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La existencia de las glaciaciones fue deducida por primera vez en 1837 por el biólogo suizo-norteamericano Louis Agassiz, quien descubrió que las glaciaciones de los Alpes se habían expandido en otros tiempos sobre las tierras bajas de los alrededores. Esto lo llevó a sugerir que en un tiempo geológico no muy lejano el clima fue mucho más riguroso que hoy, hipótesis que se vio reforzada por sus estudios en Escocia y los Estados Unidos.
En 1842, el matemático francés Joseph Adhémar sugirió que las glaciaciones podrían haberse originado por factores astronómicos.
Durante la década de 1860, el científico escocés James Croll, presentó una novedosa teoría para explicar las glaciaciones y se basó en los cálculos que había realizado el astrónomo francés Urbain Leverrier para predecir las variaciones de la excentricidad de la órbita de la Tierra alrededor del Sol. De acuerdo con Croll, las complicadas interacciones gravitatorias en el sistema solar hacen que la forma de la órbita terrestre cambie de modo regular y previsible, pasando de ser casi circular a una forma de elipse algo estirada. Según este científico, cuando la órbita es circular, se expresan las condiciones cálidas características de un período interglacial; mientras que la órbita alargada corresponde a los períodos glaciales. Croll sostenía que si los inviernos eran fríos la nieve podía acumularse con mayor facilidad y, de este modo, reflejaría la radiación solar incidente manteniendo a la Tierra fría. Si durante los inviernos del Hemisferio Norte la Tierra estaba lejos del Sol -lo que sucede cuando la órbita tiene forma alargada-, debería producirse una glaciación.
También existe la creencia de que las glaciaciones fueron una consecuencia de sucesos climáticos bastante amplios; al alterar las distribuciones de pluviosidad y evaporación, los cambios de intensidad de las estaciones parecen haber provocado que el océano y la atmósfera (un sistema único acoplado) salten de un modo de operación a otro muy diferente. Con cada salto, cambió la circulación oceánica, el transporte de calor alrededor del globo tuvo lugar de manera diferente, se alteraron las propiedades de la atmósfera, cambió el clima y como consecuencia, las masas de hielo se expandieron o retrajeron.
En 1991 Ruddiman y Kutzbach dijeron que hace 40 millones de años predominaba una distribución uniforme de la lluvia a lo largo del año y que el clima del planeta era más cálido y húmedo que lo que es hoy, pero a lo largo de los últimos 40 millones de años el clima cambió, se desarrollaron ambientes más fríos y extremos regionales de precipitación mucho mayores, debido a un espasmo del levantamiento geológico que dio por resultado la formación de mesetas y elevadas en varias regiones, estas elevaciones generaron unas diferenciaciones regionales de cambios climáticos estacionales y anuales (más fríos o más cálidos, más secos o más lluviosos), alejándose de los climas uniformes de tiempos anteriores. Como consecuencia de esto, ellos dicen que la temperatura a altas latitudes han descendido 10 ºC o más durante los últimos 40 millones de años, que a largo plazo ha supuesto la formación de una capa de hielo sobre el océano Ártico.
La teoría de Holffman y Scharg en el año 2000, argumenta que hace unos 600 millones de años, inmediatamente antes de la aparición de los organismos pluricelulares, dominó una edad de hielo donde estaban congelados hasta los trópicos; las temperaturas medias globales descendieron hasta –50ºC, los océanos fueron cubiertos por una capa de hielo de más de 1 km de espesor y la mayoría de los organismos murieron, menos aquellos que se ubicaron cerca de los manantiales termales oceánicos. El error de esta teoría es la ausencia del agente desencadenante a una glaciación de tales proporciones. Estos científicos afirman que el dióxido de carbono emitido por los volcanes fue el agente que permitió el calentamiento del planeta ya que se acumuló en la atmosfera hasta niveles suficientes para poner fin a la glaciación global. Con el calentamiento del planeta, la humedad del hielo marino que se sublima en la vecindad del ecuador vuelve a congelarse a mayores latitudes y alimenta el crecimiento de glaciales terrestres. Las áreas de mar abierto absorbieron mayor energía y se inició un aumento más rápido de la temperatura. En cuestión de siglos, el mundo sofocante de calor y humedad suplementa el gélido anterior. Pero esta teoría solamente explica cómo pudo haber sido el clima en el planeta del pasado, cómo fue la primera glaciación y cómo se calentó el planeta nuevamente; sin embargo, no explica por qué posteriormente aparecieron nuevos periodos glaciales de menor intensidad.
LAS CAUSAS DE LOS CICLOS GLACIALES
Los Ciclos de Milankovitch
El astrónomo yugoslavo Milutin Milankovich, entre las décadas de 1920 y 1930, calculó laboriosamente las variaciones de insolación resultantes de cambios en los movimientos de traslación y de rotación de la Tierra y propuso un mecanismo astronómico para explicar los ciclos glaciales que constaba de tres factores o componentes: dos alteran la intensidad de las estaciones y el tercero afecta a la interacción entre aquellos.
Actualmente está desviado unos 23,44 grados respecto a la vertical y fluctúa desde 21,5 grados hasta 24,5 grados con un período de 41 000 años. Al aumentar la inclinación resultan más extremas las estaciones en ambos hemisferios, los veranos se hacen más cálidos y los inviernos más duros. Cuando la inclinación del eje de la Tierra es máxima, las zonas polares reciben también un máximo de insolación y calor, pues apuntan más directamente hacia el Sol. Esta situación conduce a veranos cálidos e inviernos rigurosos en latitudes altas y se corresponde con climas interglaciares, pues el calor de los veranos es más que suficiente para derretir la nieve caída en los inviernos. La situación contraria produce veranos poco cálidos que no son capaces de derretir la nieve del invierno, de forma que ésta se acumula año tras año, posibilitando la formación de casquetes glaciares polares y de montaña.
Este factor acentúa las variaciones estacionales, aunque con menor intensidad. Con un período de aproximadamente 100000 años, la órbita se alarga y acorta, provocando que su elipse sea más excéntrica y luego retorne a una forma más circular. La excentricidad de la órbita terrestre varía desde el 0,5 %, correspondiente a una órbita prácticamente circular, al 6 % en su máxima elongación. Cuando la elipse alcanza su excentricidad máxima se intensifican las estaciones en un hemisferio y se moderan en el otro.
La tercera fluctuación astronómica describe una circunferencia completa aproximadamente cada 23000 años. La precesión determina si el verano en un hemisferio dado cae en un punto de la órbita cercano o lejano al Sol. El efecto que produce es un refuerzo de las estaciones cuando la máxima inclinación del eje terrestre coincide con la máxima distancia al Sol. Cuando esos dos factores se apoyan entre sí en un hemisferio, se contraponen en el hemisferio opuesto.
La precesión de los equinoccios parte del hecho de que la Tierra no es totalmente esférica. La acción de las mareas provocadas por el Sol, la Luna y los demás planetas sobre el ecuador provoca un retraso en su velocidad de giro, razón también por la que la duración de los años no es siempre igual. En consecuencia, el momento en el que el Polo apunta hacia el Sol no se corresponde siempre al mismo punto de la órbita de la Tierra. La situación de los equinoccios y, por tanto, de las estaciones, presenta un doble ciclo principal de 23.000 años y otro menor de 19.000. En la actualidad la Tierra está lejos del Sol el 21 de junio, y cerca el 21 de diciembre, por eso la tendencia es a inviernos poco rigurosos. La unión de estos tres efectos: mucha inclinación del eje, mayor distancia al Sol y que ésta sea en diciembre, produciría un mínimo de insolación y un máximo de frío, propiciando la extensión de los glaciares.
Milankovitch, además, incorporó una idea del climatólogo alemán Wladimir Köppen en la teoría astronómica. Esta fue la sugerencia de que la causa inmediata de una glaciación se debe a la reducción de la irradiación solar en verano, con la consiguiente disminución de la fusión de los hielos formados en el invierno, y no a una sucesión de inviernos rigurosos, como pensaba Croll.
La variación de la excentricidad de la órbita terrestre ejerce un efecto mucho más débil sobre la intensidad de radiación solar que incide en la superficie del planeta que los ciclos cortos, ya que se estima que su contribución directa al cambio de irradiación sobre la Tierra es menor que el 0,1 % pero, sin embargo, parecería establecer la frecuencia de las últimas glaciaciones, que es cercana a 100000 años.
Milankovitch calculó que esos tres factores actúan conjuntamente haciendo variar, hasta en un 20 % la irradiación solar recibidas en las altas latitudes septentrionales durante el verano, lo que según argumentaba, basta para permitir que las grandes masas de hielo se extiendan sobre los continentes del hemisferio boreal en las épocas de veranos frescos e inviernos suaves. Durante muchos años, sin embargo, la falta de un registro independiente que indicara los momentos en que habían tenido lugar los periodos glaciales impidió someter a prueba la hipótesis.
La consideración de estos ciclos sirvió a Milankovitch para establecer unas curvas que permitían considerar la variación del calor aportado por el sol como causa de las glaciaciones. La temperatura de la Tierra está en función del calor del Sol. En las latitudes altas, el Sol incide más oblicuamente que en las bajas, por lo que la cantidad de calor aportada es menor en los polos que en el ecuador.
Los ciclos más cortos generalmente se manifiestan en menores oscilaciones de la temperatura, aunque el registro de paleo-temperaturas del último millón de años obtenido por Cesare Emiliani sugiere que estos ciclos pudieron modular las glaciaciones en ciertos momentos del Cuaternario.
Teoría de Cesare Emiliani
Los ciclos predichos por la teoría de Milankovitch fueron confirmados experimentalmente en la década de 1960 por Cesare Emiliani, quien estimó las temperaturas del último millón de años a partir de la composición isotópica del oxígeno presente en el caparazón de microfósiles del fondo oceánico, en forma de carbonato de calcio.
El método usado por Emiliani se basa en la dependencia de la composición isotópica del oxígeno con la temperatura. El oxígeno se presenta en la naturaleza como una mezcla de tres isótopos, llamados oxígeno 16 (99,762 %), oxígeno 17 (0,038 %) y oxígeno 18 (0,200 %). El hidrógeno y el carbono naturales también son mezclas de isótopos. El hidrógeno está formado por hidrógeno 1 (99,985 %) e hidrógeno 2 ó deuterio (0,015 %). Un tercer isótopo, el hidrógeno 3 ó tritio, es radiactivo y está presente en una proporción extremadamente baja. Por su parte, el carbono está constituido principalmente por carbono 12 (98,90 %) y carbono 13 (1,10 %). El carbono 14 es radiactivo y su proporción es despreciable, sobre todo en muestras muy antiguas.
Paleo-temperaturas de la superficie del agua en el Caribe obtenidas por Cesare Emiliani (1966)
La molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. Como los átomos de los distintos isótopos de un mismo elemento químico tienen diferentes masas, habrá distintos tipos de moléculas de agua; la más liviana estará formada por un átomo de oxígeno 16 y dos átomos de hidrógeno 1, mientras que la más pesada tendrá un átomo de oxígeno 18 y dos átomos de hidrógeno 2. Las moléculas más livianas son las más veloces para una cierta temperatura y son las que más fácilmente escaparán del líquido para formar parte del vapor. Por lo tanto, cuando se evapora el agua de mar, por ejemplo, el vapor se enriquece en los isótopos de oxígeno y de hidrógeno más livianos, mientras que el líquido lo hace con los isótopos más pesados. Algo similar sucede con el dióxido de carbono, cuya molécula contiene un átomo de carbono y dos de oxígeno.
Si aumenta la temperatura aumenta la evaporación y por lo tanto se incrementa la proporción de los isótopos más pesados en el agua líquida. Debido a que los átomos de oxígeno pueden pasar del agua al dióxido de carbono y a los bicarbonatos disueltos, estos últimos también se enriquecerán en los isótopos más pesados a medida que se incrementa la temperatura. Por lo tanto, si se determina la composición isotópica del oxígeno en muestras originadas en el pasado, se puede conocer la temperatura existente en el momento de su formación. Esto se logra empleando una técnica llamada espectrometría de masa. Emiliani determinó la composición isotópica del oxígeno presente en el carbonato de calcio del caparazón de microfósiles planctónicos y por lo tanto, pudo conocer la temperatura del agua de mar hasta unos 400 mil años atrás.
A principios de los años cincuenta, Cesare Emiliani, presentó la primera historia completa que mostraba el avance y retroceso de los hielos durante las últimas glaciaciones. Las moléculas de agua que contienen el isótopo más pesado tienden a condensarse y caer en forma de precipitación un poco más fácil que las moléculas que alojan el isótopo más ligero. De aquí a que a medida que el agua se evaporaba de los océanos calientes y el vapor se alejaba de su fuente, el oxígeno 18 retornó preferentemente a los océanos en forma de precipitación. La que terminaba por caer en forma de nieve sobre los campos de hielo y glaciares se hallaba relativamente empobrecida en oxígeno 18. Al acumularse el hielo pobre en oxígeno 18, los océanos quedaron enriquecidos en el isótopo. Cuanto más crecieran las masas de hielo, tanto más subiría la proporción de oxígeno 18 en el agua del mar y por lo tanto, en los sedimentos. Desde aquí se realizaron otras series de estudios y se ha mejorado la teoría.
Aunque el hielo glacial es en general pobre en oxígeno 18, el contenido exacto registra la temperatura local en la época en que se formó el hielo. Se investigó que durante la última glaciación, ambos polos se enfriaron- llegando hasta 10 grados Celsius por debajo de la temperatura actual- y se calentaron al unísono.
Los testigos de hielo de Vostok
Hace unos años, un grupo franco-ruso pudo identificar la composición atmosférica durante los períodos de expansión y retroceso de los glaciales realizando determinaciones en el hielo antártico en las cercanías de la base Vostok. El hielo es perforado perpendicularmente a la superficie y las muestras que se extraen llamadas testigos conservan en su interior burbujas de aire entrampado que se estudian. Este testigo, que medía unos 2000 metros de largo, brindó información que se remonta a los últimos 160000 años. Investigaciones similares se realizaron en Groenlandia.
Los primeros resultados, publicados en 1987 en la revista Nature, indican fluctuaciones de temperaturas de hasta 10 grados. También muestran la forma en que variaron las concentraciones de algunos gases atmosféricos con la temperatura a lo largo de ese intervalo. Se comprobó que cuando las temperaturas eran más elevadas, la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera era mayor. Estos resultados, sin embargo, no pueden discriminar si la elevación de temperatura es causada por el incremento de la concentración de dióxido de carbono o si éste es provocado por el aumento de la temperatura.
En 1997, el equipo de investigadores anunció los nuevos resultados obtenidos al estudiar los testigos de hielo de la base Vostok, que extendieron la información paleo-climática a más de 400000 años atrás. En el gráfico publicado por estos científicos se observan claramente los ciclos de 23000, 41000 y 100000 años, que corresponden a cuatro ciclos glaciales.
El hielo reveló también algo mucho más interesante. Se midió el contenido en dióxido de carbono de las diminutas burbujas de aire que habían quedado aprisionadas en el hielo, hallando que, durante la última glaciación, el contenido en dióxido de carbono en la atmósfera era de unos dos tercios de su nivel interglaciar. La curva del dióxido de carbono descubría un ingrediente que faltaba en la receta climática: el océano. Solo una interacción drástica del comportamiento del océano podría explicar cambios tan espectaculares de la composición atmosférica. Después de todo, los océanos contienen una cantidad de dióxido de carbono 60 veces superior a la de la atmósfera; como el gas se difunde fácilmente a través de la superficie de separación océano-atmósfera, su concentración en las aguas superficiales regula la concentración atmosférica.
Una característica clave de la circulación del Atlántico de nuestros días faltaba en la época glacial, hasta hace 14.000 años: durante la época glacial, los nutrientes mostraban una disminución más uniforme con la profundidad en todos los océanos del mundo. Además, la concentración en el atlántico glacial era máxima en las partes más profundas y no en las intermedias como ocurre hoy; estas investigaciones confirman que la “cinta transportadora” atlántica, que libera enormes cantidades de calor en el atlántico norte y envía inmensos volúmenes de agua al abismo, estuvo fuera de servicio hasta que terminó el último periodo glacial, hace 14.000 años. En ausencia de este componente crucial, la circulación oceánica mundial ofreció un aspecto muy distinto del que hoy presenta.
Las pruebas oceánicas y continentales, apuntan a un cambio simultáneo del comportamiento de los océanos y la atmósfera hace 14.000 años. La configuración de la circulación oceánica cambió drásticamente; en ambos hemisferios, los glaciales comenzaron a retirarse, augurando un calentamiento global; y el contenido en dióxido de carbono de la atmósfera inició su descenso hasta niveles interglaciares. Creemos que todos esos sucesos indican una importante reorganización del sistema conjunto atmósfera- océano: un salto del comportamiento glacial al interglaciar.
La cinta transportadora atlántica
En el Atlántico, las aguas cálidas superficiales viajan hacia el norte, llegando a la vecindad de Groenlandia, donde el aire del ártico las enfría, se sumergen y forman una corriente que recorre el Atlántico hasta el Océano Glacial Antártico. Allí esta corriente es más cálida y por lo tanto menos densa que las frígidas aguas superficiales, asciende de nuevo, se enfría hasta el punto de congelación y se hunde nuevamente en el abismo. Algunas lenguas del agua antártica de fondo, las más densas del mundo, fluyen en dirección norte hasta los océanos Atlántico, Pacífico e Índico, aflorando de nuevo para repetir el ciclo. En los océanos Pacífico e Índico el movimiento hacia el norte de las aguas profundas queda compensado por un movimiento hacia el sur de las superficies.
Estas aguas profundas se forman en el Atlántico Norte y no en el Pacífico, debido a que la salinidad de las aguas superficiales del Atlántico es mayor, ya que el aire frío del Atlántico norte hace que el agua libere calor enfriándose desde 10 hasta 2 ºC. La salinidad del agua, junto con el bajón de temperatura, le confiere una alta densidad y se hunde hasta el fondo del océano e inician un tipo global de circulación que distribuye de manera efectiva la sal en todos los océanos del mundo.
La circulación de la cinta transportadora origina un colosal transporte de calor hacia el norte (el agua que fluye en esta dirección está, en promedio, ocho veces más caliente que el agua fría que avanza hacia el sur). El agua fluye por las profundidades del atlántico, dobla el extremo sur del continente africano (El cabo de Buena Esperanza) y se une a la corriente abisal que rodea la Antártida. La cesión de este calor a las masas de aire ártico sobre el Atlántico Norte explica el clima anómalo, por templado, de Europa.
La cinta transportadora es un mecanismo frágil y vulnerable que podría arruinarse con inyecciones de un exceso de agua dulce en el Atlántico Norte. Si el mecanismo transportador se detuviera, la temperatura del Atlántico Norte y las tierras aledañas caerían bruscamente 5 ºC o más. Pero según modelos sobre el comportamiento del océano, la cinta transportadora tornaría a ponerse nuevamente en movimiento aunque habrían de transcurrir cientos de años y no sería necesariamente igual a la circulación actual.
Esta teoría se apoya en la teoría de los ciclos glaciales de Milankovitch, sin embargo, no se presenta la forma como podrían asociarse ambas teorías. Los testigos de hielo y otros archivos sugieren que la temperatura media de toda la cuenca del Atlántico Norte descendió unos siete grados en remotas olas de frío.
Esta teoría recibe un gran apoyo de un acontecimiento climático llamado Joven Dryas, que tuvo lugar varios miles de años después de que los glaciares iniciaran su retirada, e ilustra vivamente el lazo que hay entre el transporte de agua dulce y la circulación oceánica. Hace nos 11.000 años, la retirada de los glaciares estaba bastante avanzada y las temperaturas habían subido hasta niveles interglaciares. De repente, en solo 100 años, Europa septentrional y el norte de América regresaron a las condiciones glaciales, luego, unos mil años más tarde, este periodo frío terminó de forma brusca: en solo 20 años. La cinta transportadora había dejado de funcionar, se habían detenido la formación de aguas profundas. Una inmensa entrada de agua dulce procedente de las masas de hielo norteamericano en fusión parece haber atrancado el mecanismo transportador, desencadenando con ello el joven Dryas. La capa de hielo comenzó a retirarse hace 14.000 años, al principio casi toda el agua fundida de la inmensa capa de hielo fluyó Mississippi abajo hacia el golfo de México. No obstante, hace 11.000 años, algún acontecimiento provocó que gran parte del agua de fusión se desviara por el río San Lorenzo hacia el Atlántico Norte, desembocando en las cercanías del lugar de formación de las aguas profundas. Allí redujo la salinidad de las aguas superficiales y su densidad, en tal cantidad, que pese al fuerte enfriamiento invernal, no podían hundirse en el abismo. La cinta transportadora permaneció fuera de servicio hasta 1.000 años más tarde, cuando un enorme lóbulo de hielo avanzó y cerro de nuevo la salida hacia el río San Lorenzo; el agua de fusión volvió a verter hacia el río Mississippi, la cinta transportadora oceánica se reactivó y Europa se templó de nuevo.
A modo de conclusión
Primero que todo se debe destacar que el origen de la glaciación no está claro. Se piensa que los saltos bruscos de un comportamiento a otro pueden ser la causa fundamental de los ciclos glaciales en general.
Se creía en un principio que las glaciaciones solo habían ocurrido en el hemisferio norte, pero hay pruebas que explican que también ocurrieron en el hemisferio sur.
La cinta transportadora acarrea agua fría y muy salina, originada en el Atlántico Norte, a todos los océanos del mundo. Cuando el agua caliente fluye hacia el norte para remplazarla, el intercambio de calor resultante produce fuertes efectos climáticos. Se afirma que durante los periodos glaciales la cinta transportadora estaba detenida o muy apagada, mientras que en los interglaciares funciona con vigor.
El hombre ha alcanzado niveles tales de industrialización y consumo que ha modificado los ciclos naturales que hasta hace poco habían mantenido en un relativo equilibrio el clima del planeta. Se cree que el clima del mundo actual representa el extremo cálido de un ciclo de glaciación.
Actividades sugeridas
1.- ¿Cuándo fue deducida por primera vez la existencia de la glaciación y por quién?
2.- ¿Quién sugirió que las glaciaciones podrían haberse originado por factores astronómicos?
3.- ¿Cuál fue la teoría del escocés James Croll sobre las glaciaciones?
4.- ¿Qué creencias se tenían sobre el clima y la glaciación?
5.- Explica la teoría de Holffman y Scharg en el año 2000.
6.- ¿Cuáles fueron las causas de los ciclos glaciares?
7.- Explica la teoría de Cesare Emiliani en la década de 1960.
8.- ¿Qué ha sucedido a partir de 1997 con las investigaciones sobre la glaciación?
Referencias Bibliografías
COVER, Curt. 1984, abril. Órbita terrestre y periodos glaciares. Libro de investigación y Ciencia: El Clima. P. 19-27.
BROECKER, Wallace s; DENTON, George H. 1990, marzo. ¿Qué mecanismos gobiernan los ciclos glaciales?. Libro de investigación y ciencia: El Clima. P.29-37.
RUDDIMAN, William F; KUTZBACH, john E. 1991. Almacenamiento de mesetas y cambios climáticos. Investigación y ciencia, No.176, mayo. P.42 – 50.
HOFFMAN, Paul E. ; SCHARG, Daniel P. 2000. La tierra, una bola de nieve. Investigación y ciencia No. 282, marzo. P38-45.
fluidos.eia.edu.co/hidrologiaii/articuloseshii/.../glacioacionesyclima.htm
