La expedición del Observatorio Multidisciplinario a la Deriva para el Estudio del Clima Ártico ( MOSAiC, / ˌməʊˈzɛɪɪk / ) fue una expedición de un año de duración al Ártico central ( septiembre de 2019 - octubre de 2020). [ 1 ] [2] Por primera vez, un rompehielos de investigación moderno pudo operar en las inmediaciones del Polo Norte durante todo el año, incluida la noche polar de casi medio año durante el invierno. [3] En términos de los desafíos logísticos involucrados, el número total de participantes, el número de países participantes y el presupuesto disponible, MOSAiC representa la expedición al Ártico más grande de la historia. [1]
Durante su viaje de un año de duración, el buque central de la expedición, el rompehielos de investigación Polarstern del Instituto Alfred Wegener de Alemania, Centro Helmholtz para la Investigación Polar y Marina (AWI) , fue apoyado y reabastecido por los rompehielos y buques de investigación Akademik Fedorov y Kapitan Dranitsyn (Rusia), Sonne y Maria S. Merian (Alemania) y Akademik Tryoshnikov (Rusia). [4] Además, se planearon extensas operaciones que involucraron helicópteros y otras aeronaves. [2] En total, durante las diversas fases de la expedición, más de 600 personas trabajaron en el Ártico central. [5] La expedición internacional, en la que participaron más de 80 instituciones de 20 países ( Austria , Bélgica , Canadá , China , Dinamarca , Finlandia , Francia , Alemania , Italia , Japón , Países Bajos , Noruega , Polonia , Rusia , Corea del Sur , España , Suecia , Suiza , Reino Unido y Estados Unidos ), [6] fue realizada por el AWI y estuvo dirigida por el investigador polar y climático Markus Rex y codirigida por el investigador atmosférico Matthew Shupe de la Universidad de Colorado en Boulder . Los principales objetivos de MOSAiC eran investigar los complejos y aún poco comprendidos procesos climáticos que funcionan en el Ártico central, mejorar la representación de estos procesos en los modelos climáticos globales y contribuir a proyecciones climáticas más confiables. [7]
La expedición costó 140 millones de euros (aproximadamente 154 millones de dólares); la mitad del presupuesto fue proporcionado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF). La participación de los EE. UU. fue apoyada principalmente por la National Science Foundation , que contribuyó con aproximadamente 24 millones de dólares al proyecto, una de las mayores iniciativas de investigación del Ártico que la agencia haya montado jamás. [8] El Departamento de Energía de los EE. UU. también invirtió mucho en la misión, financiando casi 10 millones de dólares y proporcionando el conjunto más grande de instrumentos atmosféricos. [9]
Durante el invierno ártico, que dura medio año, el hielo marino es demasiado grueso para que lo puedan atravesar los rompehielos de investigación. Por ello, los datos del Ártico central son prácticamente inexistentes, sobre todo durante el invierno. Para llegar al Ártico central en invierno, la expedición MOSAiC siguió los pasos de la famosa expedición de Fridtjof Nansen con el velero de madera Fram en los años 1893-1896, hace más de 125 años. [10] Su audaz viaje demostró que era posible dejar que un barco se desplazara a la deriva a través del casquete polar, desde Siberia hasta el Atlántico, atrapado en el grueso hielo marino y impulsado únicamente por las fuerzas de la deriva natural del hielo. Aunque Nansen ha demostrado la viabilidad fundamental de tal esfuerzo, las mediciones científicas posibles en su época eran todavía bastante rudimentarias. Durante MOSAiC, por primera vez se repitió la deriva del Fram con un rompehielos de investigación, equipado con un verdadero arsenal de instrumentos de última generación para explorar y registrar los complejos procesos climáticos en el Ártico central.
El corazón de MOSAiC fue la deriva de un año del Polarstern a través del Ártico central. El 20 de septiembre de 2019, el barco partió del puerto noruego de Tromsø junto con el Akademik Fedorov , avanzó hacia el este a lo largo de la costa siberiana y, aproximadamente a 125° Este, giró hacia el norte y comenzó a romper el hielo marino del Ártico central, lo que todavía era factible en esa época del año. El 4 de octubre de 2019, en una posición de 85° Norte y 134° Este, la expedición MOSAiC encontró un témpano de hielo adecuado, que medía aproximadamente 2,5 por 3,5 kilómetros. El Polarstern puso sus motores en punto muerto y se dejó atrapar en el hielo marino. Luego se instaló un extenso campamento de investigación alrededor del barco en el hielo. Al mismo tiempo, el Akademik Fedorov desplegó una red de estaciones de investigación en el hielo, algunas a una distancia de hasta 50 km de la posición del Polarstern . [11] La red estaba formada por instrumentos tanto autónomos como controlados a distancia, que se verificaban a intervalos regulares mediante vuelos de helicóptero desde el Polarstern central, que formaba el Observatorio Central. [12] [13]
Tras entregar una última carga de combustible, a finales de octubre el Akademik Fedorov regresó a Tromsø. A partir de ese momento, la deriva natural llevó al Polarstern y su red de estaciones de investigación a través de la región del Polo Norte. El 24 de febrero de 2020, el Polarstern batió un récord: durante la deriva alcanzó los 88°36' Norte, a solo 156 kilómetros del Polo Norte. [14] En el verano de 2020, el barco llegó al estrecho de Fram . El 13 de agosto, tras un último gran reabastecimiento de combustible y una rotación de personal, el Polarstern comenzó a navegar hacia el Ártico central para estudiar el inicio y la fase temprana de congelación del hielo marino. [15] El 19 de agosto, el barco llegó al Polo Norte. El viaje desde el norte del estrecho de Fram hasta el Polo solo tardó seis días en completarse. [16] Tras una breve búsqueda, el equipo MOSAiC encontró un nuevo témpano de hielo. El llamado témpano MOSAiC 2.0 fue descubierto a once millas náuticas de la ruta que siguió el témpano original en enero de 2020. [17] El Polarstern abandonó el témpano MOSAiC 2.0 el 20 de septiembre de 2020, un año después del inicio de la expedición. El 12 de octubre de 2020, el Polarstern regresó a su puerto base en Bremerhaven . [18]
Durante el período de agosto/septiembre de 2020, los aviones de investigación alemanes Polar 5 y Polar 6 despegaron de Spitsbergen para realizar estudios aéreos del hielo marino y la atmósfera sobre el océano Ártico, complementando el programa de investigación de la expedición MOSAiC. [19]
Los depósitos de combustible establecidos en islas cercanas a la costa de Siberia específicamente para la expedición apoyaron posibles operaciones de emergencia con helicópteros de largo alcance, que pudieron llegar a Polarstern en caso de emergencia al menos durante las fases iniciales y finales de la expedición. [13]
El objetivo principal del proyecto MOSAiC es comprender los procesos climáticos acoplados en el Ártico central, de modo que se puedan integrar con mayor precisión en los modelos climáticos regionales y globales. Los hallazgos contribuirán a realizar proyecciones climáticas más confiables para el Ártico y a nivel mundial, a mejorar los pronósticos meteorológicos y a mejorar los pronósticos del hielo marino en el Ártico. [7] [20]
Además, los resultados de la misión MOSAiC ayudarán a comprender los efectos regionales y globales del cambio climático en el Ártico y la pérdida de hielo marino. [21] Mejorarán la preparación de las comunidades en el Ártico y las latitudes medias del norte, proporcionarán la base científica para el desarrollo de políticas para un desarrollo sostenible del Ártico y apoyarán la toma de decisiones basada en hechos en las áreas de mitigación y adaptación al cambio climático global. [12] [20]
Las mediciones atmosféricas integrales y complejas realizadas durante MOSAiC proporcionan una base física para comprender las interacciones locales y verticales en la atmósfera y las interacciones entre la atmósfera, el hielo marino y el océano. La caracterización de los procesos en las nubes , en la capa límite atmosférica , la capa superficial y el flujo de energía superficial conducirá a una mejor comprensión de la troposfera inferior , que interactúa con la superficie en el Ártico. Las mediciones de flujo de calor realizadas permitieron una estimación precisa de la temperatura superficial de la piel, que mostró un sesgo sustancial de esas mediciones (de 1 a 3 °C durante enero-abril) en comparación con los reanálisis atmosféricos desacoplados ( ERA5 y JRA-55). [22] Uno de los mayores desafíos fue realizar estas mediciones de manera consistente durante todo el ciclo anual del hielo marino , especialmente al comienzo del período de congelación, para monitorear la transición de aguas abiertas a una capa de hielo muy delgada. Las lecturas tomadas a altitudes mayores proporcionaron información sobre las características de la troposfera media y superior y la interacción con la estratosfera. Para mejorar nuestra comprensión de los aerosoles y las interacciones aerosol-nube sobre el Ártico central, especialmente en invierno, se tomaron mediciones sobre la composición de las partículas, sus propiedades físicas, sus efectos de radiación directa e indirecta y sus interacciones con las propiedades de las nubes. [12] Las observaciones rutinarias de radiosonda en combinación con mediciones de globos atados proporcionaron perfiles de alta resolución de las condiciones atmosféricas en la columna de aire sobre el sitio MOSAiC. Además, se utilizaron mediciones de radar para determinar el perfil vertical de la velocidad y dirección del viento, así como las propiedades clave de las nubes, incluido el contenido de hielo y agua líquida. Los parámetros termodinámicos clave , así como las estructuras cinemáticas de la atmósfera , se investigaron con la ayuda de radiómetros de microondas e infrarrojos , lidar Raman y Doppler .
Las observaciones del hielo marino cubrieron una amplia gama que abarca desde las características físicas y mecánicas del hielo marino del Ártico hasta su morfología , propiedades ópticas y balance de masa . [23] El énfasis estaba puesto en caracterizar la cubierta de nieve y la cubierta de hielo, y en llegar a una mejor comprensión de los procesos que determinan sus propiedades. Las trincheras de nieve (fosas) y los núcleos de hielo ayudaron a los investigadores a reunir estos valiosos datos. Otros aspectos de la observación del hielo marino incluyeron la determinación del presupuesto de masa midiendo la profundidad de la cubierta de nieve y el espesor del hielo, así como midiendo la difusión de la luz solar en el hielo, el albedo espectral del hielo y su transmisión . Además, se monitorearon varios tipos de hielo ( crestas de presión , hielo de nivel de primer y segundo año) a lo largo de todo el ciclo anual para determinar la variabilidad espacial y el desarrollo de la cubierta de hielo en el Ártico a lo largo del tiempo. [12] [13]
Las observaciones de las crestas revelaron que la mayor parte de la consolidación de las crestas del primer año ocurrió durante la temporada de primavera antes del inicio del derretimiento, y fue iniciada por intrusiones de aire cálido y transferencia de nieve a los canales, [24] lo que también fue confirmado por una fracción de masa de nieve del 6% al 11% en las crestas. [25] También se demostró que las tasas de derretimiento del fondo para las crestas de presión fueron aproximadamente cuatro veces mayores que para el hielo nivelado, mientras que la forma de la cresta también influyó en su derretimiento, con un derretimiento más alto para las crestas más profundas, más empinadas y más estrechas. [26] Las observaciones incluyeron mediciones de la densidad de la nieve, la resistencia mecánica y la microestructura (usando tomografía computarizada ), lo que permitió calcular la conductividad térmica de la nieve . [27] Las observaciones del balance de masa de hielo incluyeron la instalación de boyas que miden la temperatura del hielo marino , así como estacas de ablación, que miden la evolución de la superficie del hielo marino y las interfaces del fondo. [28] Además, el espesor del hielo marino se midió utilizando un sondeo electromagnético basado en tierra, mientras que el francobordo de la nieve y el hielo marino se midieron utilizando un escáner láser basado en helicóptero. Además, se midieron la topografía del hielo marino submarino y otros parámetros físicos utilizando observaciones desde un vehículo operado a distancia , así como la caracterización biofísica de los hábitats de las algas. [29] Las observaciones de invierno se caracterizaron por la presencia de hielo en plaquetas debido a la presencia de agua superenfriada , [30] mientras que el derretimiento de verano se caracterizó por la estratificación del agua de deshielo y la formación de falsos fondos que cubrieron alrededor del 20% del área de hielo marino. [31] [32] Las observaciones aéreas de la temperatura de la superficie revelaron un fuerte preacondicionamiento del 41% de los estanques de derretimiento de la superficie, que se forman en las áreas de anomalías de temperatura superficial cálida en invierno, típicas del hielo delgado y la nieve. [33]
Los procesos oceánicos influyen en el balance energético del Ártico, así como en el crecimiento y el derretimiento del hielo marino debido al calor adicional. También desempeñan un papel importante en la actividad biológica que fija y potencialmente exporta CO 2 . Las mediciones de la columna de agua arrojarán nueva luz sobre los mecanismos clave que ocurren en el océano, por ejemplo: (1) intercambio de calor entre el hielo marino y el océano , (2) absorción de la luz solar y procesamiento del calor resultante , (3) interacción con los procesos de las profundidades marinas , y (4) productividad biológica primaria y exportación de materia orgánica desde la zona eufótica .
Dado que comprender la evolución del hielo marino era uno de los objetivos principales de la expedición MOSAiC, los procesos oceánicos que afectan al hielo, como la mezcla cercana a la superficie, fueron el centro de las investigaciones oceanográficas . Además, se exploraron en detalle la dinámica y la termodinámica de la capa de mezcla. [12] Para este propósito, se tomaron mediciones continuas de flujos turbulentos directamente debajo del límite océano-hielo, para ayudar a comprender las velocidades del hielo y el océano, los flujos térmicos y de momento verticales, la difusión de masa y otros procesos clave. Además, se observó el océano profundo en un contexto más amplio mediante la creación de perfiles de la velocidad del flujo, la temperatura, la salinidad y el oxígeno disuelto en los primeros cien metros del océano Ártico de forma regular, a fin de comprender mejor sus efectos en la capa límite superior océano-hielo. [13]
Las observaciones sobre la transformación y sucesión biológica y biogeoquímica se centraron principalmente en el análisis de muestras de los tres regímenes físicos principales, es decir, los entornos de hielo, nieve y agua. [34] Además, se realizaron mediciones de flujo en las capas límite hielo/agua y hielo/aire. Estas se repitieron durante todo el año ártico para cuantificar la biología y la biogeoquímica del sistema hielo marino/atmósfera en cada época del año, especialmente en el invierno ártico poco investigado. Por ejemplo, se monitoreó el presupuesto de masa anual para carbono orgánico e inorgánico, y se tomaron lecturas cristalográficas en la ikaita en los canales del fondo marino. [13] Esto último ofreció información sobre la biogeoquímica del flujo neto aire/hielo de CO 2 producido por el hielo marino, y sobre el potencial para capturar carbono orgánico y la respiración de CO 2 . Un segundo objetivo fue cuantificar la acumulación de metano , la oxidación debajo del hielo marino y los flujos aire/océano con respecto al potencial de grandes flujos de metano oceánico hacia la atmósfera. Un tercer elemento clave: la observación de los ciclos de gases biogénicos como N 2 O , O 2 , DMS (dimetilsulfuro) y bromoformo en la nieve , el hielo marino y el agua , lo que contribuyó a nuestra comprensión de las rutas biogeoquímicas subyacentes. [13] Un aspecto importante adicional fue la creación de un balance de masa anual y un ciclo hielo/agua para macro y micronutrientes; en este sentido, se investigaron los flujos verticales de nutrientes entre el océano, la zona eufótica , las capas mixtas y profundas del océano, en parte con la ayuda de herramientas moleculares, para llegar a una mejor comprensión de las cadenas de reciclaje.
Un concepto de modelado y observación estrechamente interconectado fue central para la definición y planificación de la expedición MOSAiC. Para comprender y explicar los cambios que se están produciendo en el sistema climático del Ártico , se desarrollarán nuevos modelos y se perfeccionarán los modelos anteriores, sobre la base de las observaciones y lecturas tomadas durante la expedición. Estas observaciones también desempeñarán un papel importante en la mejora de estos modelos y el desarrollo de otros nuevos para la previsión del tiempo y el hielo marino , y para las proyecciones climáticas. A su vez, los modelos ofrecerán información sobre fenómenos que no son directamente observables. Las observaciones realizadas a lo largo de MOSAiC proporcionarán nuevas condiciones marco para los modelos a varias escalas; por ejemplo, se utilizarán modelos de alta resolución para estudios detallados, y estos estudios pueden proporcionar la base para mejorar los modelos climáticos regionales y globales. [2]
Además, se utilizarán modelos regionales del Ártico para responder a importantes preguntas sobre el papel del Ártico como sumidero de energía global; cómo los patrones de conexión global serán moldeados por el volumen cambiante de hielo en el Ártico; y cómo estos cambios afectarán la circulación y el clima en las latitudes más bajas. [2] La modelización y las observaciones durante MOSAiC se llevarán a cabo en estrecha cooperación con los esfuerzos de modelización internacionales del Programa Mundial de Investigación Meteorológica y el Programa Mundial de Investigación Climática.
La primera fase de la expedición consistió en un curso de seis semanas para 20 estudiantes de posgrado a bordo del Akademik Fedorov , impartido conjuntamente por los socios de MOSAiC y la Asociación de Científicos Polares en su Carrera Temprana . [35]