Muestreo y análisis químico de hielo

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Lucía Fernández

La curiosidad por el hielo nos viene de muy antiguo. Ya alrededor del año 135 A.C., Han Ying, en China, pasaba horas y horas a la intemperie observando los copos de nieve. En ese entonces, el objeto de la investigación era la misma agua congelada, con su estructura de seis picos característica, descrita en el libro Hanshi waizhuan de esta manera tan poética: “Las flores de las plantas y árboles son, en general, de cinco puntas. Sin embargo, las flores de la nieve, llamadas ying, siempre tienen seis puntas1.

No fue hasta principios del siglo pasado cuando Bentley tomó las primeras microfotografías de estas efímeras precipitaciones, con un sistema que él mismo inventó (adaptó un microscopio a una cámara fotográfica). Hoy en día, las técnicas utilizadas para analizar hielo han avanzado muchísimo. Y, en ese avance, se descubrió que el hielo no es sólo agua a baja temperatura, sino que encierra también historias milenarias. Historias que los científicos intentan entender.

 

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La criosfera

Llamamos criosfera a la capa de agua congelada que cubre partes de la Tierra. Comprende la nieve, el hielo marino, el hielo terrestre (capas de hielo, glaciares), el suelo congelado (permafrost), el hielo lacustre y el fluvial. Se calcula que tres cuartas partes del agua dulce del mundo se encuentran en la criosfera. En algunas zonas ésta es temporal, desaparece con la llegada del verano, mientras que en otras es permanente. Es justamente en esta última, donde el hielo se acumula, de donde se extraen los núcleos de hielo, testigos del paso del tiempo. Las burbujas atrapadas en ellos nos permiten conocer la composición de la atmósfera hasta miles de años atrás. Es posible leer así erupciones volcánicas, accidentes nucleares o bombas atómicas, como también deducir temperaturas, precipitaciones y niveles de gases de la atmósfera pasada, entre otras cosas.

Es por eso interesante, para hacer una reconstrucción paleoclimática, conocer el proceso de extracción, recolección y métodos de análisis que permiten a los científicos echar una mirada al pasado e intentar saber hacia donde nos encaminamos.

 

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Estructura y clasificación del hielo

El hielo es agua sólida que forma una estructura cristalina cuando se encuentra congelada, debajo de los 0ºC (a 1 atmósfera de presión). Las moléculas de agua se agrupan de manera tetraédrica debido a los puentes de hidrógeno. Es esta propiedad la que hace que el agua sólida sea menos densa que la líquida, flotando sobre ésta y permitiendo la vida acuática en regiones de climas fríos.

La nieve no es más que la precipitación de pequeños cristales de hielo, agregados en copos, formados a partir de un núcleo de condensación. La acumulación de esta nieve, su fusión y recristalización, da lugar a masas de hielo, que se clasifican según su tamaño, forma y ubicación como:

  • Glaciar: cuando está rodeada por al menos tres de sus cuatro costados
    por rocas o sedimentos, distinguiendo entre glaciares piedemonte (cuando acaban en tierra) y de marea (cuando mueren en el mar),
  • Casquete glaciar o polar: masa extensa y permanente que cubre mesetas e islas de latitudes altas, sin llegar al tamaño de que capa de hielo continental o manto de hielo,
  • Capa de hielo continental: cuando no tiene paredes expuestas, sino que se hunde o se pierde debajo de la topografía, con picos montañosos emergiendo y rompiendo la monotonía de la extensión helada. A estos picos solitarios se los conoce como nunataks y debido a su aislamiento, suelen albergar flora y fauna de características insulares,
  • Manto de hielo: similar a la anterior, aunque de dimensiones algo más pequeñas.

También se pueden clasificar por sus propiedades físicas, siendo la más importante la temperatura. Así, pueden ser templadas o cálidas aquellas masas cuya base están cercanas al punto de fusión y frías las que se encuentran siempre por debajo de ese punto.

La ubicación dentro de la masa (superficial, media o basal) le confiere a cada punto particularidades de presión, densidad, temperatura, etcétera, características.
Teniendo en cuenta todas estas consideraciones y, fundamentalmente, el objetivo del estudio que se vaya a realizar, se elegirá uno u otro método de muestreo.

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Herramientas de muestreo

Dependiendo de si vamos a muestrear hielo, nieve, o firn (nieve que sobrevivió al verano), se necesitará un tipo de herramientas u otras. Por ejemplo, una simple bolsa o envase para muestras puede ser suficiente para recoger nieve suelta, aunque para extraer bloques de hielo, necesitaremos herramientas más contundentes.

Hacha, martillo y cincel. A falta de herramientas eléctricas, se pueden extraer bloques de hielo abriendo un canal en la superficie con un martillo y cincel o hacha, preferentemente eligiendo un lugar donde la superficie sea convexa, para facilitar la operación. Se perforan así los cuatro costados del cubo que se vaya a extraer. Para finalmente retirarlo de la cavidad perforada, se hace cuña para romper el fondo.
Dado que el hielo superficial está muy influenciado por las condiciones externas, puede haberse formado una capa adulterada por fusión, recristalización, etcétera, de poca coherencia, que se puede desprender muy fácilmente del bloque obtenido. Esta capa, de unos pocos centímetros a varios decímetros de espesor, debe retirarse antes del almacenamiento.

Tornillo para hielo. Cuando la cantidad de muestra que se necesita es relativamente pequeña, puede bastar un tornillo para hielo para recogerla. Éste se introduce enroscándolo en la superficie. Es conveniente no forzarlo con un martillo, dado que podría ser muy difícil de quitar. La longitud L del tornillo se elige en función del volumen V requerido, conocido su diámetro interior r, utilizando la relación  V = πr2L.

Motosierra. Una motosierra puede ser la elección más rápida y eficaz de recoger muestras. La precisión del corte permite bloques de tamaño predeterminado. Pero también puede ser muy peligrosa. Es por esto que se debe garantizar un entorno de trabajo estable y seguro, que la motosierra se encuentra en buen estado de funcionamiento, y que el operario está capacitado profesionalmente y bien equipado con casco, visera, tapones para los oídos y guantes, pantalones y botas de protección. Durante el proceso, otra persona, que no interviene directamente en la operación, debe acompañar a quien manipule la motosierra, equipado con un botiquín médico de emergencia y una radio.

Taladros para testigos de hielo (ice cores). Esta técnica es la que requiere mayor logística, equipos especializados y preparación. Claro está que cuanto más pequeño es el ice core que se perfore, menores serán los requerimientos, llegando a ser suficiente un equipo de tres personas para recuperar testigos pequeños. A medida que aumenta el tamaño, aumenta la complejidad. Veámoslo más en detalle.

Ice cores

Actualmente, muchos proyectos se están llevando a cabo, o han terminado ya, para recuperar testigos de hielo de las capas más antiguas de la Tierra. La Antártida y Groenlandia están siendo perforadas, con fines científicos, desde mediados del siglo pasado. No es difícil imaginarse estos territorios como grandes quesos emmental, donde año a año, cuando las condiciones climáticas lo permiten, cientos de hormiguitas se acercan a seguir agujereando la superficie helada.

Estas hormigas deben ir provistas de mucho material: taladros, brocas, fluidos de perforación, tiendas de campaña, generadores eléctricos; por no hablar de la ropa de abrigo, la comida, el material médico…

imageTaladro PICO 13.2 cm. Imagen tomada de “Future technical developments for the polar ice coring office 13.2 cm ice coring drill”.

 

El taladro a utilizar puede ser manual, mecánico, hidráulico, eléctrico… Hay una gran variedad, capaces de conseguir núcleos de 13,5 cm de diámetro a profundidades mayores de 5.000 metros. A rasgos generales, podemos decir que se compone de:

Cabeza de corte: es el extremo inferior del equipo. Está montada sobre el cilindro interior, estabilizándolo. Gira en sentido contrario de la barra exterior. Cuando la perforación acaba, se acciona un mecanismo, de manera que el ice core queda bien sujeto en la barra interior para su recuperación.

Cortadores de hielo (ice cutters): pueden ser planos u oblicuos (en un ángulo de 45º o menso). No sólo cortan, como su nombre lo indica, sino que además, estabilizan el equipo.

Cilindro interior: fabricado de acero, fibra de carbono, etcétera, es el que mantiene el ice core dentro a medida que se va perforando. No gira, sólo baja a medida que se perfora la superficie.

Cilindro exterior: otra medida de estabilización. Protege al medio del fluido de perforación.

Fluido de perforación: fluye de abajo hacia arriba, atrapando los restos de hielo que se desprenden durante la excavación. Esto cumple la doble función de evitar que el taladro se atasque y de recuperar pequeñas muestras de hielo para análisis posteriores. De la elección del fluido puede depender toda la campaña. Es necesario para facilitar la perforación, dado que evita que el agujero se cierre. Para conseguirlo, la diferencia de presión hidrostática entre el hielo y el fluido debe ser, idealmente, igual a cero a cualquier profundidad. El fluido (por ejemplo, agua caliente, etanol, una mezcla de fuel de avión y freón) debe ser elegido basándose en la temperatura exterior (si la temperatura está por encima de los 4ºC, el aire comprimido puede no enfriar lo suficiente, provocando que la muestra se derrita), el efecto sobre el punto de congelación del testigo (el uso de diesel, etilenglicol y la salmuera pueden alterarlo), además como su posible poder contaminante, tanto de las muestras como del lugar de trabajo y considerar los daños que pueda ocasionar en el equipo de excavación (la sal de la salmuera puede deteriorar el equipo y el diesel puede disolver la grasa usada para lubricar el taladro).

Por otra parte, la velocidad no debe ser muy rápida, ya que se podría romper el núcleo de hielo, o contaminarse con el fluido, o atascarse frecuentemente. Si la velocidad es demasiado lenta, hay más posibilidades de que el ice core se derrita y recongele, haciéndolo inutilizable.

Es importante remarcar que tanto la cabeza de corte como la broca y el cilindro interior no deben estar fabricados con el mismo material que se quiere analizar, para evitar contaminar la muestra.

Todos los parámetros, tanto en el interior como en el exterior del agujero, son medidos continuamente.

En el exterior del agujero encontramos el cable que sostiene el taladro y que sirve de comunicación entre la parte de perforación en sí y de la de soporte. El cable del taladro PICO 13,2 cm, por ejemplo, puede soportar una fuerza de 106.750 N. El cable se hace pasar por una grúa mecánica o eléctrica. La altura de la grúa variará en función del tamaño del ice core a recuperar.

El procedimiento, una vez montado todo el equipo, es laborioso, pero sencillo de explicar. Se comienza a taladrar (quitar la nieve superficial es optativo) en cuanto las condiciones climáticas lo permiten. Cuando se llega al largo del taladro (éste puede variar entre 1 y 6 metros), se retira cuidadosamente del agujero, se coloca en posición horizontal sobre la superficie y se descuelga de la grúa. Una vez descolgado, una parte del equipo cuelga otras barras para seguir taladrando, mientras que la otra parte separa el cilindro interior del exterior, recupera y almacena el testigo. Procediendo de esta manera, se han conseguido testigos de más de 3.000 m, remontándose 740.000 años en la historia de la Tierra.

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Almacenamiento y transporte

Una vez extraídos, los testigos son cortados en trozos de 1 a 3 metros, para facilitar su almacenaje y transporte. Deben guardarse a una temperatura de ­15ºC para evitar que se derrita.

Las muestras son transportadas por avión, intentando que las condiciones se mantengan similares a las de origen. Para lograr esto, se suele usar nitrógeno líquido.

Una vez en las instalaciones, muestrear una parte no contaminada del núcleo es imprescindible, sino el trabajo anterior no habría servido para nada. El exterior del testigo ha estado en contacto con el equipo de excavación y puede no ser representativo de la capa de hielo, razón por la cual se descarta.

Pero antes de poder analizar los testigos y cortarlos en secciones, hay que dejarlos almacenados durante un año en condiciones controladas. Este reposo es necesario para que logre alcanzar el equilibrio en las nuevas condiciones de presión.

imageAnálisis

Hay diferentes métodos de análisis para conocer los secretos de los núcleos de hielo.

Una técnica muy sencilla es la mera observación de las capas. Así como se cuentan las anillas de un árbol para conocer su edad, un testigo de hielo presenta capas fácilmente observables hasta cierta profundidad. A medida que la presión aumenta, este método deja de tener resultado.

Por ejemplo, una técnica de extracción seca libera el aire atrapado en las burbujas del hielo. Los gases en concentraciones de trazas son medidos usando cromatrografía de gases, mientras que el análisis de d13CH4 se realiza mediante cromatografía de gases­espectrometría de masas isotópica (GC­IRMS, por sus siglas en inglés).

Los metales pesados en trazas se puede analizar usando espectroscopía de masas de plasma inducida.

La estructura de los cristales es analizada usando microscopios electrónicos de barrido de baja temperatura (LT­SEM). De esta manera, se pueden observar durante horas sin que se detecten cambios.

Para concluir, vamos a indicar, muy someramente, los principales parámetros que se analizan para una reconstrucción paleoclimática:

imageFuente: BRADLEY, R. S.: Paleoclimatology. Reconstructing climates of the Quaternary. Academic Press, 1999.

Como curiosidad, mencionar que se ha hallado abundante polvo de meteoritos caídos durante el Holoceno en Groenlandia (mediante el análisis de polvo de iridio y platino, más abundante en los meteoritos que en la Tierra), que sugieren que durante esta época, unas 14 kilotoneladas de material extraterrestre cayeron sobre nuestro planeta.

¿Quién sabe?, tal vez no sólo podamos conocer la historia de la Tierra, sino del universo gracias a que una vez, hace mucho tiempo, un hombre se preguntó qué es el hielo.

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Nota

(1) Traducción libre de la frase “Flowers of plants and trees are in general five­pointed. However, flowers of snow, which are called ying, are always six­pointed”; Hanshi waizhuan.

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