O gelo marinho polar está em constante mudança. Ela encolhe, expande, move-se, desfaz-se, reforma-se em resposta às mudanças das estações e às rápidas alterações climáticas. Está longe de ser uma camada homogênea de água congelada na superfície do oceano, mas sim uma mistura dinâmica de água e gelo, bem como pequenas bolsas de ar e salmoura encerradas no gelo.
Uma nova pesquisa liderada por matemáticos e cientistas climáticos da Universidade de Utah está gerando novos modelos para a compreensão de dois processos críticos no sistema de gelo marinho que têm influências profundas no clima global: o fluxo de calor através do gelo marinho, ligando termicamente o oceano e a atmosfera, e o dinâmica da zona de gelo marginal, ou MIZ, uma região serpentina da cobertura de gelo marinho do Ártico que separa o gelo denso do oceano aberto.
Nas últimas quatro décadas, desde que as imagens de satélite se tornaram amplamente disponíveis, a largura da MIZ cresceu 40% e a sua extremidade norte migrou 1.600 quilómetros para norte, de acordo com Court Strong, professor de ciências atmosféricas.
“Também se deslocou em direção ao pólo, enquanto o tamanho da camada de gelo marinho diminuiu”, disse Strong, coautor de um dos dois estudos publicados por cientistas da U nas últimas semanas. “A maioria dessas mudanças aconteceu no outono, na época em que o gelo marinho atinge seu mínimo sazonal”.
Uma história de dois estudos, um norte e outro sul
Este estudo, que adapta um modelo de transição de fase normalmente utilizado para ligas e soluções binárias em escala laboratorial para a dinâmica MIZ na escala do Oceano Ártico, aparece em Relatórios Científicos. Um segundo estudo, publicado no Anais da Royal Society A e com base em pesquisas de campo na Antártida, desenvolveu um modelo para compreender a condutividade térmica do gelo marinho. A capa da edição apresentava uma foto expondo canais de salmoura regularmente espaçados nos poucos centímetros inferiores do gelo marinho da Antártica.
O gelo que cobre ambas as regiões polares diminuiu acentuadamente nas últimas décadas graças ao aquecimento global provocado pelo homem. O seu desaparecimento também está a gerar um ciclo de retroalimentação onde uma maior parte da energia solar é absorvida pelo oceano aberto, em vez de ser reflectida de volta para o espaço pela cobertura de gelo.
Os professores de matemática de Utah, Elena Cherkaev e Ken Golden, um importante pesquisador do gelo marinho, são autores de ambos os estudos. O estudo do Ártico liderado por Strong examina as macroestruturas do gelo marinho, enquanto o estudo da Antártica, liderado pela ex-pesquisadora de pós-doutorado de Utah, Noa Kraitzman, aborda seus aspectos de microescala.
O gelo marinho não é sólido, mas sim uma esponja com pequenos buracos cheios de água salgada ou inclusões de salmoura. Quando a água do oceano abaixo interage com esse gelo, ela pode estabelecer um fluxo que permite que o calor se mova mais rapidamente através do gelo, assim como quando você mexe uma xícara de café, segundo Golden. Os investigadores do estudo da Antártica usaram ferramentas matemáticas avançadas para descobrir o quanto este fluxo aumenta o movimento de calor.
O estudo de condutividade térmica também descobriu que o gelo novo, ao contrário do gelo que permanece congelado ano após ano, permite maior fluxo de água, permitindo assim uma maior transferência de calor. Os modelos climáticos atuais podem estar a subestimar a quantidade de calor que se desloca através do gelo marinho porque não têm em conta totalmente este fluxo de água. Ao melhorar estes modelos, os cientistas podem prever melhor a rapidez com que o gelo marinho derrete e como isso afecta o clima global.
Embora os aspectos do gelo investigados nos dois estudos sejam bastante diferentes, os princípios matemáticos para modelá-los são os mesmos, segundo Golden.
“O gelo não é um continuum. É um monte de blocos. É um material composto, assim como o gelo marinho com pequenas inclusões de salmoura, mas é água com inclusões de gelo”, disse Golden, descrevendo a zona de gelo marginal do Ártico. “É basicamente a mesma física e matemática em um contexto e ambiente diferentes, descobrir quais são as propriedades térmicas efetivas em grande escala, dada a geometria e as informações sobre os flocos, o que é análogo a fornecer informações detalhadas sobre as inclusões de salmoura no escala submilimétrica.”
Golden gosta de dizer que o que acontece no Ártico não fica no Ártico. As mudanças na MIZ estão certamente a ocorrer noutras partes do mundo sob a forma de perturbações nos padrões climáticos, pelo que é fundamental compreender o que está a acontecer. A zona é definida como aquela parte da superfície do oceano onde 15% a 80% é coberta por gelo marinho. Onde a cobertura de gelo é superior a 80%, é considerado gelo compactado e menos de 15% é considerada a orla externa do oceano aberto.
Uma imagem preocupante vista do espaço
“O MIZ é a região ao redor da borda do gelo marinho, onde o gelo é quebrado em pedaços menores pelas ondas e pelo derretimento”, disse Strong. “As mudanças na MIZ são importantes porque afetam a forma como o calor flui entre o oceano e a atmosfera, e o comportamento da vida no Ártico, desde microorganismos até ursos polares, e a navegação dos humanos.”
Com o advento de dados de satélite de qualidade a partir do final da década de 1970, o interesse científico na MIZ cresceu, uma vez que agora as suas alterações são facilmente documentadas. Strong foi um dos que descobriram como usar imagens tiradas do espaço para medir a MIZ e documentar mudanças alarmantes.
“Nas últimas décadas, vimos o MIZ aumentar dramaticamente em 40%”, disse Strong.
Durante anos, os cientistas examinaram o gelo marinho como a chamada “camada mole”. À medida que uma liga metálica derrete ou solidifica a partir do líquido, de qualquer forma ela passa por um estado poroso ou pastoso onde as fases líquida e sólida coexistem. O congelamento da água salgada é semelhante, resultando em um hospedeiro de gelo puro com bolsas de salmoura líquida, que é particularmente poroso ou mole nos poucos centímetros mais próximos do oceano mais quente, com canais verticais chamados de “chaminés” na linguagem da camada mole.
A equipe de Strong testou se a física da camada mole modelada anteriormente poderia ser aplicada às vastas extensões do MIZ. De acordo com o estudo, a resposta é sim, abrindo potencialmente um novo olhar sobre uma parte do Ártico que está em constante fluxo.
Em suma, o estudo propôs uma nova forma de pensar sobre a MIZ, como uma região de transição de fase em grande escala, semelhante à forma como o gelo derrete na água. Tradicionalmente, o derretimento tem sido visto como algo que acontece em pequena escala, como nas bordas dos blocos de gelo. Mas quando o Ártico é visto na sua totalidade, a MIZ pode ser vista como uma ampla zona de transição entre gelo sólido e denso e águas abertas. Esta ideia ajuda a explicar porque é que a MIZ não é apenas uma fronteira nítida, mas sim uma região “mole” onde coexistem gelo e água.
“Na ciência climática, utilizamos frequentemente modelos muito complexos. Isto pode levar a previsões hábeis, mas também pode dificultar a compreensão do que está a acontecer fisicamente no sistema”, disse Strong. “O objetivo aqui era criar o modelo mais simples possível que pudesse capturar as mudanças que estamos vendo no MIZ e, em seguida, estudar esse modelo para obter informações sobre como o sistema funciona e por que está mudando.”
O foco deste estudo foi compreender o ciclo sazonal da MIZ. O próximo passo será aplicar este modelo para compreender melhor o que impulsiona as tendências da MIZ observadas nas últimas décadas.
