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¿Cómo ayuda Copernicus a comprender la magnitud del deshielo del permafrost y sus impactos en la sociedad y el medio ambiente?

 

 

El permafrost, o suelo permanentemente congelado, está muy extendido en el Ártico, en las áreas libres de hielo de la Antártida y en las regiones de alta montaña. De manera similar a los glaciares, el permafrost se ha enfrentado recientemente a niveles crecientes de deshielo debido al aumento de las temperaturas. El programa Copernicus y sus servicios ayudan a comprender la situación y mitigar los impactos.

Según la Asociación Internacional de Permafrost (IPA), el permafrost se define como el suelo que permanece a 0°C o menos durante al menos dos años consecutivos. Incluye todo lo que contiene el suelo: suelo, roca, hielo y materiales orgánicos. De manera similar a la humedad del suelo, el permafrost es una de las Variables Climáticas Esenciales utilizadas para describir el clima de la Tierra por el Sistema Global de Observación del Clima (SMOC).

El permafrost continuo y discontinuo cubre aproximadamente el 20% de la superficie del planeta y puede alcanzar una profundidad de más de 1500 metros. En latitudes más altas, hay un permafrost continuo con el límite aproximadamente igual a la isoterma de –1°C. En estas regiones, el permafrost cubre más del 90% del paisaje y se extiende principalmente por debajo del límite del bosque. A esta zona le sigue el permafrost discontinuo, también conocido como “permafrost lenticular”, que forma más del 50% del paisaje. También es posible encontrar permafrost esporádico en latitudes más bajas.

La Iniciativa de Cambio Climático de la ESA presentó recientemente los primeros mapas globales y consistentes de permafrost utilizando observaciones satelitales. Gracias a una estrecha colaboración entre la Iniciativa de Cambio Climático (CCI) de la ESA y el servicio de Cambio Climático de Copernicus (C3S), se ha puesto en marcha un proceso para garantizar una complementariedad eficiente en las actividades técnicas de CCI y C3S de la ESA con respecto a las Variables Climáticas Esenciales - Investigación ECV & Desarrollo y Producción Operacional ECV. CCI responde a los requisitos de C3S para productos de datos ECV; y responde a los comentarios relevantes de los usuarios recopilados por C3S. Este proceso ciertamente se aplicará a la ECV de Permafrost cuando alcance la madurez operativa.

 

A demonstration of an animation available on  ESA’s Climate Change Initiative presenting   mean annual ground temperature at 2m depth, the standard depth used to indicate the presence of permafrost.

 Una demostración de una animación disponible en la Iniciativa de Cambio Climático de la ESA que presenta la temperatura media anual del suelo a 2 m de profundidad, la profundidad estándar utilizada para indicar la presencia de permafrost.

 

En su artículo, Obu y sus coautores (2019) explican cómo se desarrolló el modelo de probabilidad de permafrost y conjuntos de datos de zonificación de permafrost para el hemisferio norte a alta resolución espacial. El mapa se elaboró utilizando el modelo TTOP (temperatura en la parte superior del permafrost) que calcula la temperatura media anual del suelo en la parte superior del permafrost, en función de la temperatura media anual del aire. El modelo se basa en una serie de conjuntos de datos, como los datos de reanálisis del clima ERA-5 reducidos producidos por ECMWF y accesibles a través del Servicio de Cambio Climático de Copernicus. Los autores también utilizaron las temperaturas de la superficie terrestre detectadas a distancia, las clases de humedad de la tundra y los mapas de cobertura terrestre del proyecto Iniciativa de Cambio Climático de Cobertura Terrestre de la ESA.

 

Difference between borehole (Brown et al., 1997) and modelled mean annual air temperature for Canada and Alaska. Source: Obu and co-authors (2019)

Diferencia entre el pozo (Brown et al., 1997) y la temperatura media anual modelada del aire para Canadá y Alaska. Fuente: Obu y coautores (2019)

 

Un problema llamado descongelación


La mayor parte del territorio del permafrost se formó durante los períodos glaciales fríos del Holoceno, después del final de la última edad de hielo. Desde entonces, el suelo ha estado congelado durante miles de años. Recientemente, áreas cada vez más grandes y suelos helados más profundos se están derritiendo durante la temporada de verano. Desde finales de la década de 1970, las temperaturas del permafrost han aumentado entre 0,5°C y 2,0°C según el IPCC.

Esta situación está vinculada a los cambios actuales en el clima de la Tierra. Las regiones árticas se están calentando significativamente más rápido que el resto del planeta y el aumento de las temperaturas está provocando un mayor deshielo del permafrost.

Incluso si el calentamiento global se limita a muy por debajo de 2,0°C, alrededor del 25% del permafrost cercano a la superficie (3-4 metros de profundidad) se descongelará para el 2100. Según el Informe Especial del IPCC sobre el Océano y la Criosfera en un Clima Cambiante (SROCC), si las emisiones de gases de efecto invernadero siguen aumentando considerablemente, es posible que se pierda alrededor del 70% del permafrost cercano a la superficie.

Los sensores de observación satelital de la Tierra pueden detectar características de la superficie de terrenos de permafrost y accidentes geográficos periglaciales. Por lo general, es posible monitorear los signos del derretimiento del permafrost a través de parámetros ambientales relacionados, como los cambios en la temperatura de la superficie terrestre. Este tipo de información está disponible a través del Servicio de Monitoreo Terrestre de Copernicus (CLMS) que proporciona productos de Temperatura de la Superficie de la Tierra (LST) con una resolución espacial de 5 km. La detección periódica de cambios en la temperatura de la superficie es importante para monitorear la tasa de fusión del permafrost. Los científicos pueden utilizar estos datos para investigar las correlaciones entre el aumento de la temperatura y el derretimiento del permafrost.

 

Arctic land cover changes in a typical periglacial landforms showing how thawing permafrost is changing the landscape (Processed by ZAMG, published by ESA, contains modified Copernicus Sentinel data, 2019) Source: https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2019/05/Arctic_land_cover

Ilustración: Cambios en la cobertura terrestre del Ártico en un relieve periglacial típico que muestra cómo el deshielo del permafrost está cambiando el paisaje (Procesado por ZAMG, publicado por la ESA, contiene datos de Copernicus Sentinel modificados, 2019) Fuente: https://www.esa.int/ESA_Multimedia/ Imágenes / 2019/05 / Arctic_land_cover

 

Los crecientes impactos de la descongelación


El deshielo también afecta directamente a las personas, al dañar edificios residenciales, carreteras e instalaciones de almacenamiento de materiales peligrosos, entre otros. El deshielo del suelo provoca un cambio en la resistencia del suelo, lo que a su vez afecta a las viviendas y la infraestructura. Por ejemplo, según Citilab, en Vorkuta (Rusia), la cuarta ciudad más grande al norte del Círculo Polar Ártico, “alrededor del 40 por ciento de los edificios se han deformado por cambios en el terreno”. En Norilsk, la ciudad más grande construida sobre permafrost continuo, “alrededor del 60 por ciento de los edificios han sido dañados por el deshielo del permafrost”.

 

 Thawing of the soil and changing its strength leads to disturbing the statics of houses and infrastructure Source: Lisa Demer from Anchorage Daily News

El descongelamiento del suelo y el cambio de su resistencia alteran la cimentación de las casas y las infraestructuras Fuente: Lisa Demer de Anchorage Daily News

 

El hundimiento de la tierra causado por el derretimiento del permafrost se puede monitorear desde el espacio utilizando instrumentos de radar. Debido a las grandes áreas afectadas, las imágenes por satélite son una buena herramienta de seguimiento. Por ejemplo, Strozzi y sus coautores utilizaron imágenes de interferometría Copernicus Sentinel-1 SAR para analizar el desplazamiento de la superficie durante el verano en cuatro puntos del Ártico y la Antártida desde 2015. Encontraron un hundimiento máximo del suelo de hasta 10 cm durante la temporada de deshielo.

Otro grupo de científicos se centró en la dinámica estacional de un paisaje de permafrost en Svalbard. Utilizaron imágenes de Copernicus Sentinel-1 para investigar la magnitud, la distribución espacial y el momento de los desplazamientos estacionales del suelo en Adventdalen y sus alrededores. Se recuperaron las series temporales y se compararon con las temperaturas del suelo de la capa activa de dos pozos. Los resultados confirmaron el vínculo entre el desplazamiento y las variaciones estacionales de la temperatura del suelo, así como la utilidad de las imágenes satelitales para detectar la dinámica del suelo en grandes áreas.

 

Subsidence map over Ilulissat (Greenland) from Sentinel-1 InSAR from 2 June to 18 September 2016. Source: https://www.mdpi.com/2072-4292/10/9/1360  

Mapa de subsidencia sobre Ilulissat (Groenlandia) de Sentinel-1 InSAR del 2 de junio al 18 de septiembre de 2016. Fuente: https://www.mdpi.com/2072-4292/10/9/1360

 

El deshielo del permafrost también afecta a la biogeoquímica del agua que va a parar a lagos y ríos, así como a su estructura ecológica y funciones.

La reducción del acceso a las carreteras de hielo invernal y la estabilidad de las carreteras terrestres tienen numerosas consecuencias negativas para las comunidades y las industrias. El Servicio de Cambio Climático de Copernicus evalúa los impactos en la infraestructura como parte de su Sistema de Información Sectorial (SIS). Como parte de las actividades del SIS, el ECMWF encargó al Instituto Meteorológico e Hidrológico Sueco (SMHI) que llevara a cabo un Caso de Uso en el área de Yakutia, un área en Rusia de más de 3 millones de kilómetros cuadrados cubiertos por suelo perennemente congelado y sin conexión anual con otras partes de Rusia debido a la ausencia de puentes sobre los grandes ríos. En colaboración con el Instituto Melnikov Permafrost (MPI) y la Universidad Estatal de San Petersburgo, SMHI desarrolló indicadores de Impacto Climático sobre profundidades de deshielo basados ​​en C3S y otros conjuntos de datos para evaluar los riesgos de hundimiento y debilitamiento estructural debido al deshielo del permafrost. Puede encontrar más información sobre este estudio aquí.

 

Bucle de retroalimentación


Finalmente, hay un problema más a largo plazo. La descongelación del permafrost es particularmente peligrosa debido a la liberación de metano y otros gases de efecto invernadero que actualmente se encuentran almacenados en el suelo. La descongelación está provocando la liberación de gases de efecto invernadero, lo que lleva a un aumento adicional de las temperaturas, lo que a su vez acelera la descongelación, etc. Según un artículo publicado recientemente en Nature, la capa congelada de permafrost podría contener dos veces más carbono del que contiene actualmente la atmósfera. Estas estimaciones se dan con respecto a la gran cantidad de material orgánico congelado en el permafrost, como plantas y animales que no se descompusieron debido a la rápida aparición de bajas temperaturas.

 

Thawing of permafrost in Central Siberia in 2012. Source: Living Planet Symposium 2019 © Annett Bartsch )

Ilustración: Deshielo del permafrost en Siberia central en 2012. Fuente: Simposio Planeta Vivo 2019 © Annett Bartsch

 

Científicos de todo el mundo están investigando la cantidad de gases de efecto invernadero atrapados en el suelo mediante varios métodos. Por ejemplo, en un artículo reciente, Zhou y sus coautores (2020) se centraron en el potencial de los satélites Copernicus Sentinel-1 y Sentinel-2 para detectar el carbono orgánico del suelo y el contenido total de nitrógeno del suelo. Utilizaron métodos de múltiples fuentes basados ​​en algoritmos de aprendizaje automático, que parecían prometedores.

Las plantas descongeladas en descomposición producen metano, que se espera que sea 30 veces más nocivo para el clima que el dióxido de carbono. Un equipo internacional de científicos dirigido por Christian Knoblauch observó la producción a largo plazo de metano en el deshielo del permafrost durante siete años. Sus observaciones son alarmantes. “Los suelos de permafrost del norte de Europa, el norte de Asia y América del Norte podrían producir hasta una gigatonelada de metano y 37 gigatoneladas de dióxido de carbono para el 2100”.

Monitorear el volumen de gases de efecto invernadero que se liberan en la atmósfera debido al deshielo del permafrost puede ayudar a predecir impactos futuros. En este sentido, el Servicio de Monitoreo de la Atmósfera de Copernicus proporciona pronósticos de metano en la superficie. Los pronósticos se proporcionan a escala mundial, incluido el Ártico.

 

Forecast of methane at surface for Arctic area Source: Copernicus Atmosphere Monitoring Service)

Pronóstico de metano en la superficie para el área ártica Fuente: Servicio de Monitoreo de la Atmósfera de Copernicus

 

Actualmente, no está claro si ya existe una liberación neta de dióxido de carbono o metano debido al deshielo en curso del permafrost ártico. En el futuro, un mayor crecimiento de las plantas podría incrementar el almacenamiento de carbono en los suelos y compensar la liberación de carbono del deshielo del permafrost, pero no a la escala de grandes cambios a largo plazo.

 

Futuras misiones Sentinel


Las misiones Sentinel están en el corazón del programa Copernicus y la Comisión Europea ya está preparando un plan para seis nuevas misiones Sentinel potenciales. Una de las misiones candidatas es especialmente interesante para monitorear el deshielo del permafrost. El CIMR (Radiómetro de Imágenes de Microondas de Copernicus) debería respaldar la política europea integrada para el Ártico y se centraría en observar una amplia gama de mediciones de las propiedades del hielo y la nieve en cinco frecuencias de microondas diferentes. Debido al enfoque de la misión en monitorear latitudes más altas, también se podría monitorear el deshielo del permafrost. Además, la constelación de satélites Copernicus CO2M planificada permitirá un seguimiento detallado de las emisiones de metano y CO2 en el Ártico, así como a nivel mundial.

 

The Integrated European Policy for the Arctic requires specific mitigation and adaptation actions in three priority areas. Source: ESA

La Política Europea Integrada para el Ártico requiere acciones específicas de mitigación y adaptación en tres áreas prioritarias. Fuente: ESA

 

(Artículo publicado en la web de Copernicus Observer el 10 de diciembre de 2020. Enlace al original en inglés: https://bit.ly/39VMZmR)