Matemáticas frías, tema candente: la teoría aplicada ofrece nuevos conocimientos sobre la conductividad térmica del hielo marino

Una nueva teoría matemática aplicada podría mejorar nuestra comprensión de cómo el hielo marino afecta el clima global, mejorando potencialmente la precisión de las predicciones climáticas.

Los autores de un nuevo artículo publicado en el Actas de la Royal Society A: Ciencias matemáticas y físicasofrecen nuevos conocimientos sobre cómo viaja el calor a través del hielo marino, un factor crucial en la regulación del clima polar de la Tierra.

La Dra. Noa Kraitzman, profesora titular de Matemáticas Aplicadas en la Universidad Macquarie y autora principal del estudio, dice que la investigación aborda una brecha clave en el modelado climático actual.

«El hielo marino cubre aproximadamente el 15% de la superficie del océano durante la estación más fría, cuando se encuentra en su mayor parte», afirma el Dr. Kraitzman. «Es una capa delgada que separa la atmósfera del océano y es responsable de la transferencia de calor entre ambos».

El hielo marino actúa como una manta aislante sobre el océano, reflejando la luz solar y moderando el intercambio de calor. A medida que aumentan las temperaturas globales, comprender cómo se comporta el hielo marino será cada vez más importante para predecir el cambio climático.

El estudio se centra en la conductividad térmica del hielo marino, un parámetro crítico utilizado en muchos modelos climáticos globales. El movimiento de salmuera líquida dentro del hielo marino, que potencialmente puede aumentar su transporte de calor, no se tuvo en cuenta en los modelos anteriores.

El Dr. Kraitzman dice que la estructura única del hielo marino, junto con su sensible dependencia de la temperatura y la salinidad, significa que es difícil medir y predecir sus propiedades, específicamente su conductividad térmica.

«Cuando observas el hielo marino a pequeña escala, lo que lo hace interesante es su estructura compleja, porque está formado por hielo, burbujas de aire e inclusiones de salmuera.

«Como la atmósfera sobre el océano se vuelve extremadamente fría, por debajo de los menos 30 grados Celsius, mientras que el agua del océano permanece a aproximadamente menos dos grados, esto crea una gran diferencia de temperatura y el agua se congela de arriba hacia abajo.

«A medida que el agua se congela rápidamente, expulsa la sal y crea una matriz de hielo de agua puramente congelada que captura burbujas de aire y bolsas de agua muy salada, llamadas inclusiones de salmuera, rodeadas de hielo casi puro».

Estas densas inclusiones de salmuera son más pesadas que el agua dulce del océano, lo que genera un flujo convectivo dentro del hielo, creando grandes «chimeneas» por donde fluye la sal líquida.

La investigación se basa en un trabajo de campo previo realizado por Trodahl en 1999, que sugirió por primera vez que el flujo de fluidos dentro del hielo marino podría mejorar su conductividad térmica. El equipo del Dr. Kraitzman ahora ha proporcionado una prueba matemática de este fenómeno.

«Nuestros cálculos matemáticos demuestran claramente que se debería esperar un aumento de este tipo una vez que comience el flujo convectivo dentro del hielo marino», afirma el Dr. Kraitzman.

El modelo también ofrece una manera de relacionar las propiedades térmicas del hielo marino con su temperatura y contenido de sal, lo que permite comparar los resultados teóricos con las mediciones.

En concreto, proporciona una herramienta que puede utilizarse en modelos climáticos a gran escala, lo que potencialmente puede conducir a predicciones más precisas de las condiciones futuras en las regiones polares.

El hielo marino del Ártico ha ido disminuyendo rápidamente en las últimas décadas. Esta pérdida de hielo puede dar lugar a un ciclo de retroalimentación: a medida que más agua oscura del océano queda expuesta, absorbe más luz solar, lo que conduce a un mayor calentamiento y pérdida de hielo.

La pérdida de hielo marino puede afectar los patrones climáticos, la circulación oceánica y los ecosistemas marinos mucho más allá de las regiones polares.

El Dr. Kraitzman dice que comprender la conductividad térmica del hielo marino es importante para predecir su futuro.

Los investigadores señalan que si bien su modelo proporciona un marco teórico, se necesita más trabajo experimental para integrar estos hallazgos en modelos climáticos a gran escala.

El estudio fue realizado por matemáticos de la Universidad Macquarie en Australia, la Universidad de Utah y el Dartmouth College, New Hampshire en Estados Unidos.