlántico, y los datos sobre el nitrógeno lo confirman.
Cuando la edad de hielo terminó hace 11.500 años, al derretirse las capas de hielo y subir el nivel del mar, los datos muestran la repentina aparición de nitrógeno del Pacífico en la cuenca abierta del Ártico occidental, una prueba dramática de la apertura del estrecho de Bering.
"Esperábamos ver esta señal en los datos, ¡pero no tan claramente!" dijo Sigman.
Ésta fue sólo la primera de las sorpresas. Al analizar los datos, Farmer también se dio cuenta de que, antes de la apertura del estrecho de Bering, el Ártico no estaba fuertemente estratificado como lo está hoy. Sólo con la apertura del Estrecho de Bering el Ártico occidental se estratificó fuertemente, como lo refleja el inicio de la limitación de nitrógeno del plancton en las aguas superficiales.
Hacia el este del Estrecho de Bering, el agua procedente del Pacífico se diluye, de modo que el Ártico central y oriental moderno está dominado por el agua del Atlántico y una estratificación relativamente débil. Aquí, los investigadores descubrieron que la limitación de nitrógeno y la estratificación de la densidad variaban con el clima. Al igual que en el Ártico occidental, la estratificación era débil durante la última edad de hielo, cuando el clima era más frío. Después de la edad de hielo, la estratificación del Ártico central se fortaleció, alcanzando un pico entre hace unos 10.000 y 6.000 años, un período de temperaturas estivales árticas naturalmente más cálidas llamado "Máximo Térmico del Holoceno". Desde entonces, la estratificación del Ártico central se ha debilitado, permitiendo que llegue a las aguas superficiales una cantidad de nitrógeno suficiente para superar las necesidades del plancton.
El calentamiento global está devolviendo rápidamente al Ártico al clima del Máximo Térmico del Holoceno. A medida que este calentamiento continúa, algunos científicos han predicho que la reducción de la capa de hielo mejoraría la productividad del plancton ártico al aumentar la cantidad de luz solar que llega al océano. La nueva información histórica obtenida por Farmer y sus colegas sugiere que ese cambio es improbable en las aguas de las cuencas abiertas del Ártico occidental y central. El Ártico occidental seguirá fuertemente estratificado debido a la persistente entrada de agua del Pacífico a través del Estrecho de Bering, mientras que el calentamiento reforzará la estratificación en el Ártico central. En ambas regiones del océano abierto, es probable que el lento suministro de nitrógeno limite la productividad del plancton, concluyeron los investigadores.
"Un aumento de la productividad de la cuenca abierta del Ártico probablemente se habría visto como un beneficio, por ejemplo, aumentando la pesca", dijo Farmer. "Pero a la vista de nuestros datos, parece poco probable un aumento de la productividad del Ártico abierto. La mejor esperanza para un futuro aumento de la productividad del Ártico está probablemente en las aguas costeras del Ártico."
Más información: La estratificación del océano Ártico fijada por el nivel del mar y los aportes de agua dulce desde la última edad de hielo, Nature Geoscience (2021). DOI: 10.1038/s41561-021-00789-y , www.nature.com/articles/s41561-021-00789-y
Shiv Priyam Raghuraman et al, Anthropogenic forcing and response yield observed positive trend in Earth's energy imbalance, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-24544-4
Información de la revista: Nature Communications , Nature Geoscience
Proporcionado por la Universidad de Princeton