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Flores heladas que crecen en el hielo marino joven en el Ártico

Flores de escarcha son cristales de hielo se encuentran comúnmente en crecimiento en el joven hielo del mar y el lago delgada de hielo en frío, condiciones de calma. Los cristales de hielo son similares a la escarcha , y comúnmente se observa que crecen en parches de alrededor de 3 a 4 cm de diámetro. Las flores heladas que crecen en el hielo marino tienen salinidades y concentraciones extremadamente altas de otros productos químicos del agua de mar y, debido a su gran superficie , son liberadores eficientes de estos productos químicos a la atmósfera. [1] [2] [3]

Formación

Las flores de escarcha se forman en el hielo marino nuevo, en los conductos de aguas abiertas (donde el hielo existente se ha abierto) cuando la atmósfera es mucho más fría que el hielo subyacente. Los conductos de aguas abiertas están formados por los vientos, las mareas y las corrientes. Estos cables exponen el agua cerca de 0 ° C a un aire mucho más frío, lo que da como resultado la rápida formación de hielo. [4] Con la formación y el crecimiento del hielo, la sal es expulsada simultáneamente hacia el océano debido a la gravedad (drenaje por gravedad) y hacia afuera, lo que forma canales de salmuera que se extienden hacia la superficie. Esto da como resultado una “capa superficial” de alta salinidad que generalmente es de 5 ° C a 10 ° C más cálida que el aire circundante, formando nuevo hielo marino. [4]Normalmente se requiere una diferencia de temperatura entre la superficie del hielo y el aire de al menos 15 ° C, aunque esto puede reducirse si el aire es muy húmedo. En estas condiciones, se forma una capa de vapor sobresaturado debido a la " capa superficial" que proporciona un exceso de vapor de agua. A medida que el aire más cálido y húmedo se encuentra con el aire frío que lo recubre, se vuelve sobresaturado y se condensa, lo que permite que pequeños cristales formen un núcleo en las imperfecciones de la superficie del hielo marino y crezcan por deposición de vapor. [4] En general, las flores heladas solo se forman en condiciones relativamente sin viento; con vientos fuertes, la capa sobresaturada se elimina de la superficie y la nieve que sopla oscurece la superficie del hielo. [5]

Las flores heladas pueden crecer y extenderse formando una densa concentración a través del plomo. En el hielo del lago, las flores de escarcha son efectivamente idénticas a los cristales de escarcha. En el hielo marino, a través de la tensión superficial y las diferencias en los gradientes de concentración, las flores heladas que se asientan en superficies saturadas de salmuera absorben la salmuera, aumentando la salinidad general, lo que conduce a una alta salinidad. [6] [7] Las puntas de las flores heladas maduras son menos salinas debido a la deposición de vapor y la salinidad general disminuye por la noche debido a la acumulación de escarcha a medida que desciende la temperatura y la nieve nueva (son muy buenas para recolectar nieve), lo que también reduce su salinidad a granel a lo largo del tiempo. [4] [7] Se han realizado estudios sobre flores heladas y en un estudio en el océano cerca de Barrow, Alaska.Álvarez-Aviles et al. (2008) encontraron que las salinidades en masa de las flores heladas variaban de 16 ppt a 105 ppt con un promedio de aproximadamente 62 ppt. (aproximadamente tres veces más salada que el agua de mar ). [7] [8]

Las flores heladas se encuentran con mayor frecuencia en el hielo marino joven en las regiones polares, ya que las grandes diferencias de temperatura entre el hielo y el aire son adecuadas para el crecimiento. Cuando el hielo se vuelve demasiado espeso, la superficie superior del hielo se enfría y las flores heladas ya no crecen. Esto significa que las flores heladas normalmente solo crecen en los primeros días de la nueva cobertura de hielo. [ cita requerida ]

Morfología

La temperatura, específicamente la temperatura en la superficie del hielo que no está cerca de las flores heladas, tiene un impacto directo en la morfología, así como en el grosor y absorbencia del hielo, la cobertura de nieve y el manto de flores heladas. [9] La forma de las flores heladas cambia cuando la temperatura del aire o el grado de sobresaturación cambia durante el proceso de crecimiento al cambiar las puntas de los cristales. [9] [10]El nivel de sobresaturación determina la formación general, el tamaño y la forma de la flor helada. En una sobresaturación más baja, la punta de la flor helada se facetará y las ramas laterales se formarán creando un cristal ramificado, parecido a un árbol, donde en una sobresaturación más alta la forma de la punta de la rama principal se redondeará formando un cristal en forma de estrella sin ramas laterales. [7] [11] Los cristales de hielo en las flores heladas suelen ser dendríticos, pero de manera similar a la escarcha, pueden crecer en morfologías parecidas a varillas. Cuando la salmuera tibia es absorbida por los cristales de hielo, también puede dar a la flor helada una apariencia 'agrupada' ya que las facetas de los cristales de hielo se derriten parcialmente. [12]

Química

Las flores heladas son complejas en la química microestructural debido a muchas condiciones diferentes, como el aire, la temperatura, las concentraciones químicas en el agua, la capa superficial, la humedad y la precipitación que influyen en su formación y crecimiento. Una parte importante de su formación es el fraccionamiento de sodio y sulfato con respecto al cloruro durante la precipitación de las sales. [7] Cuando la temperatura disminuye el rechazo de la salmueraaumenta y los canales se vuelven cada vez más concentrados, especialmente en la superficie. Cuando las sales comienzan a precipitarse del hielo, cambia las concentraciones relativas de iones disponibles en el agua líquida y en las flores heladas. A temperaturas por debajo de -8 ° C hay un aumento de la pérdida de sodio y sulfato en relación con una temperatura decreciente que resulta en un agotamiento del aerosol de las flores heladas a tales temperaturas en contraste con otros iones. [6] [13] El aerosol de flores heladas tendrá una proporción más alta de sodio a sulfato en comparación con el aerosol del agua de mar porque el sulfato tiene una mayor proporción de eliminación que el sodio cuando precipita mirabilita (Na 2 SO 4 · 10H 2 O). [6] [13]Las flores heladas tienen una alta concentración, típicamente de 2 a 3 veces mayor, de iones bromuro que la que se encuentra en el agua de mar, que es proporcional a la salinidad de las flores heladas. Si la temperatura fuera lo suficientemente baja como para que el cloruro de sodio que está presente en la salmuera o las flores heladas se congele, entonces el bromuro puede estar fácilmente disponible. [14] Las temperaturas de la superficie del hielo por debajo de -22 ° C comienzan a precipitar el cloruro de sodio e incluso a temperaturas más bajas, otros iones precipitarán, pero con la temperatura de la superficie del hielo no se pueden formar flores de escarcha baja, por lo que es poco probable que se agote el cloruro de sodio . [13]

Lanzamiento de aerosol

Las flores heladas han atraído interés como una posible fuente de aerosol atmosférico polar . Las altas concentraciones químicas y el área de superficie extendida pueden facilitar una liberación eficiente a la atmósfera. En particular los estudios han demostrado que la abundancia de flores de escarcha puede estar vinculado a altas concentraciones de troposférico monóxido de bromo que causan eventos de agotamiento del ozono troposférico , y mayores cantidades de partículas de sal marina en el aire. [15] El estudio Obbard et al. (2009) al abordar la preocupación del bromo, que puede estar causando el agotamiento del ozono, no mostraron evidencia concluyente de que el aerosol de flores heladas esté causando una contribución significativa de enriquecimiento de bromo a la atmósfera. Además, el estudio mostró que había un agotamiento del bromo y un enriquecimiento en relación con el cloruro en las flores heladas. [dieciséis]

"Praderas marinas" árticas

El 2 de septiembre de 2009, un equipo de biología de la Universidad de Washington que navegaba de regreso desde el Polo Norte se encontró con estas pequeñas cosas floridas que crecían en el mar helado "como un prado que se extiende en todas direcciones. Todas las superficies disponibles estaban cubiertas con ellas". Cuando se dejó derretir, se descubrió que uno o dos mililitros de agua recuperados contenían alrededor de un millón de bacterias . La profesora Jody Deming cree que a medida que los polos se calientan, habrá más y más de estos prados, porque habrá más y más mar abierto que se convertirá en hielo fino en invierno, y su equipo está ansioso por descubrir cuáles son las bacterias que viven en el las flores heladas están haciendo. [17] [18]

Ver también

  • escarcha

Referencias

  1. ^ "Misterio del crecimiento de las flores heladas explicado - medio ambiente" . Nuevo científico . 20 de mayo de 2009 . Consultado el 28 de marzo de 2010 .
  2. ^ "Universidad de Leeds - Flores heladas navideñas - o símbolos del cambio climático?" . Leeds.ac.uk. 2009-12-17 . Consultado el 28 de marzo de 2010 .
  3. ^ Roscoe, HK; Brooks, B .; Jackson, AV; Smith, MH; Walker, SJ; Obbard, RW; Wolff, EW (2011). "Flores heladas en el laboratorio: crecimiento, características, aerosol y el hielo marino subyacente" . Revista de Investigación Geofísica . 116 (D12): D12301. Código bibliográfico : 2011JGRD..11612301R . doi : 10.1029 / 2010JD015144 .
  4. ^ a b c d Perovich, DK; Richter-Menge, JA (1994). "Características de la superficie del hielo con plomo". Cartas de investigación geofísica . 99 (C8): 16341–16350. Código bibliográfico : 1994JGR .... 9916341P . doi : 10.1029 / 94JC01194 .
  5. ^ Estilo, RW; Worster, MG (2009). "Formación de flores de escarcha en el hielo marino y el hielo del lago" (PDF) . Cartas de investigación geofísica . 36 (11): L11501. Código Bibliográfico : 2009GeoRL..3611501S . CiteSeerX 10.1.1.586.182 . doi : 10.1029 / 2009GL037304 .  .
  6. ^ a b c Rankin, AM; Auld, V .; Wolff, EW (1 de noviembre de 2000). "Flores de escarcha como fuente de aerosol de sal marina fraccionada en las regiones polares" (PDF) . Cartas de investigación geofísica . 27 (21): 3469–3472. Código Bibliográfico : 2000GeoRL..27.3469R . doi : 10.1029 / 2000GL011771 . ISSN 1944-8007 .  
  7. ↑ a b c d e Álvarez-Avilés, Laura; Simpson, William R .; Douglas, Thomas A .; Sturm, Matthew; Perovich, Donald; Domine, Florent (16 de noviembre de 2008). "Composición química de la flor de escarcha durante el crecimiento y sus implicaciones para la producción de aerosoles y la activación de bromo" . Revista de Investigación Geofísica: Atmósferas . 113 (D21): D21304. Código Bibliográfico : 2008JGRD..11321304A . doi : 10.1029 / 2008JD010277 . ISSN 2156-2202 . 
  8. ^ Martin, S .; Drucker, R .; Fort, M. (1995). "Un estudio de laboratorio del crecimiento de las flores heladas en la superficie del hielo marino joven". Revista de Investigación Geofísica . 100 (C4): 7027. Código bibliográfico : 1995JGR ... 100.7027M . doi : 10.1029 / 94JC03243 .
  9. ^ a b Martin, Seelye; Yu, Yanling; Drucker, Robert (15 de mayo de 1996). "La dependencia de la temperatura del crecimiento de las flores heladas en el hielo marino de laboratorio y el efecto de las flores en las observaciones infrarrojas de la superficie". Revista de Investigación Geofísica: Océanos . 101 (C5): 12111–12125. Código Bibliográfico : 1996JGR ... 10112111M . doi : 10.1029 / 96JC00208 . ISSN 2156-2202 . 
  10. ^ Nelson, J (2001). "Mecanismos de crecimiento para explicar los hábitos primarios y secundarios de los cristales de nieve". Philos. revista Una . 81 (10): 2337–2373. doi : 10.1080 / 01418610010030050 .
  11. ^ Domine, Florent; Taillandier, Anne Sophie; Simpson, William R .; Severin, Ken (1 de julio de 2005). "Superficie específica, densidad y microestructura de las flores heladas". Cartas de investigación geofísica . 32 (13): L13502. Código bibliográfico : 2005GeoRL..3213502D . doi : 10.1029 / 2005GL023245 . ISSN 1944-8007 . 
  12. ^ Perovich, DK; Richter-Menge, JA (1994). "Características de la superficie del hielo de plomo" (PDF) . Revista de Investigación Geofísica . 99 : 16341. Código Bibliográfico : 1994JGR .... 9916341P . doi : 10.1029 / 94JC01194 . Archivado desde el original (PDF) el 17 de febrero de 2013 . Consultado el 29 de agosto de 2015 .
  13. ↑ a b c Rankin, Andrew M .; Wolff, Eric W .; Martin, Seelye (16 de diciembre de 2002). "Flores heladas: implicaciones para la interpretación del núcleo de hielo y la química troposférica". Revista de Investigación Geofísica: Atmósferas . 107 (D23): 4683. Código bibliográfico : 2002JGRD..107.4683R . doi : 10.1029 / 2002JD002492 . ISSN 2156-2202 . 
  14. ^ Koop, T; Kapilashrami, A; Molina, LT; Molina, MJ (2000). "Transiciones de fase de mezclas de agua y sal marina a bajas temperaturas: implicaciones para la química del ozono en las capas fronterizas marinas polares". J. Geophys. Res . 105 (D21): 26393–26402. Bibcode : 2000JGR ... 10526393K . doi : 10.1029 / 2000JD900413 .
  15. ↑ Kaleschke, L .; Richter, A .; Burrows, J .; Afe, O .; Heygster, G .; Notholt, J .; Rankin, AM; Roscoe, HK; Hollwedel, J .; Wagner, T .; Jacobi, H.-W. (2004). "Flores de escarcha en el hielo marino como fuente de sal marina y su influencia en la química halógena troposférica" (PDF) . Cartas de investigación geofísica . 31 (16): L16114. Código Bibliográfico : 2004GeoRL..3116114K . doi : 10.1029 / 2004GL020655 .
  16. ^ Obbard, Rachel W .; Roscoe, Howard K .; Wolff, Eric W .; Atkinson, Helen M. (27 de octubre de 2009). "Superficie de la flor de las heladas y química en función de la salinidad y la temperatura" . Revista de Investigación Geofísica: Atmósferas . 114 (D20): D20305. Código Bibliográfico : 2009JGRD..11420305O . doi : 10.1029 / 2009JD012481 . ISSN 2156-2202 . 
  17. ^ Robert Krulwich (19 de diciembre de 2012). "De repente hay un prado en el océano con 'flores' por todas partes" . NPR . Consultado el 30 de diciembre de 2012 . Eran las tres, tal vez las cuatro de la mañana cuando los vio por primera vez. El estudiante de posgrado Jeff Bowman estaba en la cubierta de un barco; él y un equipo de biología de la Universidad de Washington regresaban del Polo Norte.
  18. ^ Jeff S. Bowman y Jody W. Deming (21 de enero de 2012). "Aumento de la abundancia de bacterias en flores de heladas naturales y cultivadas en laboratorio en condiciones de finales del invierno" (PDF) . Programa de la Facultad de Oceanografía y Astrobiología de la Universidad de Washington. Archivado desde el original (PDF) el 7 de enero de 2013 . Consultado el 30 de diciembre de 2012 . RESUMEN El hielo marino ha sido identificado como un hábitat microbiano importante, con bacterias y otros microbios concentrados en las inclusiones de salmuera entre los cristales de hielo ... La presencia de un número elevado de bacterias en las flores heladas puede tener implicaciones para las reacciones químicas previamente observadas que toman lugar en ellos, especialmente si se puede demostrar que la actividad microbiana ocurre en esta baja temperatura única, poca agua