El pasado septiembre de este año salió un artículo interesante en el New York Times titulado: “Qué podríamos perder si una misión climática de la NASA terminara?” Recomiendo mucho esta lectura (haz click aquí si te interesa leerla o contáctame para que te envíe una copia del artículo. Nota que está disponible solamente en inglés). El artículo trata de la misión satelital de la NASA llamada GRACE (“Gravity Recovery and Climate Experiment”, por su nombre en inglés), cuyas mediciones han sido una parte esencial de mi carrera como oceanóloga desde la maestría, y continuarán siendo parte de mi trabajo, especialmente durante mis visitas a la ciudad de Longyearbyen, aquí en Noruega.

Aquí explico brevemente para qué sirve GRACE, cómo funciona, y doy ejemplos de su aplicación en investigación de índole climático, incluyendo algunos que afectan directamente a nuestra sociedad.  También doy un ejemplo de cómo he utilizado GRACE recientemente para investigar procesos de circulación en el océano Ártico.

GRACE mide los cambios de gravedad en la Tierra, así que empecemos por hablar de la gravedad: esa fuerza invisible que hace que las cosas caigan al suelo. Aprendemos de la gravedad a muy temprana edad: Evan es un excelente usuario de la gravedad con su comida desde su periquera. Con los años, aprendemos que esta fuerza atrae dos cuerpos (o masas) entre ellos(as). Pero esta fuerza no es la misma en todas partes de la tierra en un momento dado. Por ejemplo, una montaña tiene más masa – y consecuentemente mayor atracción gravitacional – que un valle (ve la figure de arriba). Además, esta fuerza no es la misma todo el tiempo en un lugar dado: la gravedad varía con el tiempo porque la masa de cualquier región en la superficie del planeta cambia constantemente, principalmente debido al ciclo del agua. Por ejemplo, la misma montaña tendrá más masa (y por consiguiente mayor atracción gravitacional) cuando está cubierta de nieve durante el invierno, que cuando está sin nieve durante el verano.

Generalmente el agua se trasporta y distribuye entre mar y tierra. Por ejemplo, los glaciares (e.g., Groenlandia, Antártica y aquéllos de Alaska, entre otros) pierden masa al derretirse, y ésta va a dar al mar. De esta forma, el mar aumenta su masa, que es uno de los dos procesos que contribuyen al incremento del nivel medio del mar (el otro proceso es la expansión térmica del volumen del mar debido al aumento de su temperatura). Extracción de agua subterránea para uso humano también disminuye masa de esa región, causando, entre otros problemas, sequías. Un ejemplo de este fenómeno es la sequía de años recientes en el estado de California, en Estados Unidos. De acuerdo a la USGS (United States Geological Survey), la sequía de California continúa a la fecha, a pesar de la reciente acumulación de nieve en las montañas y las lluvias que ha llenado reservorios. Esto se debe a que los mantos acuíferos tardan mucho más tiempo en recuperar el agua extraída que lo que tardan en recuperarse los reservorios superficiales. Desde marzo del 2002, todos estos cambios importantes de masa – en mar y en tierra – han sido medidos desde el espacio, gracias a GRACE.

GRACE consiste en dos satélites idénticos que vuelan sobre la misma órbita, uno siguiendo al otro (ve la imagen de arriba), con una separación promedio de aprox. 200km. Cuando el primer satélite o el “líder” detecta una región de mayor masa en la Tierra, éste se atrae a la masa y acelera en su órbita, separándose un poco más de su satélite gemelo que le sigue atrás. La distancia entre los satélites no se reduce de nuevo sino hasta que el segundo siente esa misma región de mayor masa (y por lo tanto es más atraído gravitacionalmente), y entonces acelera también. Del mismo modo, sobre regiones de menor masa, los satélites disminuyen su velocidad en órbita porque la menor masa disminuye su atracción gravitacional. Pero el satélite líder disminuye primero, y el que le sigue lo hace hasta que siente la misma reducción de masa que el líder sintió. Los satélites están equipados con instrumentos que miden la distancia entre ellos constantemente y muy precisamente. Con conocimiento de la posición exacta de los satélites a todo momento (usando los sistemas geo-posicionadores o GPS, por sus siglas en inglés), estas distancias se convierten en mapas globales de cambios temporales de masa (y por tanto de gravedad), tanto en tierra como en mar.

Usando datos de cambios de masa en el océano (o de presión en el fondo del océano, como mencioné en mi entrada 3 de este blog) medidos por GRACE, mi colega, la Dra. Rebecca Woodgate, y yo descubrimos recientemente que aprox. 2/3 de las variaciones en la velocidad del agua entrando por el estrecho de Bering (entre Alaska y Rusia) durante el verano, son controladas por cambios de masa oceánica (que aquí es equivalente al nivel del mar) en el Mar del Este de Siberia (MES, en el Ártico ruso). Acabamos de entregar un manuscrito con estos resultados para ser publicado en una revista científica. Para detalles adicionales, el artículo ha sido publicado y lo puedes encontrar aquí, o mándame un mensaje si quieres que te envíe una copia en PDF.

¿Y por qué es importante estudiar el agua que entra del Pacífico al Ártico? Comparado con el agua muy salada del Atlántico (>34 partes de sal por mil partes de agua, correspondiente a unidades prácticas de salinidad o psu, por sus siglas en inglés) que entra al Ártico por el estrecho de Fram (recuerda mi entrada 3), el agua del Pacífico que entra al Ártico por el estrecho de Bering se considera dulce (<33psu). De hecho, el agua del Pacífico es una de las tres fuentes principales de agua dulce en el Ártico, junto con el agua derretida del hielo marino, y el agua meteórica (ríos y lluvia o nieve). El agua dulce del Ártico, sus cambios temporales y distribución en el océano, así como su exportación hacia el Atlántico, afecta ecosistemas, intercambios de gases entre el océano y la atmósfera, acidificación del océano, la capa de hielo marino, circulación global del océano y el clima. Estos son sólo algunos ejemplos de por qué es importante estudiar el flujo oceánico que entra al Ártico por el estrecho de Bering.

El estrecho de Bering es mucho menos profundo (aprox. 50m) y más angosto (aprox. 80km) que el estrecho de Fram (aprox. 3000m de profundidad y 350km de ancho), convirtiendo al de Bering en un lugar obvio (y comparativamente más fácil) para medir propiedades del agua que entra al Ártico.  Es aceptado por la comunidad científica que hay dos factores principales que controlan cuánta agua circula por el estrecho de Bering: 1) vientos locales y 2) la diferencia del nivel del mar entre el Pacífico (mayor nivel) que el Ártico (menor nivel). Durante el invierno, los vientos locales son fuertes y controlan la mayor parte del flujo oceánico: Vientos hacia el norte incrementan el flujo hacia el Ártico, y vientos hacia el sur disminuyen (o incluso revierten) el flujo oceánico por el estrecho.  Durante el verano, los vientos locales son débiles, por lo que se espera que el segundo factor mencionado – el de la diferencia de nivel del mar entre los océanos Pacífico y Ártico. Y nuestros resultados demuestran que así es. Con base en análisis estadístico, descubrimos que:

  • La mayor parte de los cambios de presión al fondo del océano (o masa océanica) medidos por GRACE en la región a 1000km al norte y al sur del estrecho de Bering, ocurren en el Mar del Este de Siberia (MES, ve el mapa de arriba para guiarte) durante el verano, y tanto en el MES como en el Bering Sea durante el invierno.
  • Estos cambios de masa están altamente asociados a los cambios de velocidad de la corriente que se ha medido en el estrecho desde los años 90s (usando instrumentos anclados en el fondo del océano), como parte del programa del Estrecho de Bering de la Universidad de Washington, dirigido por mi colega, la Dra. Woodgate.
  • Los cambios de masa océanica en el Mar del Este de Siberia son, a su vez, controlados por vientos en el Ártico (ve la figura de arriba).

En resumen, usando GRACE hemos finalmente descubierto las características del segundo factor que controla la cantidad de agua que entra al Ártico por el estrecho de Bering – detalles que habían sido desconocidos hasta hoy. Ahora podemos medir estos efectos, monitorear los cambios, e idealmente modelarlos y pronosticarlos. Nada de esto sería posible sin GRACE.  Y a pesar de que GRACE está por finalizar su misión este año (¡ha funcionado más de 15 años, cuando fue inicialmente hecha para funcionar 5 años!), una nueva misión llamada GRACE Follow-On se lanzará al espacio en el 2018, gracias a la colaboración internacional entre Estados Unidos y Alemania. Como el artículo del New York Times indica: “Estamos viviendo al inicio de una era oscura con calentamiento climático. Pero también estamos viviendo en una era dorada de datos ambientales, en la que nuestra tecnología en el espacio puede generar mediciones sorprendentes con importantes aplicaciones y beneficios.” Esperemos que Estados Unidos continúe con el “deseo de seguir invirtiendo en ciencias de la tierra y continuar con estas mediciones” tan importantes para nuestra sociedad.