Los arroyos subglaciales son conductos de agua de deshielo glacial que fluyen en la base de glaciares y casquetes polares . [1] El agua de deshielo de la superficie del glaciar viaja hacia abajo a lo largo del glaciar, formando un sistema de drenaje englacial que consiste en una red de pasajes que eventualmente llegan al lecho de roca debajo, donde forman corrientes subglaciales. [1] Las corrientes subglaciales forman un sistema de túneles y cavidades y conductos interconectados, con agua que fluye bajo presiones extremas desde el hielo de arriba; como resultado, la dirección del flujo está determinada por el gradiente de presión del hielo y la topografía del lecho en lugar de por la gravedad. [1] Las corrientes subglaciales forman un sistema dinámico que responde a las condiciones cambiantes, y el sistema puede cambiar significativamente en respuesta a la variación estacional del agua de deshielo y la temperatura. [2] El agua de los arroyos subglaciales se dirige hacia el extremo glacial , por donde sale del glaciar. [2] La descarga de corrientes subglaciales puede tener un impacto significativo en las condiciones ambientales y geológicas locales y, en algunos casos, globales. [3] Los sedimentos, nutrientes y materia orgánica contenidos en el agua de deshielo pueden influir en las condiciones marinas y aguas abajo. [4] El cambio climático puede tener un impacto significativo en los sistemas de corrientes subglaciales, aumentando el volumen de agua de deshielo que ingresa a los sistemas de drenaje subglaciales e influyendo en su hidrología . [2]
Los arroyos subglaciales obtienen su agua de dos fuentes: el agua de deshielo transportada desde la cima del glaciar y el agua de deshielo del lecho glacial. [2] Cuando las temperaturas son lo suficientemente altas como para inducir el derretimiento de la superficie del glaciar, generalmente durante el verano, el agua fluye hacia el glaciar. [2] El agua de deshielo superficial fluye hacia abajo a través de canales de tamaño milimétrico que se unen en una red de afluentes, creciendo en tamaño hasta llegar al lecho de roca. [1] Además, parte del agua es transportada a la superficie mediante moulins (grandes ejes verticales de hasta diez metros de ancho que van desde la superficie hasta una elevación más baja, a veces hasta el lecho del glaciar). [5] [1] Las fracturas, grietas y cavidades entre los glaciares y las paredes de los valles también pueden proporcionar vías para que el agua llegue al lecho. [5] Si bien el agua de deshielo superficial puede depender de las estaciones, los lechos de los glaciares templados se mantienen en el punto de fusión de presión (la combinación de temperatura y presión a la que se derrite el hielo). [2] Esta agua líquida en el lecho, presente en glaciares templados pero no polares, proporciona un aporte constante de agua a los sistemas de corrientes subglaciales. [2] El agua de estas dos fuentes se encuentra y se concentra en la base rocosa del glaciar, donde la presión del hielo de arriba lo obliga a moverse hacia el extremo glacial, creando una red de pasadizos a medida que sale del glaciar. [2]
El agua de las corrientes subglaciales está sujeta a grandes cantidades de presión debido a la masa de hielo que se encuentra encima; Como resultado, la dirección del flujo de agua no se puede explicar de la misma manera que las corrientes superficiales típicas. [2] El flujo de agua subglacial está determinado, en gran medida, por los gradientes de presión creados por el peso y el movimiento del glaciar. [1] Como resultado, en lugar de seguir la pendiente del lecho, los arroyos pueden fluir hacia arriba y a través de las pendientes. [2] Este comportamiento se puede describir viendo la presión dentro de los glaciares como superficies equipotenciales ; A medida que el agua es empujada desde áreas de alta presión a áreas de baja presión, viaja en una dirección normal a estas superficies. [1]
Los sistemas de corrientes subglaciales se pueden clasificar en dos categorías según la disposición y el tipo de pasajes que componen el sistema: canalizados y distribuidos. [5]
Los sistemas de drenaje canalizados se caracterizan por el agua que fluye predominantemente a través de túneles a lo largo del lecho del glaciar que llevan el agua de deshielo rápida y directamente al final del glaciar. [5] Estos túneles están dispuestos en una red de afluentes, uniéndose y creciendo en tamaño a medida que se acercan al final. [2] El agua se mueve rápidamente en estos sistemas y la presión dentro de los canales es relativamente baja en comparación con la presión en el hielo que los rodea. [5] La turbulencia en el flujo rápido produce calor, que es capaz de derretir las paredes de hielo de los túneles. [5] Si bien el agua total agregada al sistema mediante este proceso es insignificante en comparación con el agua de la superficie y del derretimiento basal, el derretimiento de las paredes del canal permite que el canal permanezca abierto incluso cuando las presiones del hielo que lo rodean son mucho mayores que la presión del agua en el interior. [5] La constante erosión de las paredes del túnel es capaz de compensar el estrechamiento del túnel causado por la deformación del hielo. [5] Dependiendo del suministro de agua y las características del lecho, los túneles pueden tomar diferentes formas, incluidos túneles semicirculares que cortan el hielo, túneles anchos y bajos, y túneles que cortan el lecho en lugar del hielo. [2] Los túneles anchos y bajos se forman en canales con cantidades variables de agua de deshielo, ya que el derretimiento se concentra en las paredes del túnel en lugar del techo cuando el túnel no está completamente lleno de agua. [2] Los canales que mantienen la estabilidad a largo plazo en el flujo y la ubicación del agua pueden erosionar el lecho de roca con el tiempo, lo que resulta en túneles que cortan el lecho en lugar del hielo de arriba. [2]
Los sistemas de drenaje distribuido pueden consistir en una red de cavidades interconectadas, flujo poroso y canales en el sedimento y una película delgada entre el hielo y el lecho. [5] Las películas de agua entre el hielo y el lecho de roca rara vez son más gruesas que decenas de micrómetros y se forman en áreas que están aisladas de canales y cavidades, se mantienen en el punto de fusión a presión y se encuentran por encima de un lecho impermeable. [2] El flujo en películas no representa una gran cantidad del flujo total de agua de deshielo que sale del glaciar, pero puede ser importante en el movimiento deslizante de los glaciares . [2] En los casos en que los glaciares están sobre sedimentos porosos y no consolidados, algo de agua puede fluir a través del sedimento; Al igual que el flujo de película, el flujo poroso no representa gran parte del flujo de agua en el sistema. [2] Cuando el lecho es deformable, se pueden formar canales anchos y poco profundos de hasta 10 cm de ancho en la superficie del sedimento, coronados por el hielo glacial. [2] [6] En los glaciares con pendientes pronunciadas, los sistemas de canales son inestables, ya que pueden ser absorbidos fácilmente por canales situados sobre el sedimento. [6] A medida que los glaciares se mueven sobre protuberancias en el lecho de roca, las diferencias de presión pueden separar el hielo del lecho detrás de la protuberancia si el glaciar se mueve lo suficientemente rápido. [2] [1] Esto crea cavidades entre el glaciar y el lecho, que se llenan de agua. [2] Si la presión del agua es lo suficientemente alta, la cavidad se expande y el agua puede causar una mayor separación entre el hielo y el lecho que rodea la cavidad. [1] Con un suministro sostenido de agua, se forman pequeños pasajes entre las cavidades, creando una gran red de cavidades interconectadas entre las cuales fluye el agua. [1] El agua en sistemas de cavidades interconectadas fluye, en promedio, en una dirección normal a las superficies equipotenciales de presión en el glaciar. [1] Sin embargo, el camino seguido es largo e indirecto y, en ocasiones, el agua puede fluir casi paralela a las superficies equipotenciales. [1]
La estructura de los sistemas de corrientes subglaciales cambia significativamente con el tiempo como resultado de cambios estacionales en el volumen y la fuente de entrada de agua de deshielo. [5] Durante el invierno, los sistemas de corrientes subglaciales están dominados por corrientes distribuidas. [5] Como hay muy poco derretimiento superficial durante esta temporada, casi toda el agua de deshielo se deriva del derretimiento basal y la liberación del agua de deshielo almacenada. [5] Ambas fuentes involucran pequeñas cantidades de agua liberadas de manera relativamente uniforme en todo el lecho del glaciar, lo que hace que sea poco probable que formen grandes canales de drenaje. [2] Algunos túneles importantes permanecen en el sistema durante todo el año y son los principales puntos de descarga durante el invierno, pero el sistema en general se caracteriza por un drenaje distribuido. [5] A medida que aumentan las temperaturas y el derretimiento de la superficie aumenta el flujo de agua hacia el lecho a fines de la primavera, el sistema de corrientes de invierno se altera. [2] Los canales de flujo distribuido, que carecen de capacidad para aumentar el volumen de agua de deshielo, experimentan un aumento de la presión del agua y se desestabilizan. [2] Las altas presiones del agua conducen a la formación de túneles más grandes, un proceso conocido como canalización, que tienen una mayor capacidad para el agua de deshielo y permiten que las presiones caigan. [7] Este cambio puede ocurrir gradualmente o puede ser desencadenado por eventos que aumentan rápidamente el flujo de agua de deshielo, como días consecutivos de alto derretimiento o una gran tormenta. [2] El sistema ahora canalizado crece en extensión durante el verano a medida que la entrada de agua de deshielo continúa aumentando, con nuevos pasajes formándose y creciendo en tamaño. [2] En otoño, el deshielo superficial disminuye y el volumen de agua de deshielo ya no es suficiente para mantener los canales recién formados; La deformación del hielo circundante cierra lentamente canales que no generan suficiente fusión por fricción a lo largo de sus paredes para compensar el cierre. [2] Con el tiempo, un sistema de flujo distribuido vuelve a ser dominante. [2] Algunos canales perennes permanecen durante la temporada de invierno, pero los canales formados en primavera desaparecen; cuando se vuelven a formar nuevos túneles el año siguiente, no se forman en los mismos lugares que los que se cerraron. [5]
La descarga de sistemas de corrientes subglaciales de glaciares que terminan en el mar en el océano tiene un impacto significativo en el volumen y la distribución del derretimiento de los glaciares en el extremo. [8] La descarga de corrientes glaciales en el océano emerge como columnas que viajan hasta la superficie del océano a lo largo de la cara del glaciar, que pueden servir como fuentes de calor para el derretimiento de los glaciares. [9] El derretimiento del hielo debido a las columnas de descarga tiene un impacto significativo en áreas en las que las tasas de descarga superan los 100 m 3 /s −1 ; con tasas de descarga menores, el calor asociado a las columnas es insignificante en comparación con los efectos de la mezcla de los océanos. [9] La variabilidad estacional juega un papel importante en la forma en que las corrientes subglaciales influyen en el derretimiento de los glaciares. [10] Durante el verano, la producción de corrientes subglaciales es mucho mayor, lo que resulta en columnas que son más grandes, más rápidas y más flotantes que durante el invierno. [10] Además de que el mayor volumen de descarga aumenta el derretimiento glacial, la mayor flotabilidad de la columna da como resultado más turbulencia y, en consecuencia, más transferencia de calor al glaciar, aumentando aún más el derretimiento. [10] El efecto que tiene la descarga de corrientes subglaciales sobre el derretimiento de los glaciares también está influenciado por el tipo de sistema de drenaje subglacial; Las corrientes subglaciales distribuidas dan como resultado una salida de agua de deshielo uniformemente a lo largo de la línea de conexión a tierra (donde el glaciar pasa de hielo congelado a hielo flotante), mientras que el drenaje canalizado da como resultado grandes salidas individuales. [8] La descarga distribuida da como resultado volúmenes de deshielo glacial hasta cinco veces mayores que los del drenaje canalizado, ya que las fuertes columnas individuales de agua de deshielo no son tan capaces de inducir un derretimiento generalizado como un número mucho mayor de salidas más pequeñas. [8]
En los glaciares templados, que se caracterizan por la presencia de agua líquida en su base y son capaces de deslizarse, las corrientes subglaciares tienen un impacto significativo en el movimiento de los glaciares. La presión y la fricción del agua que se experimentan en la base de un glaciar dependen en parte de si el sistema hidrológico subglacial está canalizado o distribuido. [5] Los sistemas canalizados son una forma eficiente de drenaje, ya que pueden sacar rápidamente el agua del glaciar, reduciendo la presión del agua en el sistema. [5] Al disminuir la presión del agua debajo del glaciar, aumenta la fricción entre el hielo del glaciar y el lecho de roca debajo, lo que ralentiza el movimiento del glaciar. [5] Los sistemas de flujo distribuido, por el contrario, se caracterizan por un movimiento lento del agua en pequeñas cavidades y pasajes; Cuando aumenta el flujo de agua hacia el sistema, como durante períodos de alto derretimiento, el sistema no puede compensar, lo que resulta en grandes aumentos en la presión basal del agua. [5] Como resultado, la fricción entre el glaciar y el lecho se reduce y la velocidad de deslizamiento del glaciar aumenta. [5] El movimiento glacial también puede causar cambios en los sistemas de corrientes subglaciales, y hay retroalimentaciones entre los dos. [7] A medida que aumenta la presión del agua subglacial, aumenta la velocidad del deslizamiento del glaciar. Al deslizarse, el glaciar encuentra protuberancias en el lecho de roca: como resultado, se crean cavidades entre el hielo y el lecho. [7] El glaciar encuentra más baches debido a su mayor velocidad y, dado que el hielo que se mueve a mayor velocidad es menos capaz de mantener la conexión con el lecho de roca, los glaciares que se mueven más rápido son más propensos a formar cavidades al pasar sobre baches. [2] [1] Esto aumenta el espacio subglacial que puede llenarse con agua, disminuyendo la presión basal del agua. [7] La interacción entre el movimiento glacial y la hidrología subglacial crea un circuito de retroalimentación negativa, en el que el aumento de la presión del agua debajo del glaciar aumenta la velocidad de deslizamiento del glaciar, lo que a su vez disminuye la presión y, en consecuencia, la velocidad de deslizamiento. A través de este mecanismo, los efectos de los eventos de aceleración pueden disminuir con el tiempo. [7] Otro control sobre la velocidad de deslizamiento de los glaciares es el proceso de canalización. [7] Los altos niveles sostenidos de entrada de agua de deshielo dan como resultado un cambio de una red distribuida de corrientes subglaciales a un sistema más canalizado a medida que se desarrollan pasajes más grandes a través del hielo. [7] A medida que los canales más grandes pueden eliminar más eficientemente el agua del sistema subglacial, la presión del agua disminuye, lo que aumenta la fricción entre el glaciar y el lecho de roca y disminuye la velocidad de deslizamiento. [7]La canalización es el proceso más importante para poner fin a los eventos de aceleración y es responsable de la desaceleración de la velocidad de los glaciares al final del verano, después de la aceleración comúnmente observada a medida que aumenta el flujo de agua de deshielo en primavera. [7]
Los arroyos subglaciales transportan una cantidad significativa de materia orgánica y nutrientes, provenientes tanto del agua de deshielo supraglacial como de procesos subglaciales. [4] El agua de deshielo de ambientes supraglaciales que contienen carbono orgánico disuelto producido microbianamente , o DOC, fluye hacia los glaciares y eventualmente llega a los sistemas de corrientes subglaciares, que transportan la materia orgánica fuera del glaciar. [4] Esta fuente de DOC se complementa con materia orgánica producida dentro de ecosistemas subglaciales, donde existen diversas comunidades microbianas. [4] Aunque la concentración de materia orgánica disuelta en el agua de deshielo de los glaciares es baja, la gran cantidad de descarga de agua dulce de los glaciares hace que el DOC de origen glaciar sea una fuente importante de carbono biodisponible para los ecosistemas marinos. [11] Sólo en el Golfo de Alaska , la escorrentía glacial proporciona 0,13 Tg de carbono orgánico por año, gran parte del cual viaja a través de corrientes subglaciales. [11] Los arroyos subglaciales también transportan otros nutrientes importantes. Los procesos geológicos, incluida la trituración de los glaciares en el lecho de roca que se encuentra debajo y la interacción agua-roca, aseguran que los minerales se alimenten continuamente al sistema subglacial. [4] [3] El hierro transportado por corrientes subglaciales, por ejemplo, proviene principalmente de la erosión subglacial y puede ser responsable de un flujo de Fe lo suficientemente grande como para influir significativamente en la química oceánica global en escalas de tiempo geológicas. [3] Los procesos biológicos también proporcionan nutrientes a los arroyos subglaciales, y la nitrificación y desnitrificación por microbios afectan a las comunidades aguas abajo durante los períodos de deshielo. [4]
Los arroyos subglaciales pueden transportar, depositar y eliminar sedimentos del lecho del glaciar; este proceso está influenciado por el suministro de agua y la cantidad y características del sedimento disponible. [12] El tamaño de las partículas de sedimento, la pendiente del canal de la corriente subglacial y la rugosidad del lecho contribuyen a que el sedimento se movilice o deposite. [12] Las inundaciones subglaciales pueden provocar una erosión y un transporte de sedimentos significativos , y los estudios que modelan los canales subglaciales sugieren que el flujo estacional de agua de deshielo por sí solo puede erosionar el lecho de roca y transportar sedimentos tan grandes como cantos rodados. [12] Por el contrario, cuando la presión del agua es baja, como al final de una temporada de deshielo, se depositan sedimentos. [12] Cuando el suministro de sedimentos es lo suficientemente alto, la deposición de sedimentos puede formar un esker : una cresta alargada de sedimento que llena el canal de la corriente subglacial en el que se forma. [13] Estos eskers pueden ser temporales y durar solo hasta que el aumento de la presión del agua durante la próxima temporada de deshielo elimine el sedimento, o podrían ser permanentes. [12] La formación permanente de eskers es más común en glaciares y capas de hielo en retroceso, ya que sus extremos se están adelgazando, lo que favorece la deposición de sedimentos. [12] Los glaciares y las capas de hielo que avanzan exhiben extremos cada vez más pronunciados, lo que aumenta las tensiones de corte y, en consecuencia, la presión del agua, lo que favorece la eliminación de los sedimentos depositados fuera de los canales de los arroyos. [12]
Es probable que el cambio climático antropogénico provoque cambios significativos en los sistemas de corrientes subglaciales. A medida que aumenta el derretimiento de los glaciares como resultado del aumento de las temperaturas globales, también aumenta el flujo de agua hacia las corrientes subglaciales y su descarga desde ellas. [11] Una mayor entrada de agua procedente del derretimiento de la superficie puede afectar la hidrología de los sistemas subglaciales, cambiando el momento de las variaciones estacionales. [14] Como resultado del aumento del agua de deshielo inducido por el cambio climático, es probable que mayores volúmenes de agua lleguen al lecho a principios de año. [14] Esto provocaría que la transición del drenaje subglacial distribuido en invierno a arroyos canalizados en verano se produjera a principios de año. [14] El movimiento de los glaciares también podría verse afectado: dado que los glaciares dominados por sistemas canalizados tienen velocidades de deslizamiento menores, la transición más temprana a este sistema podría resultar en glaciares que se mueven más lentamente. [14] Sin embargo, las fluctuaciones a corto plazo en el volumen y la presión del agua de deshielo, que pueden volverse más intensas a medida que aumenta la escorrentía, podrían compensar esta disminución en el deslizamiento al causar aceleraciones localizadas. [14] Es probable que los aumentos en el volumen de descarga de corrientes subglaciales aumenten el derretimiento de los glaciares que terminan en el mar, ya que las tasas de derretimiento submarino son muy sensibles a la cantidad de descarga subglacial. [10]