La destilación del oxígeno y la reconstrucción de la temperatura del planeta

Hoy termino aquí mi "trilogía isotópica", aunque seguro que en el futuro seguiremos hablando de isótopos dada su importancia. Pero han sido tres entradas seguidas un poco más exigentes, en elaborarlas y en leerlas, por lo que la semana que viene volveré a curiosidades más ligeras, para poder acabar mi tesis y para no espantar a los pocos lectores que tengo. Hoy les explico la lógica detrás de las reconstrucciones de millones de años de la temperatura del planeta mediante el uso de los isótopos de oxígeno, método que fue por primera vez implementado en 1955 por Cesare Emiliani basándose en el trabajo de su mentor Harold Urey.

Vean la curiosa simetría entre las dos imágenes de arriba. A la izquierda es un esquema de la circulación atmosférica desde el ecuador hasta el polo norte. A la derecha tienen un destilador de laboratorio, cuyos principios fundamentales son los mismos que los destiladores del whisky, el tequila o el ron que os chupáis los fines de semana.

En la parte central observamos dónde se calientan las masas líquidas. Vemos la zona del matraz de destilación donde una fuente de calor, el mechero de gas, está separando los líquidos del matraz según su punto de evaporación. Los líquidos más volátiles se evaporan antes que los menos volátiles. En el otro caso vemos la zona de convección de la atmósfera donde debido a una fuente de calor, el Sol, se produce la evaporación del agua. Al contrario que con la destilación en el matraz, para que se evapore el agua no hace falta que hierva a 100ºC como bien se explica en "ciencia de sofá". Al evaporarse el agua, se separan los isótopos del oxígeno; los isótopos ligeros al pesar menos se evaporan más fácil que los isótopos pesados.

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Un paréntesis. Ya tuvimos una introducción a los isótopos donde utilizamos de ejemplo los isótopos del carbono. El oxígeno también presenta varios isótopos, el más abundante O-16 (8 protones y 8 neutrones) que es el ligero y el más pesado O-18 (8 protones y 10 netrones) y el cálculo del delta del oxígeno nos da resultados en el que un mayor delta significa que está enriquecido del isótopo pesado. Como saben el agua tiene hidrógeno y oxígeno (H₂O) y el agua tiene tres isótopos principales, ya que el Hidrógeno también tiene sus isótopos (aquí muy buena revisión). Pero vamos a obviar al Hidrógeno y nos centraremos en la relación de H₂¹⁶O (el ligero) y H₂¹⁸O (el pesado).

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Siguiendo con los paralelismos entre el destilador y la circulación atmosférica, vemos en ambos casos cómo desciende la fase gaseosa a la vez que se refrigera. Sin embargo,  hay una diferencia, y es que en la circulación atmosférica durante el trayecto a zonas más frías parte va cayendo en forma de lluvia. ¿Adivinan qué isótopo va a caer antes? Efectivamente, el pesado, quien quiere llevar una carga pesada cuando puede llevar otra ligera del mismo valor ¿verdad?

Al final del viaje todo el gas ha quedado condensado por el frío. En el matraz que recibe el destilado del tequila, primero llegará el alcohol más puro, el más volátil, en cierto modo el más ligero. En los polos, a través de la circulación atmosférica, lo que llegan son sobretodo isótopos ligeros en forma de nieve, la mayoría de los pesados fueron cayendo por condensación al enfriarse la atmósfera en el camino. El resultado es que el hielo de los polos tiene en promedio un delta del oxígeno menor que en la región tropical. Mientras lluvias tropicales tiene un delta de alrededor de -5%o, los glaciares de Groenlandia llegan a un delta de -30%o. El cero es el Promedio Estándar del Agua del Océano (SMOW en sus siglas en inglés). En la siguiente figura lo resumieron fantásticamente Paul y colaboradores en 1999.

Modelo conceptual de fraccionamiento y mexcla de isótopos de oxígeno Paul y colaboradores 1999

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Esta relación del agua, y del oxígeno que hay en el agua, con la circulación atmosférica se le conoce popularmente como destilación fraccionada del agua*. En esencia todo es principalmente debido a la relación de los isótopos del oxígeno e hidrógeno con la temperatura, siendo en realidad el rol del transporte menor, lo que pasa es que se transporta hacia una región más fría. Algo que también se observa en cambios de altitud. Pero tan importante es la separación de isótopos (técnicamente el fraccionamiento) como la mezcla, y el gran mezclador de isótopos de oxígeno es el océano, como pueden ver en la imagen superior de Paul y colaboradores.

Relación isótopos de oxígeno y temperatura http://earthobservatory.nasa.gov/Features/Paleoclimatology_OxygenBalance/

También hay que pensar no solo en el oxígeno que vuela, sino también en el que se queda. Así, zonas con mucha evaporación y muy secas, como los desiertos, presentan una proporción de isótopos pesados mucho mayor. En definitiva, el patrón global del delta 16 del oxígeno responde a la destilación del oxígeno y también al balance evaporación-precipitación local, como puede observarse en los mapas de abajo para los continentes (arriba) y el agua superficial del mar (abajo). La superficie del mar también sufre estos procesos, sus valores van desde -7%o a 3%o, pero debido a la mezcla sus rangos son mucho menores que en el medio terrestre, entre -20%o y 30%o.

http://data.giss.nasa.gov/o18data/

Pero hoy nos vamos a centrar en lo que es la destilación del oxígeno y la segunda parte del título de este artículo, la reconstrucción de la temperatura del planeta. Seguro que han oído muchísimas noticias sobre el deshielo de los polos o han visto esa película animada de “La edad de Hielo” que transcurre en un periodo del planeta bastante más frío que el actual. Ahora piensen por un momento cómo pueden esos periodos glaciales y cálidos afectar al contenido de isótopos de oxígeno en el hielo y en el mar.

Para ello tengan en cuenta algo importante, los casquetes polares se descongelan por su parte inferior a la vez que la nieve se deposita en la parte superior.

Modelo idealizado de la dinámica del casquete polar http://www.antarcticglaciers.org/

La relación del isótopo del oxígeno con las glaciaciones es muy sencilla. Cuando los casquetes polares tienen mucho hielo durante periodos fríos han acumulado isótopos ligeros. Esto quiere decir que en el mar quedan menos isótopos ligeros, y la relación 18O/16O aumenta, al igual que el delta del oxígeno, y el agua evaporada que viaja a los polos también tiene una mayor proporción de 18O. Sin embargo las condiciones frías llegan a latitudes más bajas lo que hace que durante el viaje a los polos se elimine todavía más isótopo pesado, quedando en los polos incluso mayor proporción de isótopo ligero. Lo contrario ocurre en periodos interglaciales.

Bueno, es verdad, en realidad no es tan sencillo y a veces es un poco contraintuitivo. Así que vamos poco a poco. Les enseño una animación que he hecho y después lo explico paso a paso. Fíjense detenidamente cómo la señal no sólo queda registrada en el hielo de los polos, sino también en los sedimentos marinos. En éstos últimos, los isótopos de oxígeno quedan registrados en organismos como corales o con concha de carbonato de calcio, de los que ya hemos hablado antes (1 y 2) que cuando mueren caen al sedimento y se convierten en fósiles.

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Empecemos por las condiciones interglaciales, como la que nos encontramos actualmente. Los glaciares se deshielan y liberan el isótopo ligero que tienen atrapado, disminuyendo la relación O18/O16 en los océanos. Las condiciones cálidas de la atmósfera disminuyen la destilación del oxígeno, por lo que la nieve que cae en los polos está enriquecida en el isótopo pesado.

Imaginemos que empieza un periodo más frío, el deshielo se detiene y los polos empiezan a capturar el isótopo ligero, que cada vez es más abundante en la nieve de los polos porque la atmósfera está más fría y hay una mayor destilación del oxígeno.

Así llegamos hasta un máximo glaciar en el que la atmósfera es más fría a latitudes bajas y destila mucho más oxígeno, por lo que casi no llega isótopo pesado a la nieve de los polos. Los glaciares han capturado gran cantidad de isótopo ligero y ahora la proporción O18/O16 ha aumentado en el mar, a la vez que ha bajado el nivel del mar por el crecimiento glaciar.

Por último, la transición desde el máximo glaciar a condiciones interglaciales, muestra como el deshielo hace aumentar el nivel del mar a la vez que libera el isótopo ligero que estaba atrapado. La destilación del oxígeno se hace menos eficiente a medida que se calienta la atmosfera y va aumentando la proporción de O18 en la nieve de los polos.

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Ahora ya podemos entender porqué la señal isótopica del hielo y los de fósiles de sedimentos marinos es opuesta, uno es el espejo del otro como se ve en la figura de abajo. En el hielo, el máximo delta y la mayor cantidad de O18 es en periodo cálido, por lo que este delta es reflejo de la temperatura del planeta. En el caso del registro marino, el delta es el inverso de la temperatura del planeta.

Elaboración propia. Los datos de Foraminíferos son de Lisiecky y Raymo (2005) y los de hielo de Bluinier y colaboradores (1998)

Como podéis ver también, los núcleos de hielo tienen mayor resolución y además son más fiables en la cronología, pero lo máximo que hay son 800000 años reconstruidos con el isótopo del Hidrógeno de un núcleo de la Antártida. En cambio los sedimentos nos permiten ir millones de años atrás. Algo que os puede llamar la atención son las diferencias en los valores del delta. Debéis tener en cuenta que al calcular el delta del oxígeno del hielo y agua se utiliza el estandar SMOW, pero para los carbonatos se utiliza otro estándar, el PDB que vimos aquí, por lo que no son un reflejo exacto de las diferencias del agua de mar y del hielo.

Para reconstruir la temperatura a partir de los carbonatos marinos, hay que aplicar unas fórmulas obtenidas a partir de estudios de laboratorio, ya que la cinética de la reacción por la que se forma el carbonato de calcio, y en la que se incorporan los isótopos de oxígeno, varía con la temperatura. Pero, como decían en "Irma la dulce", esa es otra historia.

Y ahora sí, os dejo con una reconstrucción de los últimos 500 millones de años a partir de diferentes proxys. Detalles acerca esta reconstrucción, aquí

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*Si buscáis otras fuentes de información sobre este proceso no lo vais a encontrar de forma tan detallada como aquí en ningún material divulgativo, tanto en español como inglés, sólo en publicaciones más técnicas. Podéis buscar cosas relacionadas como isotopos del agua o paleotermómetro.

Un libro de la Agencia Internacional para la Energía Atómica y la UNESCO sobre todo lo que necesitas saber, y más, sobre isótopos en el ciclo hidrológico. [PDF]