El rechazo de salmuera es un proceso que ocurre cuando el agua salada se congela. Las sales no encajan en la estructura cristalina del hielo de agua , por lo que se expulsan.
Como los océanos son salados, este proceso es importante en la naturaleza. La sal que rechaza el hielo marino en formación se drena hacia el agua de mar circundante , creando una salmuera más salada y densa . La salmuera más densa se hunde, lo que influye en la circulación oceánica .
A medida que el agua alcanza la temperatura en la que comienza a cristalizarse y formar hielo, los iones de sal son rechazados de las redes dentro del hielo y son expulsados al agua circundante o atrapados entre los cristales de hielo en bolsas llamadas celdas de salmuera . Generalmente, el hielo marino tiene una salinidad que varía de 0 psu en la superficie a 4 psu en la base. [1] Cuanto más rápido ocurre este proceso de congelación , más celdas de salmuera quedan en el hielo. Una vez que el hielo alcanza un espesor crítico, aproximadamente 15 cm, la concentración de iones de sal en el líquido alrededor del hielo comienza a aumentar, ya que la salmuera sobrante es rechazada de las celdas. [1] Este aumento está asociado con la aparición de fuertes columnas convectivas, que fluyen desde los canales y dentro del hielo y transportan un flujo de sal significativo. La salmuera que drena del hielo recién formado es reemplazada por un flujo débil de agua relativamente dulce desde la región líquida debajo de él. El agua nueva se congela parcialmente dentro de los poros del hielo, lo que aumenta la solidez del hielo.
A medida que el hielo marino envejece y se espesa, la salinidad inicial del hielo disminuye debido al rechazo de salmuera con el tiempo. [1] Mientras el hielo marino envejece, la desalinización ocurre a tal grado que algunos hielos multianuales tienen una salinidad de menos de 1 PSU . [2] Esto ocurre de tres maneras diferentes:
El rechazo de salmuera se produce en los bancos de hielo marino que rodean los polos norte y sur de la Tierra [ aclaración necesaria ] . Históricamente, el océano Ártico ha tenido una extensión que va desde aproximadamente 14-16 millones de kilómetros cuadrados a fines del invierno hasta aproximadamente 7 millones de km2 cada septiembre. [6] El aumento anual del hielo juega un papel importante en el movimiento de la circulación oceánica y la formación de aguas profundas. La densidad del agua debajo del hielo recién formado aumenta debido al rechazo de salmuera. El agua más salada también puede volverse más fría sin congelarse.
Las aguas densas que se forman en el Ártico se denominan aguas profundas del Atlántico Norte (NADW, por sus siglas en inglés), mientras que las aguas de fondo antárticas (AABW, por sus siglas en inglés) se forman en el hemisferio sur. Estas dos áreas de rechazo de salmuera desempeñan un papel importante en la circulación termohalina de todos los océanos de la Tierra.
A medida que el hielo marino se congela, expulsa agua cada vez más salada, que se drena a través de estrechos canales de salmuera que atraviesan el hielo. La salmuera que fluye a través de los canales de salmuera y sale del fondo del hielo es muy fría y salada, por lo que se hunde en el agua de mar más cálida y fresca debajo del hielo, formando una columna . La columna es más fría que el punto de congelación del agua de mar debajo del hielo, por lo que el agua de mar puede congelarse donde toca la columna. La congelación del hielo alrededor de los bordes de la columna construye gradualmente un tubo hueco similar a un carámbano, llamado brinicle . Estas formas congeladas similares a estalactitas son frágiles durante las primeras etapas, pero si cesa el drenaje de salmuera, pueden congelarse por completo. En aguas tranquilas, los brinicles pueden alcanzar el fondo del mar, congelándolo de manera bastante abrupta. [7]
Las cuencas oceánicas profundas están estratificadas de manera estable , por lo que la mezcla de las aguas superficiales con las aguas oceánicas profundas se produce muy lentamente. El CO 2 disuelto en las aguas superficiales del océano está aproximadamente en equilibrio con la presión parcial de CO 2 en la atmósfera. A medida que aumentan los niveles atmosféricos de CO 2 , los océanos absorben parte de CO 2 de la atmósfera. Cuando las aguas superficiales se hunden, transportan cantidades considerables de CO 2 a las profundidades oceánicas, lejos de la atmósfera. Debido a que estas aguas pueden contener una gran cantidad de CO 2 , han ayudado a frenar el aumento de las concentraciones atmosféricas de CO 2 , frenando así algunos aspectos del cambio climático .
El cambio climático podría tener diferentes efectos en el derretimiento del hielo y el rechazo de salmuera. Estudios previos han sugerido que a medida que la capa de hielo se adelgaza, se convertirá en un aislante más débil, lo que resultará en una mayor producción de hielo durante el otoño y el invierno. [8] El consiguiente aumento en el rechazo de salmuera invernal impulsará la ventilación oceánica y fortalecerá la entrada de aguas cálidas del Atlántico . Los estudios del último máximo glacial han indicado que una reducción drástica en la producción de hielo marino, y por lo tanto una reducción del rechazo de salmuera, resultaría en el debilitamiento de la estratificación en los océanos profundos globales y en la liberación de CO 2 en los océanos poco profundos y la atmósfera, lo que desencadenaría una desglaciación global. [9]
La vida en el hielo marino exige mucha energía y establece límites a cualquier nivel jerárquico, organizativo y orgánico, desde las moléculas hasta todo lo que hace un organismo. [ aclaración necesaria ] [9] A pesar de este hecho, los intersticios y bolsas que contienen salmuera que se encuentran en el hielo marino albergan una variedad de organismos, incluidas bacterias , protistas autótrofos y heterótrofos , microalgas y metazoos . [10]
El rechazo de salmuera desempeña un papel crucial en la circulación oceánica. En las polinias costeras , es la clave para la ventilación de múltiples masas de agua en el Ártico y la Antártida. Una polinia costera es un área de agua abierta rodeada de hielo. [11] La razón por la que las polinias costeras son las áreas más activas de rechazo de salmuera es que estas aguas a menudo ven vientos marinos que le dan al agua contacto directo con aire frío. [12] Esto conduce a la pérdida de calor y la producción de hielo. Un área que se estudia comúnmente para observar estos impactos son las polinias costeras del mar de Ojotsk. El mar de Ojotsk tiene plataformas anchas y poco profundas, condiciones invernales severas, alta salinidad de fondo y fácil acceso en verano, lo que lo convierte en un lugar de estudio ideal. [12] Se han realizado muchos estudios que analizan la influencia del rechazo de salmuera en el mar de Ojotsk.
En un artículo realizado por Shcherbina et al. (2003), analizan bien la influencia del rechazo de salmuera. [13] Dentro del mar de Ojotsk, la circulación está impulsada por el rechazo de salmuera que ocurre en los meses de invierno. Como es típico del rechazo de salmuera, se desarrolla hielo marino que es un 70-90% más dulce que el agua de mar. El agua debajo se vuelve más salada y más fría, lo que lleva a un aumento de la densidad. Esta parcela de agua en el mar de Ojotsk se conoce como agua densa de plataforma (DSW). Cuanto más salada y fría sea una parcela de agua, más densa se vuelve, lo que hace que se hunda por debajo de otras parcelas de agua. Por esta razón, el DSW comenzará a hundirse dentro de la columna de agua. La parcela luego se mueve hacia el sur a lo largo de la costa de Sakhalin. Desde aquí, el agua se mueve hacia el Pacífico y ventila el Agua Intermedia del Pacífico Norte (NPIW). Se sabe que el NPIW es el agua más densa del Pacífico Norte y es una masa de agua clave en la circulación oceánica.
Se ha demostrado que el rechazo de la salmuera ventila el océano Pacífico Norte hasta una profundidad de 300 a 1000 metros. Algunos estudios han demostrado incluso que alcanza profundidades de mezcla de 2000 metros. [14] La mezcla y la ventilación de la columna de agua son clave para ayudar a reponer el oxígeno en aguas intermedias. También puede provocar un afloramiento de nutrientes, lo que puede influir en la productividad. Un aumento de la producción primaria puede provocar un aumento de otros organismos, desde el krill hasta las ballenas.