Hasta ahora, los modelos climáticos actuales no han podido reproducir adecuadamente las nubes sobre el Océano Austral alrededor de la Antártida. Un equipo internacional ha dado un paso importante para subsanar esta deficiencia. Los investigadores lograron demostrar que la mayoría de los núcleos de hielo en la atmósfera se deben a compuestos de azúcar de microorganismos marinos presentes en el agua de mar.
por Tilo Arnhold, Instituto Leibniz de Investigación Troposférica
Ingresan al aire limpio sobre el mar a través de la espuma marina y la evaporación, provocando la congelación de las gotas de agua , lo que afecta la formación de nubes y precipitaciones. La formación de hielo en las nubes tiene una gran influencia en el clima, ya que las partículas de hielo en las nubes reflejan la luz solar con mucha más intensidad que las nubes de agua pura.
Estos resultados resaltan la importancia de las fuentes biológicas para la formación de precipitaciones en regiones marinas remotas, como la Antártida. Investigadores del Instituto Leibniz de Investigación Troposférica (TROPOS) y la Universidad Ártica de Noruega en Tromsø publicaron recientemente su estudio en la revista Environmental Science & Technology .
Los procesos de formación de hielo influyen en las propiedades de radiación, la formación de precipitaciones y, en consecuencia, la longevidad de las nubes. La formación de hielo es posible gracias a las llamadas partículas nucleantes de hielo (PNI). En regiones marinas remotas, como el Océano Antártico, donde las concentraciones de PNI en la atmósfera limpia son bajas, se han observado grandes diferencias en los efectos radiativos entre los modelos y las mediciones. Por lo tanto, es necesario comprender mejor las fuentes y las propiedades de los núcleos de hielo, como las partículas de aerosol procedentes de la espuma marina, para mejorar los modelos climáticos.
Se sabe desde hace más de una década que las macromoléculas formadoras de hielo, producidas por microorganismos marinos como hongos, protistas o levaduras en el agua de mar, pueden entrar a la atmósfera a través de la espuma marina. En el caso de fuentes terrestres, ahora se dispone de conocimientos que permiten asignar las macromoléculas a proteínas y polisacáridos específicos.
En contraste, anteriormente se desconocía la identidad química de estas macromoléculas formadoras de hielo de origen marino. «Durante la expedición Polarstern PS106 en 2017, observamos un aumento en las concentraciones de glucosa en muestras del Ártico y concluimos que esta glucosa podría ser un indicador de núcleos de hielo en el agua de mar. El monosacárido glucosa es un producto de degradación de los polisacáridos.»
«Por lo tanto, nos resultó obvio que los polisacáridos podrían ser la pieza que faltaba en el rompecabezas», explica el Dr. Sebastian Zeppenfeld de TROPOS.
Un cosmos de microorganismos como bacterias, algas, diatomeas marinas, haloarqueas, virus, levaduras y hongos habita en la película superficial de los océanos que separa el agua de mar de la atmósfera. Además de las algas y bacterias, que contribuyen principalmente a la producción y descomposición de biomasa, los hongos marinos también están atrayendo el interés científico. Dado que su posible papel como núcleos de hielo aún estaba en gran parte inexplorado, los investigadores los estudiaron con mayor detenimiento.
«En este estudio, investigamos la nucleación en hielo de polisacáridos marinos derivados de hongos y protistas marinos, así como de polisacáridos estándar disponibles comercialmente», informa la Dra. Susan Hartmann de TROPOS, quien examinó la nucleación en hielo en el laboratorio utilizando la prueba de congelación de gotas INDA (Ice Nucleation Droplet Array).
El resultado es una recopilación de datos que indica cuántos núcleos de hielo se forman a qué temperaturas y por qué componentes de las gotitas de las nubes. Los datos publicados son los primeros sobre protistas y hongos del agua de mar que producen los polisacáridos mencionados y catalizan la formación de hielo .
Ya se sabía que la biología marina produce grandes cantidades de núcleos de hielo en la atmósfera. El nuevo estudio ha demostrado que los polisacáridos explican la cantidad total de núcleos de hielo biológicos entre -15 y -20 °C.
Junto con los nuevos datos, varios otros estudios proporcionan una imagen diferenciada de qué componentes en la atmósfera no contaminada de las altas latitudes del sur son responsables del hielo en las gotitas de las nubes: en nubes cálidas por debajo de los -2 °C se trata principalmente de proteínas, en nubes medianamente frías por debajo de los -10 °C se trata principalmente de los ahora probados polisacáridos y solo en nubes muy frías por debajo de los -20 °C domina el conocido polvo mineral.
Sin embargo, dado que las fuentes extensas de polvo mineral (p. ej., los desiertos) son escasas en el hemisferio sur, la importancia del polvo mineral para la formación de hielo en el aire muy limpio de los mares que rodean la Antártida es mucho menor que en el hemisferio norte. Las nubes de fase mixta con agua líquida y hielo se ubican principalmente en el rango de temperatura entre -15 y -20 °C, es decir, precisamente en el rango donde los polisacáridos se encuentran entre los núcleos de hielo más importantes.
«En nuestras simulaciones, pudimos demostrar que a -15 a -16 °C, los polisacáridos sobre las gigantescas áreas de los océanos en el limpio hemisferio sur son probablemente los núcleos de hielo más importantes, es decir, contribuyen más a la formación de hielo que el polvo mineral emitido por los desiertos, que normalmente se asume como el principal tipo de núcleos de hielo en los modelos climáticos.
«Este es un hallazgo nuevo e importante para los modelos climáticos», resume el Dr. Roland Schrödner de TROPOS, quien analizó los datos utilizando el modelo global de transporte de química atmosférica TM5.
El estudio se basa en años de trabajo preliminar de tres grupos en TROPOS: el de Microfísica de Aerosoles ha estado investigando la formación de hielo en las gotas de las nubes durante mucho tiempo, el de Modelado Atmosférico está investigando la influencia de varios tipos de partículas en el clima, y el de Química Atmosférica está analizando la composición química.
Los investigadores habían medido previamente las concentraciones de polisacáridos en la atmósfera durante diversas expediciones, como la expedición antártica española PI-ICE, la expedición ártica alemana PASCAL/PS106, la campaña MarParCloud en el Atlántico tropical y mediciones en Spitsbergen, en el Ártico. Estos nuevos hallazgos fueron posibles gracias a la combinación de estos trabajos.
Desde la perspectiva de los investigadores, este estudio destaca la importancia de los componentes biológicos naturales en la atmósfera y la estrecha relación entre la biosfera y la atmósfera en el sistema terrestre. Si los ambiciosos objetivos de protección climática de muchos países se cumplen en las próximas décadas, se prevé que las emisiones antropogénicas disminuyan y que las partículas de aerosoles naturales adquieran una importancia aún mayor para la microfísica de las nubes.
Las nubes en un entorno limpio, es decir, con un bajo número de gotitas, reaccionan con mayor sensibilidad a las fluctuaciones en la concentración de aerosoles. Por lo tanto, el limpio hemisferio sur alrededor de la Antártida resulta especialmente atractivo para la investigación de las nubes: la misión «HALO-Sur» del avión de investigación alemán HALO investigará con mayor detalle la interacción de las nubes, los aerosoles y la radiación sobre el Océano Antártico alrededor de Nueva Zelanda, de julio a octubre de 2025, bajo la dirección de TROPOS. Las mediciones aéreas se complementarán con mediciones terrestres.
Durante la campaña de medición «goSouth-2», investigadores de TROPOS y la Universidad de Leipzig colaborarán con otros socios para investigar las nubes del Océano Antártico. Para ello, el sistema móvil de teledetección de aerosoles y nubes LACROS se desplegará cerca de Invercargill, en el extremo sur de Nueva Zelanda, entre septiembre de 2025 y marzo de 2027.
Las nubes del hemisferio sur, menos influenciadas por el hombre, aún esconden muchos secretos que los investigadores de Leipzig esperan descubrir en los próximos años.
Más información: Susan Hartmann et al., Polisacáridos: componentes importantes de las partículas nucleadoras de hielo de origen marino, Environme
