Lago subglacial - Subglacial lake

Imagen de satélite del lago subglacial Vostok en la Antártida. Crédito de la imagen: NASA.

Un lago subglacial es un lago que se encuentra debajo de un glaciar , generalmente debajo de una capa de hielo o una capa de hielo . Los lagos subglaciales se forman en el límite entre el hielo y el lecho rocoso subyacente , donde la presión gravitacional disminuye el punto de fusión de la presión del hielo. Con el tiempo, el hielo que lo recubre se derrite gradualmente a un ritmo de unos pocos milímetros por año. El agua de deshielo fluye desde regiones de alta a baja presión hidráulica debajo del hielo y las charcas, creando una masa de agua líquida que puede aislarse del ambiente externo durante millones de años.

Desde los primeros descubrimientos de lagos subglaciales bajo la capa de hielo antártica , se han descubierto más de 400 lagos subglaciales en la Antártida , debajo de la capa de hielo de Groenlandia y bajo la capa de hielo Vatnajökull de Islandia . Los lagos subglaciales contienen una proporción sustancial del agua dulce líquida de la Tierra , y el volumen de los lagos subglaciales antárticos se estima en unos 10.000 km 3 , o alrededor del 15% de toda el agua dulce líquida de la Tierra.

Como ecosistemas aislados de la atmósfera terrestre , los lagos subglaciales están influenciados por interacciones entre hielo , agua , sedimentos y organismos . Contienen comunidades biológicas activas de microbios extremófilos que se adaptan a las condiciones frías y bajas en nutrientes y facilitan los ciclos biogeoquímicos independientes de las entradas de energía del sol. Los lagos subglaciales y sus habitantes son de especial interés en el campo de la astrobiología y la búsqueda de vida extraterrestre .

Características físicas

El agua de los lagos subglaciales permanece líquida ya que el calentamiento geotérmico equilibra la pérdida de calor en la superficie del hielo. La presión del glaciar suprayacente hace que el punto de fusión del agua sea inferior a 0 ° C. El techo del lago subglacial estará al nivel donde el punto de fusión de la presión del agua se cruza con el gradiente de temperatura. En el lago Vostok , el lago subglacial antártico más grande, el hielo sobre el lago es mucho más grueso que la capa de hielo que lo rodea. Los lagos subglaciales hipersalinos permanecen líquidos debido a su contenido de sal.

No todos los lagos con una capa de hielo permanente se pueden llamar subglaciales, ya que algunos están cubiertos por hielo de lago regular. Algunos ejemplos de lagos cubiertos de hielo perenne incluyen el lago Bonney y el lago Hoare en los valles secos McMurdo de la Antártida, así como el lago Hodgson , un antiguo lago subglacial.

Sellos hidrostáticos

El agua de un lago subglacial puede tener un nivel flotante muy por encima del nivel del umbral del suelo. De hecho, en teoría, un lago subglacial puede incluso existir en la cima de una colina, siempre que el hielo sobre él sea lo suficientemente delgado como para formar el sello hidrostático requerido . El nivel flotante se puede considerar como el nivel del agua en un agujero perforado a través del hielo en el lago. Es equivalente al nivel al que flotaría un trozo de hielo si fuera una plataforma de hielo normal . Por lo tanto, el techo se puede concebir como una plataforma de hielo que se conecta a tierra a lo largo de todo su perímetro, lo que explica por qué se le ha llamado una plataforma de hielo capturada . A medida que se mueve sobre el lago, ingresa al lago por la línea de flotación y abandona el lago por la línea de conexión a tierra.

Se crea un sello hidrostático cuando el hielo es mucho más alto alrededor del lago que la superficie equipotencial se sumerge en un suelo impermeable. El agua de debajo de este borde de hielo es presionada nuevamente hacia el lago por el sello hidrostático. El borde de hielo en el lago Vostok se ha estimado en apenas 7 metros, mientras que el nivel flotante está a unos 3 kilómetros por encima del techo del lago. Si se penetra el sello hidrostático cuando el nivel de flotación es alto, el agua comenzará a fluir en un jökulhlaup . Debido a la fusión del canal, la descarga aumenta exponencialmente, a menos que otros procesos permitan que la descarga aumente aún más rápido. Debido a la alta carga hidráulica que se puede lograr en algunos lagos subglaciales, los jökulhlaups pueden alcanzar tasas de descarga muy altas. El drenaje catastrófico de los lagos subglaciares es un peligro conocido en Islandia, ya que la actividad volcánica puede crear suficiente agua de deshielo para abrumar las presas de hielo y las focas de los lagos y provocar inundaciones glaciales .

Influencia en el movimiento de los glaciares

El papel de los lagos subglaciales en la dinámica del hielo no está claro. Ciertamente, en la capa de hielo de Groenlandia, el agua subglacial actúa para mejorar el movimiento del hielo basal de una manera compleja. Los "lagos de recuperación" debajo del glaciar de recuperación de la Antártida se encuentran en la cabecera de una importante corriente de hielo y pueden influir en la dinámica de la región. Una modesta (10%) aceleración del glaciar Byrd en la Antártida oriental puede haber sido influenciada por un evento de drenaje subglacial. El flujo de agua subglacial se conoce en áreas aguas abajo donde se sabe que las corrientes de hielo migran, aceleran o se estancan en escalas de tiempo centenarias y destaca que el agua subglacial puede descargarse sobre la línea de conexión a tierra de la capa de hielo.

Historia y expediciones

El revolucionario y científico ruso Peter A. Kropotkin propuso por primera vez la idea de agua dulce líquida debajo de la capa de hielo antártica a fines del siglo XIX. Sugirió que debido al calentamiento geotérmico en la parte inferior de las capas de hielo, la temperatura debajo del hielo podría alcanzar la temperatura de fusión del hielo, que estaría por debajo de cero. La noción de agua dulce debajo de las capas de hielo fue avanzada por el glaciólogo ruso Igor A. Zotikov, quien demostró mediante un análisis teórico la posibilidad de una disminución del hielo antártico debido al derretimiento del hielo en una superficie inferior. A partir de 2019, hay más de 400 lagos subglaciales en la Antártida , y se sospecha que existe la posibilidad de que haya más. También se han descubierto lagos subglaciales en Groenlandia, Islandia y el norte de Canadá.

El científico ruso Peter Kropotkin propuso por primera vez la idea de agua dulce bajo el hielo antártico.

Exploración temprana

Los avances científicos en la Antártida pueden atribuirse a varios períodos importantes de colaboración y cooperación, como los cuatro años polares internacionales (API) en 1882-1883, 1932-1933, 1957-1958 y 2007-2008. El éxito del API de 1957-1958 llevó al establecimiento del Comité Científico de Investigaciones Antárticas (SCAR) y el Sistema del Tratado Antártico , allanando el camino para formular una metodología y un proceso mejores para observar los lagos subglaciales.

En 1959 y 1964, durante dos de sus cuatro expediciones antárticas soviéticas , el geógrafo y explorador ruso Andrey P. Kapitsa utilizó sondeos sísmicos para preparar un perfil de las capas de la geología debajo de la estación Vostok en la Antártida. La intención original de este trabajo era realizar un estudio amplio de la capa de hielo de la Antártida. Sin embargo, los datos recopilados en estos estudios se utilizaron 30 años después y llevaron al descubrimiento del lago Vostok como un lago subglacial.

A partir de finales de la década de 1950, los físicos ingleses Stan Evans y Gordon Robin comenzaron a utilizar la técnica de radioglaciología de sondeo por eco de radio (RES) para trazar el espesor del hielo. Los lagos subglaciales se identifican mediante datos (RES) como reflectores continuos y especulares que se sumergen contra la superficie del hielo en aproximadamente x10 del ángulo de pendiente de la superficie, ya que esto es necesario para la estabilidad hidrostática. A fines de la década de 1960, pudieron montar instrumentos RES en aviones y adquirir datos para la capa de hielo antártica. Entre 1971 y 1979, la capa de hielo de la Antártida fue perfilada extensamente utilizando equipo de RES. La técnica de uso de RES es la siguiente: se perforan pozos de 50 metros de profundidad para aumentar la relación señal / ruido en el hielo. Una pequeña explosión desencadena una onda de sonido que viaja a través del hielo. Esta onda de sonido es reflejada y luego registrada por el instrumento. El tiempo que tarda la onda en viajar hacia abajo y hacia atrás se anota y se convierte en una distancia utilizando la velocidad conocida del sonido en el hielo. Los registros de RES pueden identificar lagos subglaciales a través de tres características específicas: 1) un reflejo especialmente fuerte de la base de la capa de hielo, más fuerte que los reflejos del lecho rocoso de hielo adyacente ; 2) ecos de fuerza constante que se producen a lo largo de la pista, lo que indica que la superficie es muy lisa; y 3) un carácter muy plano y horizontal con pendientes inferiores al 1%. Con este enfoque, Kapista y su equipo documentaron 17 lagos subglaciales. RES también llevó al descubrimiento del primer lago subglacial en Groenlandia y reveló que estos lagos están interconectados.

El perfil sistemático, utilizando RES, de la capa de hielo de la Antártida se llevó a cabo nuevamente entre 1971 y 1979. Durante este tiempo, una colaboración entre Estados Unidos, Reino Unido y Dinamarca pudo estudiar alrededor del 40% de la Antártida oriental y el 80% de la Antártida occidental , definiendo aún más el paisaje subglacial y el comportamiento del flujo de hielo sobre los lagos.

Exploración de satélites

A principios de la década de 1990, los datos del altímetro de radar del satélite europeo de teledetección (ERS-1) proporcionaron un mapa detallado de la Antártida a través de 82 grados al sur. Esta imagen reveló una superficie plana alrededor del borde norte del lago Vostok, y los datos recopilados de ERS-1 construyeron aún más la distribución geográfica de los lagos subglaciales antárticos.

En 2005, Laurence Gray y un equipo de glaciólogos comenzaron a interpretar el hundimiento y la elevación del hielo superficial a partir de los datos de RADARSAT , que indicaban que podría haber lagos subglaciales hidrológicamente "activos" sujetos al movimiento del agua.

Entre 2003 y 2009, un estudio de mediciones de largo recorrido de la elevación de la superficie del hielo utilizando el satélite ICESat como parte del Sistema de Observación de la Tierra de la NASA produjo el primer mapa a escala continental de los lagos subglaciales activos en la Antártida. En 2009, se reveló que el lago Cook es el lago subglacial más hidrológicamente activo del continente antártico. Se han utilizado otras imágenes satelitales para monitorear e investigar este lago, incluidos ICESat , CryoSat-2 , el Radiómetro de Emisión y Reflexión Térmica Avanzada del Espacio y SPOT5 .

Gray y col. (2005) interpretaron el hundimiento y la elevación de la superficie del hielo a partir de los datos de RADARSAT como evidencia del llenado y vaciado de los lagos subglaciales, denominados lagos "activos". Wingham y col. (2006) utilizaron datos de altímetro de radar (ERS-1) para mostrar elevación y hundimiento coincidentes, lo que implica drenaje entre lagos. El satélite ICESat de la NASA fue clave en el desarrollo de este concepto y el trabajo posterior demostró la omnipresencia de este fenómeno. ICESat cesó las mediciones en 2007 y Smith et al. (2009) que identificó 124 de esos lagos. La comprensión de que los lagos estaban interconectados creó nuevas preocupaciones de contaminación para los planes de perforar en los lagos ( consulte la sección Expediciones de muestreo a continuación ).

Varios lagos fueron delimitados por las famosas prospecciones SPRI-NSF-TUD realizadas hasta mediados de los años setenta. Desde esta compilación original, varios estudios más pequeños han descubierto muchos más lagos subglaciales en toda la Antártida, en particular por Carter et al. (2007), quienes identificaron un espectro de tipos de lagos subglaciales basados ​​en sus propiedades en conjuntos de datos (RES).

Expediciones de muestreo

En marzo de 2010, se llevó a cabo la sexta conferencia internacional sobre lagos subglaciales en la Conferencia Chapman de la Unión Geofísica Estadounidense en Baltimore. La conferencia permitió a ingenieros y científicos discutir los equipos y estrategias utilizados en proyectos de perforación de hielo , como el diseño de perforadoras de agua caliente, equipos para medición y muestreo de agua y recuperación de sedimentos, y protocolos para limpieza experimental y administración ambiental . Después de esta reunión, el SCAR redactó un código de conducta para las expediciones de perforación de hielo y mediciones in situ (en el sitio) y muestreo de lagos subglaciales. Este código de conducta fue ratificado en la Reunión Consultiva del Tratado Antártico (RCTA) de 2011. Para fines de 2011, se programó la realización de tres misiones de exploración de perforación de lagos subglaciales independientes.

En febrero de 2012, la perforación rusa de núcleos de hielo en el lago Vostok accedió al lago subglacial por primera vez. El agua del lago inundó el pozo y se congeló durante la temporada de invierno, y la muestra de agua del lago recongelada (hielo de acumulación) se recuperó en la siguiente temporada de verano de 2013. En diciembre de 2012, científicos del Reino Unido intentaron acceder al lago Ellsworth con un taladro de agua caliente de acceso limpio; sin embargo, la misión fue cancelada debido a fallas en el equipo. En enero de 2013, la expedición Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling (WISSARD), dirigida por Estados Unidos, midió y muestreó el lago Whillans en la Antártida occidental en busca de vida microbiana. El 28 de diciembre de 2018, el equipo de Acceso Científico a los Lagos Antárticos Subglaciales (SALSA) anunció que habían llegado al lago Mercer después de derretirse a través de 1.067 m (3.501 pies) de hielo con un taladro de agua caliente a alta presión. El equipo recolectó muestras de agua y muestras de sedimentos del fondo hasta 6 metros de profundidad.

Distribución

Antártida

La mayoría de los casi 400 lagos subglaciales antárticos se encuentran en las proximidades de las divisiones de hielo , donde grandes cuencas de drenaje subglaciares están cubiertas por capas de hielo. El más grande es el lago Vostok con otros lagos notables por su tamaño como el lago Concordia y el lago Aurora. También se está identificando un número creciente de lagos cerca de corrientes de hielo. Un sondeo altimétrico realizado por el satélite ERS-2 que orbitaba la capa de hielo de la Antártida oriental entre 1995 y 2003 indicó anomalías agrupadas en la elevación de la capa de hielo, lo que indica que los lagos de la Antártida oriental son alimentados por un sistema subglacial que transporta agua de deshielo basal a través de corrientes subglaciales .

Representación de un artista de los lagos y ríos subglaciales debajo de la capa de hielo de la Antártida . Crédito de la imagen: Zina Deretsky / Fundación Nacional de Ciencias de EE . UU.

Los lagos subglaciares antárticos más grandes se agrupan en el área del Domo C-Vostok en la Antártida oriental, posiblemente debido al hielo aislante grueso y a la topografía subglacial accidentada y con influencia tectónica . En la Antártida occidental , el lago subglacial Ellsworth está situado dentro de las montañas Ellsworth y es relativamente pequeño y poco profundo. Las corrientes de hielo de la costa de Siple, también en la Antártida occidental, se superponen a numerosos lagos subglaciales pequeños, incluidos los lagos Whillans , Engelhardt , Mercer , Conway , acompañados por sus vecinos inferiores llamados Lower Conway (LSLC) y Lower Mercer (LSLM). El retroceso de los glaciares en los márgenes de la capa de hielo de la Antártida ha revelado varios antiguos lagos subglaciales, incluido el lago Progress en la Antártida oriental y el lago Hodgson en el sur de la isla Alexander, cerca de la Península Antártica .

Groenlandia

La existencia de lagos subglaciales debajo de la capa de hielo de Groenlandia solo se ha hecho evidente en la última década. Las mediciones de sondeos de eco-radio han revelado dos lagos subglaciales en la sección noroeste de la capa de hielo. Es probable que estos lagos se recarguen con agua del drenaje de los lagos supraglaciales cercanos en lugar del derretimiento del hielo basal. Se ha identificado otro lago subglacial potencial cerca del margen suroeste de la capa de hielo, donde una depresión circular debajo de la capa de hielo evidencia un drenaje reciente del lago causado por el calentamiento climático. Se cree que dicho drenaje, junto con la transferencia de calor a la base de la capa de hielo a través del almacenamiento de agua de deshielo supraglacial, influye en la velocidad del flujo de hielo y el comportamiento general de la capa de hielo de Groenlandia.

Islandia

Gran parte de Islandia es volcánicamente activa, lo que resulta en una producción significativa de agua de deshielo debajo de sus dos casquetes polares . Esta agua de deshielo también se acumula en cuencas y calderos de hielo, formando lagos subglaciales. Estos lagos actúan como un mecanismo de transporte de calor desde los respiraderos geotérmicos hasta el fondo de los casquetes polares, lo que a menudo resulta en el derretimiento del hielo basal que repone el agua perdida por el drenaje. La mayoría de los lagos subglaciales islandeses se encuentran debajo de los casquetes polares Vatnajökull y Mýrdalsjökull , donde el derretimiento de la actividad hidrotermal crea depresiones permanentes que se llenan de agua de deshielo. El drenaje catastrófico de los lagos subglaciares es un peligro conocido en Islandia, ya que la actividad volcánica puede crear suficiente agua de deshielo para abrumar las presas de hielo y las focas de los lagos y causar inundaciones glaciales .

Grímsvötn es quizás el lago subglacial más conocido debajo del casquete glaciar Vatnajökull. Otros lagos debajo de la capa de hielo se encuentran dentro de los calderos de Skatfá, Pálsfjall y Kverkfjöll. En particular, el sello hidráulico del lago subglacial Grímsvötn permaneció intacto hasta 1996, cuando la producción significativa de agua de deshielo de la erupción de Gjálp resultó en el levantamiento de la presa de hielo de Grímsvötn.

La capa de hielo de Mýrdalsjökull , otra ubicación clave del lago subglacial, se encuentra en la cima de un sistema volcánico- caldera activo en la parte más al sur del sistema volcánico de Katla . Se cree que la actividad hidrotermal debajo de la capa de hielo de Mýrdalsjökull ha creado al menos 12 pequeñas depresiones dentro de un área limitada por tres grandes cuencas de drenaje subglacial . Se sabe que muchas de estas depresiones contienen lagos subglaciales que están sujetos a eventos de drenaje masivos y catastróficos de erupciones volcánicas, lo que crea un peligro significativo para las poblaciones humanas cercanas.

Canadá

Hasta hace muy poco, solo se habían identificado en Canadá antiguos lagos subglaciales del último período glacial. Estos lagos paleo-subglaciales probablemente ocuparon valles creados antes del avance de la capa de hielo Laurentide durante el Último Máximo Glacial . Sin embargo, se identificaron dos lagos subglaciales a través de RES en canales de lecho rocoso bajo el casquete glaciar de Devon en Nunavut, Canadá. Se cree que estos lagos son hipersalinos como resultado de la interacción con el lecho rocoso subyacente que contiene sal, y están mucho más aislados que los pocos lagos subglaciales salinos identificados en la Antártida.

Ecología

A diferencia de los lagos superficiales, los lagos subglaciales están aislados de la atmósfera terrestre y no reciben luz solar. Se cree que sus aguas son ultraoligotróficas , lo que significa que contienen concentraciones muy bajas de los nutrientes necesarios para la vida. A pesar de las bajas temperaturas, los bajos nutrientes, la alta presión y la oscuridad total en los lagos subglaciales, se ha descubierto que estos ecosistemas albergan miles de especies microbianas diferentes y algunos signos de vida superior. El profesor John Priscu , un destacado científico que estudia los lagos polares, ha llamado a los ecosistemas subglaciales de la Antártida "el humedal más grande de nuestro planeta ".

Los microorganismos y los procesos de meteorización impulsan un conjunto diverso de reacciones químicas que pueden impulsar una red alimentaria única y, por lo tanto, ciclar los nutrientes y la energía a través de los ecosistemas lacustres subglaciales. La fotosíntesis no puede ocurrir en la oscuridad de los lagos subglaciales, por lo que sus redes alimenticias son impulsadas por la quimiosíntesis y el consumo de carbono orgánico antiguo depositado antes de la glaciación. Los nutrientes pueden ingresar a los lagos subglaciales a través de la interfaz hielo-lago del glaciar, a partir de conexiones hidrológicas y de la meteorización física, química y biológica de los sedimentos subglaciales .

Ciclos biogeoquímicos

Una ilustración de la perforación de testigos de hielo sobre el lago subglacial Vostok . Estos esfuerzos de perforación recolectaron agua del lago congelada que se ha analizado para comprender la química del lago. Crédito de la imagen: Nicolle Rager-Fuller / Fundación Nacional de Ciencias de EE . UU.

Dado que se han muestreado directamente pocos lagos subglaciales, gran parte del conocimiento existente sobre la biogeoquímica de los lagos subglaciales se basa en un pequeño número de muestras, principalmente de la Antártida. También se han extraído inferencias sobre las concentraciones de solutos, los procesos químicos y la diversidad biológica de los lagos subglaciales no muestreados a partir de análisis de acumulación de hielo (agua del lago recongelada) en la base de los glaciares suprayacentes. Estas inferencias se basan en la suposición de que el hielo de acreción tendrá firmas químicas similares a las del agua del lago que lo formó. Hasta ahora, los científicos han descubierto diversas condiciones químicas en los lagos subglaciales, que van desde las capas superiores del lago sobresaturadas en oxígeno hasta las capas inferiores que son anóxicas y ricas en azufre. A pesar de sus condiciones típicamente oligotróficas , se cree que los lagos y sedimentos subglaciales contienen cantidades importantes de nutrientes a nivel regional y mundial, en particular carbono.

En la interfaz lago-hielo

Los clatratos de aire atrapados en el hielo glacial son la principal fuente de oxígeno que ingresa a los sistemas de lagos subglaciales que de otro modo estarían cerrados. A medida que la capa inferior de hielo sobre el lago se derrite, los clatratos se liberan de la estructura cristalina del hielo y los gases como el oxígeno se ponen a disposición de los microbios para procesos como la respiración aeróbica . En algunos lagos subglaciales, los ciclos de congelación-fusión en la interfaz lago-hielo pueden enriquecer el agua superior del lago con concentraciones de oxígeno que son 50 veces más altas que en las aguas superficiales típicas.

El derretimiento de la capa de hielo glacial sobre el lago subglacial también suministra a las aguas subyacentes minerales que contienen hierro , nitrógeno y fósforo , además de algunas células bacterianas y carbono orgánico disuelto .

En la columna de agua

Debido a que los clatratos de aire provenientes del derretimiento del hielo glacial son la principal fuente de oxígeno para las aguas de los lagos subglaciales, la concentración de oxígeno generalmente disminuye con la profundidad de la columna de agua si el recambio es lento. Las aguas tóxicas o ligeramente subóxicas a menudo residen cerca de la interfaz glaciar-lago, mientras que la anoxia domina en el interior del lago y los sedimentos debido a la respiración de los microbios. En algunos lagos subglaciales, la respiración microbiana puede consumir todo el oxígeno del lago, creando un ambiente completamente anóxico hasta que fluya agua nueva rica en oxígeno desde ambientes subglaciales conectados. La adición de oxígeno del derretimiento del hielo y el consumo de oxígeno por parte de los microbios puede crear gradientes redox en la columna de agua del lago subglacial, con procesos mediados por microbios aeróbicos, como la nitrificación en las aguas superiores y los procesos anaeróbicos en las aguas anóxicas del fondo.

Las concentraciones de solutos en los lagos subglaciales, incluidos los principales iones y nutrientes como el sodio , el sulfato y los carbonatos , son bajas en comparación con los lagos superficiales típicos. Estos solutos ingresan a la columna de agua por el derretimiento del hielo glacial y por la erosión de los sedimentos. A pesar de sus bajas concentraciones de solutos, el gran volumen de aguas subglaciales las convierte en importantes contribuyentes de solutos, particularmente hierro, a los océanos circundantes. Se estima que la salida subglacial de la capa de hielo antártica , incluida la salida de los lagos subglaciales, agrega una cantidad similar de solutos al Océano Austral como algunos de los ríos más grandes del mundo.

La columna de agua subglacial está influenciada por el intercambio de agua entre lagos y arroyos debajo de las capas de hielo a través del sistema de drenaje subglacial; este comportamiento probablemente juega un papel importante en los procesos biogeoquímicos, lo que lleva a cambios en el hábitat microbiano, particularmente en lo que respecta a las concentraciones de oxígeno y nutrientes. La conectividad hidrológica de los lagos subglaciales también altera los tiempos de residencia del agua , o la cantidad de tiempo que el agua permanece dentro del embalse del lago subglacial. Tiempos de residencia más prolongados, como los que se encuentran debajo de la capa de hielo antártica interior, llevarían a un mayor tiempo de contacto entre el agua y las fuentes de solutos, lo que permitiría una mayor acumulación de solutos que en los lagos con tiempos de residencia más cortos. Los tiempos de residencia estimados de los lagos subglaciales actualmente estudiados oscilan entre aproximadamente 13.000 años en el lago Vostok y apenas décadas en el lago Whillans.

La morfología de los lagos subglaciales tiene el potencial de cambiar sus patrones de hidrología y circulación. Las áreas con el hielo superpuesto más grueso experimentan mayores tasas de derretimiento. Lo contrario ocurre en áreas donde la capa de hielo es más delgada, lo que permite que se vuelva a congelar el agua del lago. Estas variaciones espaciales en las velocidades de fusión y congelación conducen a la convección interna del agua y la circulación de solutos, calor y comunidades microbianas en todo el lago subglacial, que variarán entre los lagos subglaciales de diferentes regiones.

En sedimentos

Los sedimentos subglaciales se componen principalmente de material glacial que se formó durante la meteorización física del lecho rocoso subglacial . Las condiciones anóxicas prevalecen en estos sedimentos debido al consumo de oxígeno por parte de los microbios, particularmente durante la oxidación de sulfuros . Los minerales de sulfuro se generan por meteorización del lecho rocoso por el glaciar suprayacente, después de lo cual estos sulfuros se oxidan a sulfato por bacterias aeróbicas o anaeróbicas, que pueden utilizar el hierro para la respiración cuando no hay oxígeno disponible.

Los productos de la oxidación de sulfuros pueden mejorar la meteorización química de los minerales de carbonato y silicato en sedimentos subglaciales, particularmente en lagos con tiempos de residencia prolongados. La meteorización de los minerales de carbonato y silicato de los sedimentos de los lagos también libera otros iones que incluyen potasio (K + ), magnesio (Mg 2+ ), sodio (Na + ) y calcio (Ca 2+ ) a las aguas del lago.

Otros procesos biogeoquímicos en sedimentos subglaciales anóxicos incluyen desnitrificación , reducción de hierro , reducción de sulfato y metanogénesis (ver Reservorios de carbono orgánico a continuación).

Reservorios de carbono orgánico

Las cuencas sedimentarias subglaciales bajo la capa de hielo de la Antártida han acumulado aproximadamente 21.000 petagramos de carbono orgánico, la mayoría de los cuales proviene de antiguos sedimentos marinos. Esto es más de 10 veces la cantidad de carbono orgánico contenido en el permafrost ártico y puede rivalizar con la cantidad de carbono reactivo en los sedimentos oceánicos modernos, lo que podría convertir a los sedimentos subglaciales en un componente importante pero poco estudiado del ciclo global del carbono . En caso de colapso de la capa de hielo , el carbono orgánico subglacial podría respirar más fácilmente y, por lo tanto, liberarse a la atmósfera y generar una retroalimentación positiva sobre el cambio climático .

Es probable que los habitantes microbianos de los lagos subglaciales desempeñen un papel importante en la determinación de la forma y el destino del carbono orgánico de los sedimentos. En los sedimentos anóxicos de los ecosistemas lacustres subglaciales, las arqueas pueden utilizar carbono orgánico para la metanogénesis , creando potencialmente grandes charcos de clatrato de metano en los sedimentos que podrían liberarse durante el colapso de la capa de hielo o cuando las aguas del lago drenan hacia los márgenes de la capa de hielo. Se ha detectado metano en el lago Whillans subglacial y los experimentos han demostrado que las arqueas metanogénicas pueden estar activas en los sedimentos debajo de los glaciares antárticos y árticos.

La mayor parte del metano que escapa al almacenamiento en sedimentos de lagos subglaciales parece ser consumido por bacterias metanotróficas en aguas superiores oxigenadas. En el lago Whillans subglacial, los científicos encontraron que la oxidación bacteriana consumía el 99% del metano disponible. También hay evidencia de producción y consumo activos de metano debajo de la capa de hielo de Groenlandia .

También se cree que las aguas subglaciales de la Antártida contienen cantidades sustanciales de carbono orgánico en forma de carbono orgánico disuelto y biomasa bacteriana. Con un estimado de 1.03 x 10 −2 petagramos, la cantidad de carbono orgánico en las aguas de los lagos subglaciales es mucho menor que la contenida en los sedimentos subglaciales de la Antártida, pero es solo un orden de magnitud menor que la cantidad de carbono orgánico en todas las aguas dulces superficiales (5.10 x 10 −1 petagramos). Este depósito relativamente más pequeño, pero potencialmente más reactivo, de carbono orgánico subglacial puede representar otra brecha en la comprensión de los científicos del ciclo global del carbono .

Biología

Originalmente se asumió que los lagos subglaciales eran estériles , pero durante los últimos treinta años, se ha descubierto vida microbiana activa y signos de vida superior en las aguas, sedimentos y hielo acumulado de los lagos subglaciales. Ahora se sabe que las aguas subglaciales contienen miles de especies microbianas, incluidas bacterias , arqueas y, potencialmente, algunos eucariotas . Estos organismos extremófilos están adaptados a temperaturas bajo cero, alta presión, bajos nutrientes y condiciones químicas inusuales. La investigación de la diversidad microbiana y las adaptaciones en los lagos subglaciales es de particular interés para los científicos que estudian la astrobiología , así como la historia y los límites de la vida en la Tierra.

Estructura de la red alimentaria y fuentes de energía

En la mayoría de los ecosistemas superficiales, las plantas fotosintéticas y los microbios son los principales productores primarios que forman la base de la red alimentaria del lago . La fotosíntesis es imposible en la oscuridad permanente de los lagos subglaciales, por lo que estas redes alimenticias son impulsadas por la quimiosíntesis . En los ecosistemas subglaciales, la quimiosíntesis se lleva a cabo principalmente por microbios quimiolitoautótrofos .

Al igual que las plantas, los quimiolitoautótrofos fijan dióxido de carbono (CO 2 ) en nuevo carbono orgánico, lo que los convierte en los principales productores en la base de las redes tróficas subglaciales de los lagos. En lugar de utilizar la luz solar como fuente de energía, los quimiolitoautótrofos obtienen energía de reacciones químicas en las que los elementos inorgánicos de la litosfera se oxidan o reducen . Los elementos comunes utilizados por los quimiolitoautótrofos en los ecosistemas subglaciales incluyen sulfuro , hierro y carbonatos degradados de sedimentos.

Además de movilizar elementos de los sedimentos, los quimiolitoautótrofos crean suficiente materia orgánica nueva para sustentar las bacterias heterótrofas en los ecosistemas subglaciales. Las bacterias heterótrofas consumen la materia orgánica producida por los quimiolitoautótrofos, así como la materia orgánica de los sedimentos o del derretimiento del hielo de los glaciares. A pesar de los recursos disponibles para los heterótrofos de los lagos subglaciales, estas bacterias parecen tener un crecimiento excepcionalmente lento, lo que podría indicar que dedican la mayor parte de su energía a la supervivencia en lugar del crecimiento. Las bajas tasas de crecimiento heterotrófico también podrían explicarse por las bajas temperaturas en los lagos subglaciales, que ralentizan el metabolismo microbiano y las tasas de reacción.

Las condiciones redox variables y los diversos elementos disponibles de los sedimentos brindan oportunidades para muchas otras estrategias metabólicas en los lagos subglaciales. Otros metabolismos utilizados por los microbios de los lagos subglaciales incluyen la metanogénesis , la metanotrofia y la quimiolitoheterotrofia , en las que las bacterias consumen materia orgánica mientras oxidan elementos inorgánicos.

Algunas pruebas limitadas de eucariotas microbianos y animales multicelulares en lagos subglaciales podrían ampliar las ideas actuales de las redes tróficas subglaciales. Si están presentes, estos organismos podrían sobrevivir consumiendo bacterias y otros microbios.

Limitación de nutrientes

Las aguas de los lagos subglaciales se consideran ultraoligotróficas y contienen bajas concentraciones de nutrientes , en particular nitrógeno y fósforo . En los ecosistemas lacustres superficiales, tradicionalmente se ha considerado al fósforo como el nutriente limitante que restringe el crecimiento en el ecosistema, aunque la co-limitación por el suministro de nitrógeno y fósforo parece más común. Sin embargo, la evidencia del lago Whillans subglacial sugiere que el nitrógeno es el nutriente limitante en algunas aguas subglaciales, basándose en mediciones que muestran que la proporción de nitrógeno a fósforo es muy baja en comparación con la proporción de Redfield . Un experimento mostró que las bacterias del lago Whillans crecían un poco más rápido cuando se les suministraba fósforo y nitrógeno, lo que contradice potencialmente la idea de que el crecimiento en estos ecosistemas está limitado solo por el nitrógeno.

Diversidad biológica en lagos subglaciales explorados

La exploración biológica de los lagos subglaciales se ha centrado en la Antártida, pero los desafíos financieros y logísticos de perforar a través de la capa de hielo antártica para la recolección de muestras han limitado los muestreos directos exitosos del agua del lago subglacial antártico al lago Whillans y al lago Mercer . También se tomaron muestras de los lagos subglaciales volcánicos bajo la capa de hielo Vatnajökull de Islandia .

Antártida
La primera vista del sedimento en el fondo del lago subglacial Whillans, capturada por la expedición WISSARD. Crédito de la imagen: NASA / JPL , Instituto de Tecnología de California

En el lago subglacial Whillans, la expedición WISSARD recolectó núcleos de sedimentos y muestras de agua, que contenían 130.000 células microbianas por mililitro y 3.914 especies bacterianas diferentes. El equipo identificó bacterias activas que estaban metabolizando el amoníaco , el metano y el azufre de los sedimentos de 120.000 años de antigüedad. Las bacterias más abundantes identificadas estaban relacionadas con las especies Thiobacillus , Sideroxyans y Pscyhrophilic Polaromonas .

En enero de 2019, el equipo de SALSA recolectó muestras de sedimento y agua del lago Mercer subglacial y encontró conchas de diatomeas y cadáveres bien conservados de crustáceos y tardígrados . Aunque los animales estaban muertos, el equipo también encontró concentraciones bacterianas de 10,000 células por mililitro, lo que sugiere la posibilidad de que los animales sobrevivan en el lago al consumir bacterias. El equipo continuará analizando las muestras para investigar más a fondo la química y la biología del lago.

El lago Vostok es el lago subglacial antártico mejor estudiado, pero sus aguas solo se han estudiado mediante el análisis de la acumulación de hielo del fondo de los núcleos de hielo tomados durante los esfuerzos de perforación rusos sobre el lago. Se han encontrado bacterias en crecimiento activo y miles de secuencias de ADN únicas de bacterias , arqueas y eucariotas en el hielo de acreción del lago Vostok. Parte del ADN parecía provenir de eucariotas multicelulares , incluidas especies aparentemente relacionadas con Daphnia de agua dulce , tardígrados y moluscos . Es posible que estas especies hayan sobrevivido en el lago y se hayan adaptado lentamente a las condiciones cambiantes desde que Vostok estuvo expuesto a la atmósfera por última vez hace millones de años. Sin embargo, es probable que las muestras estuvieran contaminadas por el fluido de perforación mientras se recolectaban, por lo que algunos de los organismos identificados probablemente no vivían en el lago.

Una sección transversal esquemática de la piscina subglacial debajo del glaciar Taylor y su flujo de salida, Blood Falls . Crédito de la imagen: Zina Deretsky / Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU .

Otros esfuerzos de muestreo subglaciales en la Antártida incluyen la piscina subglacial de anóxica , hipersalina agua bajo Taylor glaciar , que alberga una comunidad microbiana que fue sellado fuera de la atmósfera hace de 1,5 a 2 millones de años. Las bacterias bajo el glaciar Taylor parecen tener una nueva estrategia metabólica que utiliza iones sulfato y férrico para descomponer la materia orgánica .

Groenlandia

No se ha intentado ningún muestreo directo de los lagos subglaciales en la capa de hielo de Groenlandia . Sin embargo, se tomaron muestras de las aguas subglaciales de salida y se encontró que contienen microbios metanogénicos y metanotróficos . También se han descubierto bacterias dentro de la propia capa de hielo, pero es poco probable que estén activas dentro del hielo.

Islandia

Los lagos subglaciales bajo la capa de hielo Vatnajökull de Islandia proporcionan hábitats únicos para la vida microbiana porque reciben calor y aportes químicos de la actividad volcánica subglacial , lo que influye en la química de las aguas y los sedimentos del lago inferior. Activa psychrophilic , autótrofos bacterias se han descubierto en el lago por debajo del Grímsvötn caldera volcánica. También se ha encontrado una comunidad microbiana de baja diversidad en los lagos subglaciales del este de Skaftárketill y Kverkfjallalón, donde las bacterias incluyen especies de Geobacter y Desulfuosporosinus que pueden usar azufre y hierro para la respiración anaeróbica . En el lago Skaftá occidental, las aguas anóxicas del fondo parecen estar dominadas por bacterias productoras de acetato en lugar de metanógenos .

Refugio para la vida antigua

En algunos casos, las aguas de los lagos subglaciales han estado aisladas durante millones de años y estas " aguas fósiles " pueden albergar comunidades microbianas evolutivamente distintas. Algunos lagos subglaciales en la Antártida oriental han existido durante unos 20 millones de años, pero el sistema de drenaje subglacial interconectado entre lagos bajo la capa de hielo antártica implica que las aguas del lago probablemente no hayan estado aisladas durante toda la vida útil del lago.

Durante el período propuesto por la Tierra Bola de Nieve del Proterozoico tardío , una extensa glaciación podría haber cubierto completamente la superficie de la Tierra con hielo durante 10 millones de años. La vida habría sobrevivido principalmente en entornos glaciares y subglaciales, lo que convierte a los lagos subglaciales modernos en un sistema de estudio importante para comprender este período en la historia de la Tierra. Más recientemente, los lagos subglaciales en Islandia pueden haber proporcionado un refugio para los anfípodos subterráneos durante el período glacial cuaternario .

Implicaciones para la vida extraterrestre

Una vista de la llanura polar sur de Marte. Se resalta el área donde se ha detectado un lago subglacial. Crédito de la imagen: USGS Astrogeology Science Center, Arizona State University

Los lagos subglaciales son un entorno análogo a los cuerpos de agua extraterrestres cubiertos de hielo, lo que los convierte en un importante sistema de estudio en el campo de la astrobiología , que es el estudio del potencial de existencia de vida fuera de la Tierra . Los descubrimientos de microbios extremófilos vivos en los lagos subglaciales de la Tierra podrían sugerir que la vida puede persistir en entornos similares en cuerpos extraterrestres. Los lagos subglaciales también proporcionan sistemas de estudio para planificar los esfuerzos de investigación en ubicaciones remotas, logísticamente desafiantes que son sensibles a la contaminación biológica.

Júpiter 's luna Europa y Saturno ‘s luna Encelado son prometedores objetivos en la búsqueda de vida extraterrestre. Europa contiene un extenso océano cubierto por una corteza helada, y también se cree que Encelado alberga un océano subglacial. El análisis satelital de una columna de vapor de agua helada que escapa de las fisuras en la superficie de Encelado revela una producción subterránea significativa de hidrógeno, lo que puede apuntar hacia la reducción de minerales que contienen hierro y materia orgánica .

En 2018 se descubrió un lago subglacial en Marte utilizando RES en la nave espacial Mars Express. Este cuerpo de agua se encontró debajo de los depósitos en capas del polo sur de Marte, y se sugiere que se formó como resultado del calentamiento geotérmico que causó el derretimiento debajo de la capa de hielo.

Ver también

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