Medición del hielo marino

La medición del hielo marino es importante para la seguridad de la navegación y para monitorear el medio ambiente , particularmente el clima . La extensión del hielo marino interactúa con grandes patrones climáticos, como la oscilación del Atlántico norte y la oscilación multidecadal del Atlántico , por nombrar solo dos, e influye en el clima en el resto del mundo.

"> Archivo: El hielo marino del Ártico continúa una tendencia de reducción de la extensión máxima.webmReproducir medios
La Dra. Claire Parkinson explica cómo y por qué la NASA estudia el hielo marino del Ártico.
"> Archivo: Extensión anual mínima de hielo marino del Ártico de la Evaluación Nacional del Clima (1978-2012) .ogvReproducir medios
Animación de la extensión mínima anual del hielo marino sobre el Ártico desde 1979 hasta 2012.
"> Archivo: 2013 Daily Arctic Sea Ice de AMSR2 - mayo - septiembre de 2013.ogvReproducir medios
En esta animación, el hielo marino del Ártico diario y el cambio estacional de la cubierta terrestre progresan a lo largo del tiempo, desde el 16 de mayo de 2013 hasta el 12 de septiembre de 2013, cuando el hielo marino alcanzó su área mínima de cobertura para 2013.

La cantidad de cobertura de hielo marino en el Ártico ha sido de interés durante siglos, ya que el Paso del Noroeste fue de gran interés para el comercio y la navegación. Existe una larga historia de registros y mediciones de algunos efectos de la extensión del hielo marino, pero las mediciones completas fueron escasas hasta la década de 1950 y comenzaron con la era de los satélites a fines de la década de 1970. Los registros directos modernos incluyen datos sobre la extensión del hielo, el área del hielo, la concentración, el espesor y la edad del hielo. Las tendencias actuales en los registros muestran una disminución significativa en el hielo marino del hemisferio norte y un aumento pequeño pero estadísticamente significativo en el hielo marino del hemisferio sur en invierno .

Además, la investigación actual comprende y establece conjuntos extensos de registros históricos de varios siglos del hielo marino ártico y subártico y sus usos, entre otros registros de hielo marino paleo-proxy de alta resolución. [1] El hielo marino ártico es un componente dinámico del sistema climático y está vinculado a la variabilidad multidecadal del Atlántico y al clima histórico durante varias décadas. Hay cambios circulares en los patrones del hielo marino, pero hasta ahora no hay patrones claros basados ​​en predicciones de modelos.

Primeras observaciones

Los registros reunidos por los vikingos que muestran el número de semanas por año que se produjo el hielo a lo largo de la costa norte de Islandia se remontan al 870 d.C., pero existe un registro más completo desde 1600. Los registros escritos más extensos del hielo marino del Ártico se remontan a mediados del siglo XVIII. siglo. El más antiguo de esos registros se relaciona con las rutas de navegación del hemisferio norte, pero los registros de ese período son escasos. Los registros de temperatura del aire que se remontan a la década de 1880 pueden servir como un sustituto (proxy) del hielo marino del Ártico, pero dichos registros de temperatura se recopilaron inicialmente en solo 11 ubicaciones. El Instituto de Investigaciones del Ártico y la Antártida de Rusia ha compilado gráficos de hielo que se remontan a 1933. Hoy en día, los científicos que estudian las tendencias del hielo marino del Ártico pueden confiar en un registro bastante completo que se remonta a 1953, utilizando una combinación de registros de satélites, registros de envío y gráficos de hielo de varios países. [2]

En la Antártida, los datos directos anteriores al registro del satélite son aún más escasos. Para tratar de extender el registro histórico de la extensión del hielo marino en el hemisferio sur más atrás en el tiempo, los científicos han estado investigando varias aproximaciones para la extensión del hielo marino. Uno son los registros mantenidos por los balleneros antárticos que documentan la ubicación de todas las ballenas capturadas y se relacionan directamente con las observaciones del hielo marino. Parece haber una abrupta disminución a mediados del siglo XX en la extensión del hielo marino antártico a partir de los registros de caza de ballenas, las estimaciones globales directas de la capa de hielo marino antártico a partir de observaciones satelitales, desde 1970 no proporcionan tendencias claras. [3] Debido a que las ballenas tienden a congregarse cerca del borde del hielo marino para alimentarse, su ubicación podría ser un indicador de la extensión del hielo. Otros sustitutos utilizan la presencia de compuestos orgánicos derivados del fitoplancton y otros rastros de extremófilos [4] en los núcleos de hielo y sedimentos de la Antártida . Dado que el fitoplancton crece más abundantemente a lo largo de los bordes del paquete de hielo, la concentración de estos compuestos orgánicos que contienen azufre y su geoquímica proporcionan indicadores de qué tan lejos se extendía el borde del hielo desde el continente. Hay más conjuntos extensos de registros históricos multicéntricos de hielo marino ártico y subártico y usos, entre otros registros de hielo marino paleoproxy de alta resolución. [1]

Satélites

Satélite DMSP

Los datos satelitales útiles sobre el hielo marino comenzaron en diciembre de 1972 con el instrumento Radiómetro de microondas de barrido eléctrico (ESMR). Sin embargo, esto no fue directamente comparable con el SMMR / SSMI posterior, por lo que el registro práctico comienza a fines de 1978 con el lanzamiento del satélite Radiómetro de microondas multicanal de exploración (SMMR) de la NASA., [5] y continúa con el sensor especial de microondas / generador de imágenes. (SSMI). Radiómetro de barrido de microondas avanzado (AMSR) y Cryosat-2 proporcionan registros separados.

Desde 1979, los satélites han proporcionado un registro continuo y consistente del hielo marino. [6] Sin embargo, el registro se basa en unir las mediciones de una serie de diferentes instrumentos satelitales, lo que puede conducir a errores asociados con la intercalibración en los cambios del sensor. [7] Las imágenes de satélite del hielo marino se obtienen a partir de observaciones de la energía de microondas irradiada desde la superficie de la Tierra. Debido a que el agua del océano emite microondas de manera diferente al hielo marino, el hielo "se ve" diferente del agua para el sensor satelital; consulte el modelo de emisividad del hielo marino . Las observaciones se procesan en elementos de imagen digital o píxeles. Cada píxel representa un área de superficie cuadrada en la Tierra. Los primeros instrumentos proporcionaron una resolución de aproximadamente 25 kilómetros por 25 kilómetros; instrumentos posteriores más altos. Los algoritmos examinan las emisiones de microondas y sus polarizaciones verticales y horizontales, y estiman el área de hielo. [2]

El hielo marino puede considerarse en términos de volumen total o en términos de cobertura de área. El volumen es más difícil, porque requiere un conocimiento del espesor del hielo, que es difícil de medir directamente; esfuerzos como PIOMAS [8] utilizan una combinación de observaciones y modelos para estimar el volumen total.

Hay dos formas de expresar la capa de hielo polar total: área de hielo y extensión de hielo. Para estimar el área de hielo, los científicos calculan el porcentaje de hielo marino en cada píxel, lo multiplican por el área de píxel y suman las cantidades. Para estimar la extensión del hielo, los científicos establecen un porcentaje de umbral y cuentan cada píxel que alcanza o supera ese umbral como "cubierto de hielo". El umbral común es el 15 por ciento. [2]

El enfoque basado en umbrales puede parecer menos preciso, pero tiene la ventaja de ser más coherente. Cuando los científicos analizan datos satelitales, es más fácil decir si hay o no al menos un 15 por ciento de capa de hielo en un píxel que decir, por ejemplo, si la capa de hielo es del 70 o del 75 por ciento. Al reducir la incertidumbre en la cantidad de hielo, los científicos pueden estar más seguros de que los cambios en la capa de hielo marino a lo largo del tiempo son reales. [2]

Un análisis cuidadoso de los ecos altimétricos de los radares satelitales puede distinguir entre los que se dispersan desde el océano abierto, el hielo nuevo o el hielo de varios años. La diferencia entre la elevación de los ecos de la nieve / hielo marino y el agua abierta da la elevación del hielo sobre el océano; el espesor del hielo se puede calcular a partir de esto. [9] La técnica tiene una resolución vertical limitada, tal vez 0,5 m, y se confunde fácilmente con la presencia de incluso pequeñas cantidades de agua abierta. Por lo tanto, se ha utilizado principalmente en el Ártico, donde el hielo es más grueso y continuo.

Submarinos

A partir de 1958, los submarinos de la Armada de los EE. UU. Recopilaron perfiles de sonar orientados hacia arriba , para la navegación y la defensa, y convirtieron la información en estimaciones del espesor del hielo. [10] Los datos de los submarinos estadounidenses y de la Royal Navy disponibles en el NSIDC incluyen mapas que muestran las huellas de los submarinos. Los datos se proporcionan como perfiles de corrientes de hielo y estadísticas derivadas de los datos del perfil. Los archivos de estadísticas incluyen información sobre las características del calado del hielo, las quillas, el nivel del hielo, las pistas, el hielo deformado y no deformado. [11]

Boyas

Los participantes del Programa Internacional de boyas árticas y su hermano, el Programa internacional de boyas antárticas, colocan boyas en el hielo para medir las propiedades del hielo y las condiciones climáticas . Las boyas pueden tener sensores para medir la temperatura del aire , la presión atmosférica , la posición de la boya, el crecimiento / derretimiento del hielo, la temperatura del hielo, las corrientes oceánicas , el movimiento del hielo marino, la presión a nivel del mar, la temperatura de la superficie del mar, la temperatura de la piel, la temperatura del aire en la superficie, los vientos en la superficie y la temperatura del agua. . [12] [13] [14]

Sonar que mira hacia arriba

Los dispositivos de sonar orientados hacia arriba (ULS) se pueden implementar bajo el hielo polar durante un período de meses o incluso años, y pueden proporcionar un perfil completo del espesor del hielo para un solo sitio.

Observaciones auxiliares

Las observaciones auxiliares del hielo marino se realizan desde estaciones costeras, barcos y aviones .

Aunque en los últimos años los datos de teledetección han llegado a desempeñar un papel importante en el análisis del hielo marino, todavía no es posible compilar una imagen completa y precisa de las condiciones del hielo marino a partir de esta fuente de datos únicamente. Las observaciones auxiliares del hielo marino desempeñan un papel importante a la hora de confirmar la información del hielo detectada a distancia o proporcionar correcciones importantes a la imagen general de las condiciones del hielo. [15]

La observación auxiliar más importante del hielo marino es la ubicación del borde del hielo. Su valor refleja tanto la importancia de la ubicación del borde del hielo en general como la dificultad de localizar con precisión el borde del hielo con datos de teledetección. También es útil proporcionar una descripción del borde del hielo en términos de indicaciones de congelación o descongelación, avance o retroceso impulsado por el viento y compacidad o difusión. Otra información auxiliar importante incluye la ubicación de los icebergs , témpanos , islas de hielo, hielo viejo, crestas y montículos. Estas características del hielo están mal monitoreadas por técnicas de teledetección, pero son aspectos muy importantes de la capa de hielo. [15]

Extensión del hielo marino

El hielo marino en el Océano Ártico varía con las estaciones.

La extensión del hielo marino es el área del mar con una cantidad específica de hielo, generalmente el 15%. Para los sensores de microondas satelitales, el derretimiento de la superficie parece ser agua abierta en lugar de agua sobre el hielo marino. Entonces, aunque son confiables para medir el área la mayor parte del año, los sensores de microondas tienden a subestimar la concentración real de hielo y el área cuando la superficie se está derritiendo. [dieciséis]

Zona de hielo marino

Para estimar el área de hielo, los científicos calculan el porcentaje de hielo marino en cada píxel, lo multiplican por el área de píxel y suman las cantidades. Para estimar la extensión del hielo, los científicos establecen un porcentaje de umbral y cuentan cada píxel que alcanza o supera ese umbral como "cubierto de hielo". El Centro Nacional de Datos de Nieve y Hielo , uno de los Centros de Archivos Activos Distribuidos de la NASA, monitorea la extensión del hielo marino usando un umbral del 15 por ciento. [2]

Concentración de hielo marino

La concentración de hielo marino es el porcentaje de un área que está cubierta de hielo marino. [2]

Espesor del hielo marino

El espesor del hielo marino aumenta con el tiempo y aumenta cuando los vientos y las corrientes empujan el hielo juntos. El satélite Cryosat-2 de la Agencia Espacial Europea se lanzó en abril de 2010 en una búsqueda para mapear el grosor y la forma de la capa de hielo polar de la Tierra. Su único instrumento, un altímetro de radar interferométrico / SAR, es capaz de medir el francobordo del hielo marino .

Era del hielo marino

La edad del hielo es otro descriptor clave del estado de la capa de hielo marino, ya que el hielo más antiguo tiende a ser más grueso y resistente que el hielo más joven. El hielo marino rechaza la sal con el tiempo y se vuelve menos salado, lo que resulta en un punto de fusión más alto . [5] Un enfoque simple de dos etapas clasifica el hielo marino en hielo de primer año y de varios años. El primer año es el hielo que aún no ha sobrevivido a una temporada de deshielo de verano, mientras que el hielo de varios años ha sobrevivido al menos un verano y puede tener varios años. [17] Ver procesos de crecimiento del hielo marino .

Balance de masa de hielo marino

Medición del balance de masa del hielo marino

El balance de masa de hielo marino es el balance de cuánto crece el hielo en el invierno y se derrite en el verano. En el caso del hielo marino del Ártico, prácticamente todo el crecimiento se produce en el fondo del hielo. El derretimiento ocurre tanto en la parte superior como en la inferior del hielo. En la gran mayoría de los casos, toda la nieve se derrite durante el verano, por lo general en solo un par de semanas. El balance de masa es un concepto poderoso ya que es el gran integrador del balance de calor. Si hay un aumento neto de calor, entonces el hielo se adelgazará. Un enfriamiento neto dará como resultado un hielo más espeso. [18]

Hacer mediciones directas del balance de masa es simple. Se utiliza una serie de estacas y medidores de espesor para medir la ablación y la acumulación de hielo y nieve en la parte superior e inferior de la capa de hielo. A pesar de la importancia de las mediciones de balance de masa y del equipo relativamente simple involucrado en su realización, existen pocos resultados de observación. Esto se debe, en gran parte, al gasto que implica el funcionamiento de un campamento de campo a largo plazo que sirva de base para estos estudios. [18]

Volumen de hielo marino

Azul: variación estacional y disminución a largo plazo del volumen de hielo marino del Ártico según lo determinado por modelos numéricos respaldados por mediciones. [19] [20]

No existen mediciones del volumen de hielo marino en todo el Ártico ni en toda la Antártida, pero el volumen del hielo marino en el Ártico se calcula utilizando el Sistema de asimilación y modelado del océano de hielo panártico (PIOMAS) desarrollado en la Universidad de Washington en Física Aplicada. Laboratorio / Centro de Ciencias Polares. PIOMAS combina las concentraciones de hielo marino observadas por satélite en cálculos de modelos para estimar el espesor y el volumen del hielo marino. La comparación con observaciones submarinas, de amarre y satelitales ayuda a aumentar la confianza de los resultados del modelo. [21]

ICESat era un satélite equipado con altímetro láser, que podía medir el francobordo de los flujos de hielo. [22] [23] Su período de servicio activo fue de febrero de 2003 a octubre de 2009. Junto con un conjunto de datos auxiliares como la densidad del hielo, el espesor de la capa de nieve, la presión del aire, la salinidad del agua, se puede calcular el espesor del flujo y por lo tanto su volumen. Sus datos se han comparado con los datos respectivos de PIOMAS y se ha encontrado una concordancia razonable. [24]

Cryosat-2 , lanzado en abril de 2010, tiene la capacidad de medir el francobordo de los flujos de hielo, al igual que ICESat , solo que utiliza un radar en lugar de pulsos de láser. Los datos se calculan con el modelo PIOMAS.

Los registros confiables y consistentes para todas las estaciones solo están disponibles durante la era de los satélites, desde 1979 en adelante.

Hemisferio norte

1870-2000 Extensión del hielo marino del hemisferio norte en millones de kilómetros cuadrados. El sombreado azul indica la era anterior a los satélites; los datos entonces son menos confiables. En particular, la extensión del nivel casi constante en el otoño hasta 1940 refleja la falta de datos más que una falta real de variación.

Según las mediciones científicas, tanto el espesor como la extensión del hielo marino de verano en el Ártico han mostrado una disminución dramática en los últimos treinta años. [dieciséis]

Hemisferio sur

Los registros anteriores a la era de los satélites son escasos. William K. de la Mare, 1997, en Disminución abrupta de mediados del siglo XX en la extensión del hielo marino antártico a partir de registros de caza de ballenas [3] encontró un desplazamiento hacia el sur en el borde del hielo basado en registros de caza de ballenas; estos hallazgos han sido cuestionados, pero los trabajos posteriores de de la Mare y Cotte apoyan la misma conclusión. [25] [26]

Las tendencias del hielo marino antártico derivadas de satélites muestran un aumento pronunciado en el sector del Pacífico central entre un 4% y un 10% por década y una disminución en el sector de Bellingshausen / Weddell occidental con porcentajes similares pero menor extensión. Existe una estrecha conexión con la Oscilación Antártica de los impactos posteriores y de las polaridades positivas de El Niño-Oscilación del Sur (ENSO) para este último. La magnitud de los cambios en el hielo asociados con la AAO y ENSO es menor que las tendencias regionales del hielo y los procesos locales (o menos entendidos a gran escala) aún deben investigarse para obtener explicaciones completas. [27]

Uso de 1981 a 2010 como línea de base

Los científicos utilizan el promedio de 1981 a 2010 porque proporciona una línea de base consistente para las comparaciones de año a año de la extensión del hielo marino. Treinta años se considera un período de referencia estándar para el tiempo y el clima, y ​​el registro satelital es ahora lo suficientemente largo como para proporcionar un período de referencia de treinta años. [28]

  • Amplificación polar
  • Vórtice polar

  1. ^ a b Señal de variabilidad persistente multidecadal en registros de hielo marino invernal: vínculos con la oscilación multidecadal atlántica, Miles, Martin et al., 42.o Taller internacional anual sobre el Ártico se llevará a cabo del 7 al 9 de marzo de 2012 en Winter Park, Colorado
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  • Centro Nacional de Datos de Nieve y Hielo Noticias y Análisis del Hielo Marino Ártico