El impacto del suelo a los cambios de congelación y descongelación

¿Alguna vez has visto una roca sólida y pesada que se ha roto sin problemas en placas delgadas por alguna fuerza invisible? ¿O has observado esas formaciones rocosas con patrones circulares extrañamente perfectas a lo largo de las laderas de las montañas? Tal vez hayas notado montículos misteriosos y repetitivos dispersos en medio del campo. El movimiento tanto de las rocas como del suelo se controla mediante la congelación y descongelación, creando montículos, organizando círculos de rocas y rompiendo las rocas en sí mismas. Estos fenómenos son vistas macro de la congelación y descongelación que ocurren naturalmente en el suelo.

Pero, también están ocurriendo cambios microscópicos. La investigación de Erin Rooney en la Universidad Estatal de Oregón está analizando el impacto que puede tener el aumento de la frecuencia de los ciclos de congelación y descongelación en los suelos de Alaska. Estos suelos han almacenado aproximadamente el cuarenta por ciento del carbono orgánico terrestre de la Tierra durante siglos. La capacidad del suelo para continuar almacenando carbono bajo tierra dependerá de la resistencia del suelo a los cambios en el clima. Estos cambios incluyen el aumento de la variabilidad en la temperatura del aire en invierno y el aumento resultante en los ciclos de congelación y descongelación.

El agua es una de las pocas sustancias que se expande a medida que se congela. Además, los cristales de agua congelada (hielo) atraen más agua a lo largo de sus bordes. Esto crea estructuras congeladas hermosas y diversas dentro del suelo. El agua, el hielo y los procesos de congelación y descongelación han sido cruciales para dar forma a los paisajes de todo el mundo, desde el frío círculo ártico, a las cimas nevadas de las montañas en la distancia, hasta el patio cubierto de escarcha detrás de su hogar. ¿Cómo? Bueno, sabemos que algunos suelos se forman por la descomposición de las rocas en componentes minerales más pequeños. Este proceso se llama meteorización y puede ser causado por una multitud de agentes que incluyen (pero no se limitan a) árboles y plantas, líquenes, microorganismos, agua que fluye y hielo. Alternar la congelación y descongelación de rocas, suelos y agua es crucial para el proceso de intemperismo.

Lleva un tiempo para que el suelo se congele incluso después de que llegue el invierno. A una temperatura del aire de 0 °C, el suelo no está necesariamente congelado. Pero a mediados del invierno, el suelo se puede congelar a grandes profundidades, especialmente en áreas que han congelado permanentemente el suelo a uno o dos metros de la superficie del suelo. Este suelo permanentemente congelado se llama permafrost. La roca congelada, el suelo, el agua o una mezcla de los tres se pueden clasificar como permafrost siempre que el material permanezca congelado durante dos o más años consecutivos. El suelo permanentemente congelado tiene un gran impacto en la temperatura del suelo, enfriando el suelo desde abajo hacia arriba en áreas con permafrost presente. Alaska contiene muchos de estos paisajes afectados por permafrost.

A medida que las temperaturas invernales penetran en el suelo desde arriba, el agua contenida en los poros del suelo comienza a dar forma al suelo. El agua de enfriamiento primero se contrae y luego se expande durante la congelación a medida que el agua líquida se cristaliza en hielo. El suelo no es solo un material homogéneo. Más bien, el suelo es una mezcla hermosa y desordenada de partículas minerales, materia orgánica y espacios de poros interconectados llenos de aire y agua. Entonces, a medida que la temperatura actúa sobre el suelo, ya sea desde la atmósfera o el permafrost subyacente, el suelo no se solidifica como un cubo de hielo. Tampoco se descongela como un cubo de hielo.

Los poros muy pequeños mantendrán el agua en estado líquido durante la congelación. Los cristales de hielo atraen el agua líquida a lo largo de un gradiente térmico, lo que resulta en el crecimiento de los cristales de hielo. El movimiento del agua del suelo hacia las lentes de hielo causa la deshidratación del suelo, lo que resulta en la contracción del suelo. Simultáneamente, el crecimiento de los cristales de hielo da como resultado una expansión localizada. Las grietas aparecen durante este proceso, que crecen tanto en la circunferencia como en la profundidad durante la temporada de deshielo. Este proceso es seguido por una congelación y expansión adicionales el próximo invierno. Los polígonos elevados gradualmente se hacen más pronunciados y las cuñas más profundas. Estas cuñas de hielo, con el tiempo, se incorporan al permafrost subyacente.

Los ciclos de congelación y descongelación pueden alterar la superficie del suelo usando solo suelo mineral y agua. Sin embargo, estas características criogénicas se vuelven aún más distinguidas y fascinantes cuando se agrega materia orgánica a la mezcla. Y, a pesar de la baja precipitación a lo largo de la vertiente norte de Alaska, el nivel freático controlado por el permafrost subyacente da como resultado una densa vegetación y, por lo tanto, materia orgánica.

La congelación deforma el suelo. La acumulación de escarcha permite que las capas minerales del subsuelo (o los horizontes) se compriman a través del suelo. Esto mueve los horizontes de más bajo a más alto. Esta característica se conoce como “ebullición de lodo” o “ebullición de escarcha”. Durante la descongelación, los horizontes de superficie ricos en materia orgánica pueden arrollarse más por debajo de la superficie cuando se descongelan más temprano en la temporada que en el subsuelo. Esto puede llenar las grietas dejadas por la contracción del suelo debido a la deshidratación durante la congelación. Este proceso de movimiento de los horizontes del suelo en forma vertical a lo largo del perfil se denomina crioturbación.

Hasta ahora, estas características son macroscópicas. ¿Qué pasa cuando nos acercamos un poco más? Las grietas formadas en el suelo por congelación y expansión del agua pueden ocurrir en una pequeña escala. Las grietas que se forman en las rocas y en los minerales dentro de las rocas controlan un proceso llamado meteorización mineral. A través de este mecanismo, la congelación y descongelación puede influir en el suelo y en el agua de los poros, ya que los minerales que sirven como nutrientes vitales para los organismos vivos se desprenden de las rocas.

Los ciclos de congelación y descongelación no son sólo estacionales. Pueden ocurrir mensualmente, semanalmente, diariamente o como la noche cambia a día. Cuando se producen ciclos de congelación y descongelación a tasas más altas, el suelo puede verse afectado en gran medida en una microescala. Las tasas de meteorización mineral y otros atributos del suelo pueden verse afectadas por la tensión mecánica ejercida por los ciclos de congelación y descongelación.

Los miembros de otros grupos, junto con los científicos del suelo del estado de Oregón, están trabajando juntos para analizar las muestras del núcleo del suelo de Alaska. Estamos comparando la estabilidad del agregado del suelo, la calidad del carbono, la actividad microbiana y la composición mineral en muestras que se congelaron frente a muestras que se sometieron a congelación y descongelación. Nuestro equipo espera conocer cómo los ciclos de congelación y descongelación que aumentan tanto en frecuencia como en intensidad en el suelo afectarán el ecosistema del suelo. Esta información tendrá implicaciones para el ecosistema global más grande que se convertirá en inmediato a medida que el clima se caliente.