Investigación Cientifica

Estudiando el Cambio de Clima con Kevin Arrigo: Studying Climate Change

por Gina Lappé, Anne E. Egger, Ph.D.

Estudiar el cambio climático es un reto. El clima es influenciado por muchos factores, incluyendo cosas como la forma de la orbita de la Tierra alrededor del sol y la concentración de gases de trazo en la atmósfera. Como resultado, el clima incluye muchas cosas en la superficie de la tierra, incluyendo todo desde la circulación de los océanos hasta la distribución y funcionamiento de ecosistemas en el planeta. ¿Como hace un científico individual para poder realizar investigaciones en un sistema tan complejo? Kevin Arrigo (Figura 1), un oceanógrafo biológico y profesor en la Universidad de Stanford, tiene dos estrategias claves: Utiliza múltiples métodos de investigación en combinación, y colabora con muchos otros científicos. En su trabajo, Arrigo utilizó experimentos de laboratorio con fitoplancton, análisis de imágenes satelitales, modelación de computadora y observaciones de campo. Compartió los resultados obtenidos por medio de estos métodos de investigación múltiples con científicos en otras disciplinas para poder forjar grandes ideas acerca de cómo el cambio climático afecta un ecosistema especifico.

Kevin Arrigo on ice
Figura 1: Kevin Arrigo en el hielo en el Circulo Ártico. image © Gert van Dijken

En el año 2010, su trabajo lo llevó al Océano Ártico, en donde funcionó como el científico líder en un crucero de investigación colaborativo fundado por NASA. ¿Qué involucra ser líder en una investigación científica tan significante y como fue Arrigo obtuvo ese puesto? El trayecto de Arrigo al Océano Ártico y los retos diarios que encontraron en el crucero ilustra muchos aspectos importantes del proceso de la ciencia, incluyendo la naturaleza colaborativa de la ciencia, la influencia de la sociedad, el chance y las instituciones científicas en direcciones de investigación y la variedad de papeles que los científicos desempeñan en su trabajo.

El camino al Ártico

Arrigo siempre supo que quería ser un científico, pero atribuye sus primeros intereses en ecosistemas y ciencia de océanos a un origen poco probable: una transmisión un programa local en su ciudad natal suburbio de Detroit, George Pierrot Presenta. A veces el programa presentaba material archivado de arrecifes coralinos como el fondo de un viaje Caribeño y fue el bocón (Figura 2) que le llamó mas la atención. Los bocones son conocidos entretener en un acuario debido a las madrigueras que construyen utilizando la grava y por su tendencia de escupir grava a los peces que se les acercan. Dice el "Estaba fascinado por el bocón. Eran las mejores cosas que y eso fue cuando me dio intereses".

Jawfish
Figura 2: Un bocón de cabeza amarilla (Opistognathus aurifrons) en un arrecife coralino. image © Creative Commons

Mientras que el bocón pudo haber sido su inicio, no fue solo un animal que hizo que el regresara por mas. Quería entender como todas las especies, desde peces a microbios, interactuaban entre ellos y con su ambiente. En su juventud el describe comprar tanques de peces y los arreglaba tan realísticamente como era posible para verlos interactuar. "Las personas siempre están fascinadas con cosas grandes," dice Arrigo. :Quieren ver la tortuga y los tiburones, pero a mi me gusta ir y sentarme por el arrecife y ver las interacciones entre invertebrados".

"Todas las interacciones" es una manera de describir todo el ecosistema. Un ecosistema incluye todos los organismos vivientes en una área particular y así mismo todos los factores abióticos - es decir, los factores no vivientes - en que dependen los organismos. Estos factores abióticos incluyen cosas como la cantidad de luz y lluvia que recibe una área, o la temperatura o salinidad del océano alrededor de un arrecife.

Viendo todo el ecosistema y no solamente una especie dentro del mismo, ayuda a científicos entender como interactúan plantas y animales entre si y con el ambiente. Una de las motivaciones de Arrigo para estudiar ecosistema es si entendemos como funciona todo el ecosistema, podemos estar mejor equipados para protegerlo y preservarlo efectivamente. Las primeras investigaciones se enfocaron en como el ecosistema del Océano Meridional funciona; específicamente, utilizó imágenes satelitales para describir y estimar la distribución de fitoplancton, conocidos como los productores principales del océano, y utilizaron esta estimación para determinar la cantidad de CO2 tomada durante la primera producción de la región (Arrigo y McClain, 1994). Arrigo esta aun interesado en ecosistemas y como funcionan, y comparte el interés con estudiantes de pregrado de Stanford, impartiendo una clase cada otoño acerca de ecosistemas de arrecifes coralinos en Australia.

Punto de Comprensión

An ecosystem refers to

Mas recientemente, el enfoque de la investigación de Arrigo se ha movido hacia la biogeoquímica o el estudio de procesos biológicos, geológicos y químicos que interactúan dentro de un sistema. Esta área pone énfasis particular en como los elementos y nutrientes como el nitrógeno, carbono y azufre se mueven por la atmósfera, hidrosfera, biosfera y geosfera en tanto escalas a largo plazo como escalas a corto plazo: este conjunto de procesos se conocen como ciclos biogeoquímicos (vea nuestros módulos acerca de El Ciclo Carbónico y El Ciclo del Nitrógeno). Arrigo atribuye el cambio en parte a la presión de las comunidades científicas y de la educación en general. Para escribir una exitosa propuesta para recibir financiamiento para la investigación", algo que el dice hacer durante una gran cantidad de su tiempo, "se tiene que mencionar el cambio climático o el ciclo carbónico". En otras palabras, Arrigo esta siguiendo sus intereses, pero también respondiendo a la influencia de instituciones científicas y agencias de financiamiento (vea nuestro modulo Las Instituciones y Asociaciones Científicas), las cuales están enfatizando el cambio climático debido a la necesidad de mas conocimiento científico en esta área de parte de la asociación.

Mientras se enfocaba en los Océanos Meridional y Ártico, el cambio para incluir los ciclos biogeoquímicos en su investigación trajo nuevas preguntas, métodos y motivaciones para su investigación. Primordialmente, ahora esta combinando su interés en ecosistemas con un enfoque en como el cambio climático puede impactar esos ecosistemas y sus interacciones. En el Océano Meridional, por ejemplo, Arrigo comenzó a combinar sus análisis de imágenes satelitales con el análisis del mismo fitoplancton, determinando de que diferentes especies de fitoplancton tenían diferentes tasas de consumo de CO2 (Arrigo et al., 2002) y esa fotosíntesis (también llamada producción primaria) de parte de todas las especies fue inhibida con al incremento de radiación ultravioleta que resultó del agujero de la capa de ozono en el hemisferio sur (Arrigo et al., 2003) Vea nuestro módulo acerca de la Práctica de la Ciencia para aprender mas acerca del agujero de la capa de ozono). A lo largo de varios años de análisis, Arrigo y sus socio de investigación determinaron de que porciones del Océano Meridional son un "fregadero" para dióxido de carbono atmosférico, lo que significa es que pueden remover CO2 de la atmósfera, pero la cantidad de CO2 absorbido por medio de producción primaria variaba bastante de año a año y estaba fuertemente correlacionado con la extensión y profundidad de la cobertura de hielo en el mar (Arrigo y Van Dijken, 2007).

Investigación colaborativa en el Océano Ártico

La investigación de Arrigo en el Océano Meridional mostrando la relación cercana entre la cobertura de hielo temporal y producción primaria lo llevo a interesarse en el Océano Ártico también. Imágenes satelitales y medidas tomadas por barcos y buques habían demostrado de que el hielo en el Océano Ártico estaba disminuyendo en tamaño a un paso acelerado. ¿Qué significaría esto para la producción primaria?

En el 2008, Arrigo dio una presentación acerca del hielo del mar disminuyente en el Ártico en una conferencia de ciencias marinas. Después de su presentación, una oficial encargada del financiamiento del programa del Ártico en la Nasa se le acercó. Ella le pidió redactar un ensayo acerca de las nuevas direcciones para la investigación del cambio climático en el Ártico que seria un llamado para propuestas a la comunidad científica (puede ver el articulo por usted mismo - ver Investigación debajo de la pestaña de Enlaces). En otras palabras, mientras que Arrigo había anteriormente inclinado el enfoque de su investigación para tomar en cuenta las prioridades de agencias de financiamiento, en este caso, ¡la agencia estaba desarrollando su estrategia basada en la investigación de Arrigo!

Esta interacción eventualmente llevó a involucramiento en los Impactos de Cambio Climático en Ecosistemas y la Química del Ambiente Pacifico Ártico, o ICESCAPE por sus siglas en ingles (Impacts of Climate Change on the Eco-Systems and Chemistry of the Arctic Pacific Environment) financiado por la NASA (Figura 3). ICESCAPE es un proyecto de 4 años designado a investigar preguntas acerca de la biogeoquímica de la región. El Ártico esta ya experimentando debido a cambios climáticos, y proyectos tales como este proveen información de valor acerca del clima global cambiante. El proyecto involucra dos cruceros de investigación a través del Océano Ártico para investigar respuesta de fitoplancton en la capa de hielo cambiante, llevan a cabo verificaciones de terreno de datos satelitales por medio de medidas de la superficie, y miden los impactos que causa la acidificación del océano al ecosistema del Océano Ártico.

ICESCAPE Logo
Figura 3: El Logo del Proyecto ICESCAPE. image © NASA

ICESCAPE incluye mas de 50 científicos en 11 diferente equipos de investigación de la Universidad de Stanford y el Instituto Scripps de la Oceanografía en California, Universidad de Washington, Institución Oceanográfica Woods Hole en Massachusetts, Instituto de Ciencias Marinas en Bermuda, la Universidad de Alaska-Fairbanks, y otras universidades e instituciones de investigación. La mayoría de los científicos participan en cruceros de investigación de dos meses en los Mares Chukchi y Beaufort en Ártico (ver Figura 4 para ver la ubicación), el primero tomo lugar en el verano del año 2011. Cada equipo de investigadores trabaja en una pregunta especifica relacionada con el gol general del proyecto para investigar el impacto del cambio climático en el Ártico.

El equipo de investigación de Arrigo consistía en el encargado de su laboratorio, socio de investigación, dos estudiantes de posgrado y dos estudiantes de pregrado. Uno de los miembros del equipo, un estudiante de pregrado que había trabajado con Arrigo desde el año 2008 decidió no asistir a su graduación de la Universidad de Stanford para poder obtener un puesto en el crucero de investigación. El solamente ser elegido para un equipo de investigación en ese crucero es bien competitivo y la oportunidad de seguir en el crucero, especialmente como estudiante de pregrado es algo que uno de deja pasar. Sin embargo, a parte de manejar su propio equipo, Arrigo es el científico jefe de ICESCAPE, lo que significa que esta a cargo de manejar la logística antes, durante y después de cada de los dos cruceros.

El rol principal del jefe científico es para decidir como todas las preguntas de investigación serán respondidas en el crucero. Inicialmente, cada equipo había escrito sus propios planes para responder las preguntas de investigación, resultando en algún superposición y redundancia. Por medio del proceso de planificación, refinaron sus preguntas de investigación como un grupo y trabajaron juntos para decidir como los datos serán recolectados y las muestras serán compartidas entre los equipos. Estas decisiones, entre otras, fueron hechas por medio de un año de teleconferencias semanales en las cuales todos los equipos de investigación participaron. Una vez fueron confirmadas las preguntas de investigación y fueron establecidos los métodos, el plan de revisar las ubicaciones fue determinado (Figura 4.)

ICESCAPE Map
Figura 4: El plan para el crucero de ICESCAPE para revisar y obtener muestras de las ubicaciones para la expedición del año 2010, que fue establecido antes del crucero. image © ICESCAPE/NASA

El 11 de Junio del año 2010, después de mas de un año de planificaciones, los equipos de investigación volaron sobre Dutch Harbor, Alaska, en donde el buque de investigación, el Cortador de la Guardia Costera de Estados Unidos (USCGC) Healy (Figura 5), estaba esperando. El Healy es propiedad del Guarda Costa y alquilado por la NASA para el crucero de investigación. Viene con una tripulación acostumbrada con trabajar con científicos fuera del agua y un taller a bordo, diseñado para permitir que la tripulación y los científicos construyan lo que necesiten para llevar a cabo su investigación. Como científico líder, Arrigo esta a cargo de interactuar con el capitán y servir como intermediario principal entre la tripulación y los científicos. Ambos grupos traen sus diferentes experiencias para tener un crucero exitoso y los científicos dependen en la tripulación, quienes no solo mantienen funcionando el buque, pero también ayudan con la maquinaria y los aspectos técnicos de recolectar muestras.

Punto de Comprensión

A main purpose of the planning process was to ensure

USCGS Healy in Dutch Harbor
Figura 5: El USCGC Healy saliendo de Dutch Harbor. image © Sue Tolley/NASA

En el agua

Una vez en el agua, todo mundo en el buque se mantiene informado acerca del plan del día en el "Pizarrón de Mentiras" un pizarrón blanco que es proyectado en todas partes del buque (Figura 6). Se le llama así porque, a pesar de que muestra todos los planes del día, usualmente esta equivocado pocos minutos después de que se escribe. Cambios en condiciones del océano, en el hielo y en la logística de la investigación suceden de un momento a otro y hacen que sea imposible mantenerse en un plan sin importar que tan bien establecido sea. Esto no es común en la investigación científica, especialmente en trabajo de campo en donde no es posible controlar todos los aspectos del ambiente y los científicos necesitan ser flexibles para acomodar cambios y nuevas oportunidades.

Kevin Arrigo at board of lies
Figura 6: Kevin Arrigo da una actualización en el Pizarrón de Mentiras en el buque. image © Sue Tolley/NASA

Junio en el Ártico es un tiempo de luz de sol perpetua, así es que 24 horas de muestreo continuo cada día era posible sin importar los turnos de 12 horas que fueron asignados a los investigadores. El estado del tiempo era particularmente agradable en el 2010, con varios días asoleados y despejados sobre el agua. Esto permitió que los equipos de investigación recolectaran muestras a casi el doble de las ubicaciones que se esperaba alcanzar, tanto muestras de agua como muestras de hielo (Figura 8).

Optical Package instruments
Figura 7: Bajando instrumentos para recolectar muestras de agua en un océano abierto. image © Haley Smith Kingsland
Arrigo group on the ice
Figura 8: Miembros del equipo de investigación de Arrigo recolectando muestras de agua de debajo de la capa de hielo. image © Haley Smith Kingsland

El equipo de investigación de Arrigo estaba midiendo las tasas de productividad primaria para ver cuando dióxido de carbono consume el fitoplancton por medio de la fotosíntesis. Para poder hacer eso, recolectaron muestras de agua utilizando un conjunto de botes de Niskin llamado roseta, mostrado en la Figura 9, el cual es una herramienta sumergible rodeado por doce botes de 30 litros. Estos botes están abiertos en ambos lados y pueden ser cerrados en cualquier profundidad bajo el agua mientras desciende la roseta. De esta manera se puede comparar muestras de todas las profundidades o pueden obtener varias muestras de ciertas profundidades. El fitoplancton después son filtrados en el buque o en Stanford. El equipo también midió la concentración de carbono, nitrógeno y fosforo en el agua para investigar el rol de microorganismos en el ciclo de nutrientes.

Niskin Bottle rosette
Figura 9: La herramienta de muestreo principal de Arrigo, la roseta de botes de Niskin. image © Haley Smith Kingsland

A pesar del clima placentero, el buque igual se encontró con hielo que no pudo quebrar. Usualmente el Healy de 420 pies puede quebrar el hielo subiéndose al mismo, causando que el hielo sea empujado hacia abajo, quebrándose y dispersándose para abrir espacio para el buque. Pero después de 12 horas empujando el hielo con solo unos cuantos metros de avance el equipo decidió darse vuelta y regresar. El plan original era llegar al Mar Beaufort, pero la barrera de hielo los limitó a solamente a recolectar muestras de el Mar Chuckchi (ver Figura 4 para ubicaciones). A pesar del hielo, recolectaron mucho mas muestras de las que habían anticipado, sus ubicaciones reales de muestreo se pueden ver en la Figura 10. Comparadas con sus ubicaciones planeadas en la Figura 4, se puede ver que no llegaron tan al norte o al oeste como habían planeado, pero hay muchos mas triángulos rojos, verdes y azules (indicando ubicaciones de muestro) que círculos rojos en el plan.

ICESCAPE route
Figura 10: Las ubicaciones de muestreo del crucero de investigación ICESCAPE en el verano del 2010. La tierra se puede ver en gris, contornos batimétricos muestran la profundidad del agua. image © Kevin Arrigo

Punto de Comprensión

The "Board of Lies" underscores that scientists must

Tan pronto como terminaron su primer crucero, Arrigo y los otros equipos de investigación comenzaron a planear su próximo crucero. La dirección de sus preguntas de investigación dependen en parte en cuando iban a asegurar el buque: Si es en un periodo de tiempo similar, ellos probablemente recolectaran un segundo año en datos de los mismos sitios para ver como cambian las áreas con el paso del tiempo. Pero pueda que determinen nuevas preguntas de investigación basadas en los resultados de su primer crucero, la profundidad y cobertura del hielo en el mar, o las tiempo del año cuando tengan acceso al Healy.

Arrigo espera explorar nuevos sitios, especialmente esos mas al norte, incluyendo áreas en el Mar Beaufort en donde habían planificado obtener muestras en el año 2010 pero no pudieron pasar debido al huelo. Esto proveerá una distribución espacial mas grande para sus datos y dará un mejor sentido acerca de cuanto dióxido de carbono utiliza el fitoplancton del Ártico. Al analizar estas preguntas, Arrigo y su equipo están contribuyendo, no solo al entendimiento del impacto en el cambio de clima en esta región, pero a nuestro entendimiento del clima en general.

Resumen

Biological oceanographer Kevin Arrigo investigates questions about changes in polar ecosystems due to a changing climate. This research profile explores Arrigo's expeditions in the Arctic Ocean and examines the different influences on Arrigo’s research projects and his career in general. Factors that guide research are discussed, from obtaining funding, to planning research projects, to conducting research in the field.

  • Referencias
  • Arrigo, K.R., Dunbar, R.B., Lizotte, M.P., & Robinson, D.H. (2002). "Taxon-specific differences in C/P and N/P drawdown for phytoplankton in the Ross Sea, Antarctica." Geophysical Research Letters, 29(19), 41-44.
  • Arrigo, K.R., Lubin, D., van Dijken, G.L., Holm-Hansen, O., & Morrow, E. (2003). "Impact of a deep ozone hole on Southern Ocean primary production." Journal of Geophysical Research: Oceans, 108(C5), 1-19.
  • Arrigo, K.R., & McClain, C.R. (1994). "Spring phytoplankton production in the Western Ross Sea." Science, 266(5183), 261-263.
  • Arrigo, K.R., & Van Dijken, G.L. (2007). "Interannual variation in air-sea CO2 flux in the Ross Sea, Antarctica: A model analysis." Journal of Geophysical Research: Oceans, 112(C3), 1-16.

Gina Lappé, Anne E. Egger, Ph.D. “Estudiando el Cambio de Clima con Kevin Arrigo” Visionlearning Vol. SCIRE-1 (4), 2011.