≫ Determinación de climas pasados: ¿qué pasa con eso?

Reenviado de Climate Etc. de la Dra. Judith Curry.

Publicado en 16 de junio de 2020 por curryja

La espectrometría de masas es esencial para la investigación en ciencias del clima.

Comprender el clima requiere tener suficiente conocimiento sobre el clima pasado y sobre los factores importantes que influyen en el clima actual, de modo que se puedan desarrollar modelos confiables para predecir el clima futuro.

La química analítica permite medir la composición química de los materiales, desde las cantidades de elementos y sus isótopos en una muestra hasta la identidad y concentración de sustancias en los organismos biológicos más complejos.

Esta serie de dos partes cubre la aplicación de una poderosa tecnología de química analítica, la espectrometría de masas, a dos áreas importantes en la ciencia del clima:

Obtención de información fiable sobre el clima pasado
Comprender la composición y el comportamiento de los aerosoles, que tienen un gran impacto en el clima

Los ejemplos que se incluyen para cada tema se seleccionaron de muchos artículos publicados sobre el estudio del clima mediante espectrometría de masas, en parte porque presentan una amplia gama de tipos de estos instrumentos. Los autores fueron de gran ayuda al proporcionarme información sobre su trabajo.[1]

¡La tecnología descrita en este ensayo a veces puede ser bastante complicada! Sin embargo, espero que los resultados de cada estudio sean comprensibles.

Parte 1: Determinación del clima pasado

La información sobre el clima pasado es bastante limitada. Los registros de temperatura atmosférica obtenidos mediante satélites y que cubren casi toda la tierra comienzan solo en 1979. Los registros de temperatura superficial cubren solo una pequeña porción de la tierra, quizás el 15% se remonta a aproximadamente 1900, y mucho menos antes de eso. Las boyas Argo se desplegaron hace unos 15 años y cubren gran parte de los océanos, que antes tenían una cobertura mínima. La información sobre aspectos del clima pasado distintos de las temperaturas es aún más limitada.

La química analítica proporciona información mejorada sobre el clima pasado, por ejemplo:

Temperaturas, cambios en el clima y fenómenos meteorológicos extremos
Concentraciones de CO2 y otros componentes atmosféricos
Extensión del hielo marino y los glaciares a lo largo del tiempo
Impacto de eventos geológicos como erupciones volcánicas y terremotos

El primer paso para estudiar una muestra que se formó en el pasado (como un fósil o una capa de sedimento debajo de los materiales del océano que tiene más de unos pocos cientos de años y no tiene información adjunta) es determinar su edad.

La forma más común de hacer esto es usar espectrometría de masas para medir una proporción de isótopos elementales que depende de la edad. El carbono se usa a menudo para fechar muestras que alguna vez estuvieron vivas, como plantas o artefactos hechos de madera, ya que sus principales isótopos, carbono-12 (¹²C) y carbono-13 (¹³C), son estables, mientras que el carbono-14 (¹⁴C) es radiactivo, con una vida media de unos 5700 años. El suministro de ¹⁴El C en el aire se repone constantemente por los rayos cósmicos que golpean el nitrógeno-14, pero una vez que un organismo muere, el ¹⁴La fracción C disminuirá constantemente. [i]

La espectrometría de masas es una técnica preferida para medir proporciones de isótopos de elementos y determina de manera confiable la fracción de ¹⁴C en la muestra que vivió una vez y, por lo tanto, la edad al final de su vida hasta hace unos 20.000 años, y posiblemente algo antes. Para muestras más antiguas se deben utilizar otros elementos, para la ¹⁴La fracción C es demasiado pequeña para medirse de forma fiable.

Varios otros elementos tienen isótopos radiactivos de vida prolongada que ocurren naturalmente y que podrían usarse para determinar la edad de una muestra más antigua. El potasio, por ejemplo, es un elemento ampliamente distribuido con concentraciones sustanciales en toda la tierra. Potasio-40 (⁴⁰K) es un isótopo de vida muy larga (1250 millones de años) con (inusualmente) dos formas de descomposición, una a argón-40 estable y la otra a calcio-40 estable.

El argón en la atmósfera contiene el ⁴⁰Ar producido durante la vida de la tierra. Sin embargo, si la descomposición ocurre en un sólido que no contenía aire cuando se solidificó y no permite que escape el argón producido por la descomposición del potasio, entonces la cantidad de ⁴⁰Ar refleja la fecha en que tuvo lugar la solidificación.[ii]

También se puede medir lo contrario: la cantidad de ⁴⁰Ar en el aire atrapado en el hielo reflejará la edad a la que se formó el hielo. [iii] Esta técnica de espectrometría de masas se ha utilizado recientemente para determinar la edad de muestras a diferentes profundidades en un núcleo de hielo antártico (Figura 1).[iv] [v] Luego, los autores de estos estudios midieron las cantidades de diferentes gases atmosféricos en esas muestras y las trazaron en función de la edad de la muestra (Figura 2).

Figura 1: Edad de las muestras tomadas a la profundidad indicada por debajo de la superficie del núcleo de hielo

Figura 2: Resultados de gases atmosféricos clave en función de la edad del núcleo del hielo (se utilizaron varias técnicas para medir los gases)

La espectrometría de masas se usa a menudo para estudiar temperaturas pasadas. La proporción del isótopo traza oxígeno-18 (¹⁸O) al isótopo más común oxígeno-16 (^dieciséisO) en un organismo que alguna vez estuvo vivo depende de la temperatura del aire en el momento en que el oxígeno se incorporó al organismo por medio del metabolismo. La relación se mide utilizando espectrometría de masas. Cuanto mayor sea la temperatura, menor será la fracción de ¹⁸O en el organismo que alguna vez estuvo vivo.

Se llevó a cabo un estudio representativo sobre moluscos encontrados en capas de sedimentos cerca de la costa noroeste de Islandia, que abarca el período del 350 a. C. al 1600 d. C. Las capas en las conchas reflejaron las temperaturas durante todo el año en las que los moluscos habían vivido (Figura 3). . A partir de tales datos sobre muchas muestras en diferentes capas de los sedimentos, los autores construyeron un gráfico de temperaturas durante ese período de tiempo. En particular, pudieron correlacionar estas temperaturas con registros históricos en Islandia desde 865 hasta 1600 (Figura 4). Los autores señalaron que “Sobre la base de δ¹⁸O datos, las temperaturas del agua reconstruidas para el Período Cálido Romano en Islandia son más altas que las temperaturas registradas en los tiempos modernos”.[vi]

Figura 3: Ejemplo de temperaturas derivadas de un caparazón que vivió cuatro veranos (S) y tres inviernos (O)

Figura 4: Variación de temperaturas desde el Período Cálido Romano hasta ~1800 dC. La información de documentos históricos se encuentra en la parte superior derecha.

Otro estudio que utilizó espectrometría de masas para determinar temperaturas utilizando relaciones de isótopos de oxígeno se llevó a cabo en fiordos en Suecia, cubriendo un período de 2500 años. Uno de los fiordos está en la costa norte de Suecia (Océano Atlántico) y el otro en el suroeste (Mar del Norte cerca de Dinamarca). Los autores afirman:

“El registro demuestra un calentamiento durante el Período Cálido Romano (~350 a. C. – 450 d. C.), variable BWT [bottom water temperatures] durante la Edad Media (~450 – 850 CE), anomalías BWT positivas durante la Era Vikinga/Anomalía Climática Medieval (~850 – 1350 CE) y un enfriamiento a largo plazo con una variabilidad multidecadal distintiva durante la Pequeña Edad de Hielo (~1350 – 1850 CE). El registro BWT del fiordo también recoge el calentamiento contemporáneo del siglo XX (presentado aquí hasta 1996), que no destaca en la perspectiva de 2500 años y es de la misma magnitud que el Período Cálido Romano y la Anomalía Climática Medieval.[vii]”

Los autores de este estudio incluyen un gráfico que relaciona su información de temperatura con otras del Atlántico Norte (Figura 5).

Figura 5: Temperaturas del agua del fondo para diferentes lugares en el Océano Atlántico Norte que se remontan a aproximadamente 350 a. Las abreviaturas se muestran en la parte superior del gráfico: RWP representa el Período Cálido Romano, DA representa la Edad Oscura, VA/MCA representa la Era Vikinga/Anomalía Climática Medieval y LIA representa la Pequeña Edad de Hielo.

Las proporciones de oxígeno permiten estimar temperaturas para organismos que alguna vez vivieron. Es importante destacar que permiten hacerlo durante todo el año. Los diámetros de los anillos de los árboles, que a veces se usan para estimar las temperaturas pasadas, reflejan principalmente las temperaturas durante la temporada de crecimiento y también están influenciados por factores como la lluvia y la ubicación (por ejemplo, por encima o por debajo de la línea de árboles en un momento dado).

Un estudio reciente proporciona un uso diferente de las proporciones de isótopos de oxígeno para estudiar el clima pasado: ¿los volcanes tienen un impacto en los principales factores climáticos como El Niño – Oscilación del Sur (ENOS)? Algunos estudios han sugerido que las grandes erupciones volcánicas pueden afectar el ciclo ENSO, pero solo unos pocos eventos de este tipo tienen datos meteorológicos relevantes. Los corales fósiles en las regiones impactadas por ENSO que datan de siglos atrás tienen capas mensuales bien definidas. Fueron fechados por espectrometría de masas. utilizando relaciones U/Th. Luego, las mediciones de oxígeno-18 para estas capas permiten estimar las temperaturas que coinciden con los principales volcanes.

Los resultados se combinaron con estudios previos para producir un registro de temperatura que abarca desde ~1100 a ~2000 CE. Se cartografiaron seis volcanes principales en este período de tiempo contra las temperaturas (Figura 6). No se encontró evidencia de que los volcanes hayan causado un evento ENOS. [viii]

Figura 6: Coral δ18O mediciones de temperaturas para seis grandes erupciones volcánicas en los últimos 900 años, con líneas en la parte inferior que muestran el grado en que los aerosoles estratosféricos redujeron la luz solar descendente durante los volcanes

Conclusión de la primera parte

Esto completa la primera publicación sobre aplicaciones de la espectrometría de masas a la ciencia del clima. La segunda publicación se centrará en estudios de factores que deben comprenderse para poder desarrollar modelos climáticos confiables, con énfasis en la investigación sobre aerosoles.

Notas finales

[1] Las figuras y gráficos y otra información de los artículos son propiedad de los autores y editores.

[i] https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon-14

[ii] https://www.radioactividad.eu.com/site/pages/Potasio_40.htm

[iii] ML Bender, et al., “La tasa de desgasificación contemporánea de ⁴⁰Ar de la tierra sólida”, PNAS (2008) 1058232-8237 https://www.pnas.org/content/105/24/8232

[iv] JA Higgins, et al., «Composición atmosférica hace 1 millón de años del hielo azul en Allan Hills, Antártida», PNAS (2015) 1126887-6891 https://www.pnas.org/content/112/22/6887

[v] Y. Yan, et al., «Instantáneas de gases atmosféricos del hielo antártico de hace dos millones de años», Naturaleza (2019) 574663-663 https://www.nature.com/articles/s41586-019-1692-3 y https://www.nature.com/articles/d41586-019-03199-8

[vi] WP Patterson, KA Dietrich, C. Holmden y JT Andrews, «Dos milenios de estacionalidad del Atlántico Norte e implicaciones para las colonias nórdicas» PNAS (2010) 1075306-5310 https://www.pnas.org/content/107/12/5306

[vii] IP Asteman, HL Filipsson y K. Nordberg, «Rastreo de las temperaturas invernales durante los últimos dos milenios utilizando un registro costero del Atlántico nororiental», Clima del pasado (2018) 141097–1118. https://doi.org/10.5194/cp-14-1097-2018

[viii] SG Dee, et al., “Ninguna respuesta consistente de ENOS al forzamiento volcánico durante el último milenio” Ciencias (2020), 3671477-1481 https://science.sciencemag.org/content/367/6485/1477.full

bioboceto

Roland Hirsch se ha desempeñado en el campo de la química analítica en una carrera de 52 años que abarca enseñanza, investigación y liderazgo en la Universidad de Seton Hall, y 33 años de servicio gubernamental en los Institutos Nacionales de Salud y el Departamento de Energía de EE. UU. Roland ha sido líder de la División de Química Analítica de ACS, como consejero durante 25 años, como secretario de división durante 4 años, presidente electo, presidente del programa y presidente, y como editor web durante 22 años. Roland organizó la celebración del 50 aniversario de la División y, 25 años después, escribió la historia definitiva de los primeros 75 años de la División, publicada en Química analítica en 2013. Roland también ha estado activo en la Gobernanza de ACS, incluido el Presidente del Comité de Actividades Internacionales, Secretario del Comité de Nominaciones y Elecciones, Miembro del Comité de Actividades Divisionales, Grupo de Trabajo de Químicos Superiores, Comité de Comités y Enlace para el Comité de Formación Profesional de la AEC.

Basado en una presentación preparada para la reunión nacional de la American Chemical Society en Filadelfia en marzo de 2020. Debía haber sido en la sesión de la División de Química Analítica «Avances en espectrometría de masas». La reunión fue cancelada, pero esta presentación fue revisada y puesta a disposición en el sitio web de la reunión: https://www.morressier.com/article/mass-spectrometry-essential-research-climate-science/5e735e33cde2b641284a879e