Nos han enseñado desde chicos, que los elementos químicos existen, conforman toda la materia que conocemos, que podemos ver, tocar y la que no. Nos han dicho que el oxígeno es fundamental para la vida como la conocemos hoy, que es un elemento que podemos ver en la tabla periódica, que no tiene olor ni color, que tiene 8 electrones, 8 neutrones y 8 protones; y que así es como existe en la naturaleza. Sin embargo, eso no es del todo cierto, ya que muchos elementos químicos tienen una “contraparte” (o varias), como si tuvieran un gemelo con el que comparten prácticamente el 100 % de sus características, pero no llegan al ser del todo iguales (p ej. los gemelos humanos pueden llegar a variar ligeramente en talla, color de piel, peso). En el caso de los elementos químicos, es eso último exactamente lo que diferencia ambas “contrapartes”, que comparten las mismas características, pero tienen una diferencia, su masa.
Sin embargo, este “peso” no se suele expresar en gramos o kilogramos, más bien se calcula según el número de protones y de neutrones que tiene cada átomo (los componentes del núcleo). Para continuar con el oxígeno, que, si sumamos el número de neutrones y de protones obtenemos el número 16, siendo este al que llamaremos de ahora en adelante como “oxígeno dieciséis”. Este oxígeno dieciséis tiene su gemelo, el “oxígeno dieciocho” (sí, como los androides 16 y 18 de Dragon Ball), con 8 protones y 10 neutrones, siendo el dieciocho el más pesado de los dos. Lo sorprendente es que ambos tipos de oxígeno existen en la naturaleza y así ocurre con varios elementos en la naturaleza, a los que se denominan isótopo: del griego isos = igual, y topos = lugar; debido a que su número atómico es el mismo (igual lugar en la tabla periódica), pero tienen un peso atómico diferente (diferente número de neutrones).
Ahora, se preguntarán, si es que existe, ¿por qué nunca he oído hablar de él? Bueno, la respuesta a la pregunta es: así como la probabilidad de encontrar gemelos entre los humanos es baja, la de encontrar isótopos más pesados es baja y, sin embargo, están presentes en la naturaleza. Así, se suele nombrar únicamente al oxígeno dieciséis, ya que es la forma en la que se encuentra el 99,75 % del oxígeno, mientras que el oxígeno dieciocho únicamente corresponde al 0,20 %. Así, si se quiere ser más específico, por cada 100 átomos de oxígeno en la naturaleza, menos del 1 % corresponderá al oxígeno dieciocho. Muy poco ¿verdad? Bueno, esta proporción puede cambiar, pero ¿cómo?
Todos los procesos químicos y físicos que existen en la naturaleza y que participen los elementos químicos (todos) son como un filtro, en el que se tiene inicialmente una cantidad de oxígeno dieciséis y oxígeno dieciocho; pero en el filtro, de acuerdo con sus características va a retener una cantidad mayor o menor de uno de los isótopos, por lo tanto, después que el oxígeno pase por un proceso (filtro), se obtendrán cantidades diferentes a las originales. A esto, se le denomina fraccionamiento.
Así, los científicos han estudiado cómo los procesos físicos y químicos afectan de forma diferente este fraccionamiento. Un ejemplo para ilustrar esto es cómo la lluvia y la evaporación del agua, funcionan como filtro para que ocurra el fraccionamiento del oxígeno presente en el agua: el isótopo más ligero se va a evaporar más fácilmente, quedando el isótopo más pesado en el agua líquida, ¡sólo por el hecho de ser más pesado! Fascinante ¿no?
Debido a esta relación y, si es posible conocer cómo varía la proporción de los isótopos, entonces ¿es posible inferir qué procesos ocurrieron para que se diera X valor isotópico a partir del valor de fraccionamiento que ocurre en los isótopos? La respuesta es: ¡sí! Estudiando cómo varía el comportamiento de los isótopos y cuáles son los factores físicos y químicos que modulan su variación, es posible hacer inferencias de qué ocurrió en casi cualquier instante del tiempo y el espacio.
Pero ¿cómo? El fraccionamiento del oxígeno presenta variaciones a lo largo del ciclo del agua y varía en asociación con la temperatura. Cuando hay mucha evaporación, el oxígeno dieciséis al ser más liviano, se liberará del agua líquida de forma más rápida; así, el agua en las nubes que recién se forman, se encuentran con una mayor proporción del isótopo más ligero que las condiciones
originales. Por otro lado, al perder el oxigeno dieciséis el agua de donde provino el agua evaporada quedará con mayor proporción de oxígeno dieciocho. ¡Y sí! Estas proporciones son medibles, lo que hace una herramienta muy útil para evaluar eventos en los que hubo variaciones de temperatura, lluvias, cambios en las concentraciones de gases como el dióxido de carbono y ¡cambios en el clima del planeta!
Las escalas de la variabilidad climática
Sin embargo, antes de continuar en cómo pueden ayudarnos los isótopos a entender el clima del planeta es necesario dejar claro qué es el clima y otros conceptos subyacentes que se asocian hoy en día con el concepto de “clima”, ya que suelen usarse de forma unilateral, dejando la impresión de que todo lo asociado al concepto de “clima” hace referencia a lo mismo. Para ilustrarlo con un ejemplo: se escucha personas, incluso reconocidos investigadores en un tema no ajeno al estudio del clima, pero sí uno en el que no son expertos, así como a personas ajenas a las precisiones de los conceptos, que los efectos de eventos de El Niño–Oscilación del Sur (ENOS) en la temperatura, lluvias y otros procesos en todo el planeta, son un resultado del cambio climático. Y, no lo son. Ya que, si bien puede llegar a ser cierto, no es del todo preciso. De igual forma, se escucha a muchos decir: “no existe un cambio en el clima, porque si hubiese un cambio en el clima, por qué seguimos teniendo invierno y verano como siempre los hemos tenido”.
¿Por qué? Si vamos a la definición más general (pero realmente precisa) del concepto “clima” se refiere a las condiciones de un determinado lugar por un periodo prolongado de tiempo. Para el sistema climático de la tierra, de acuerdo a la Organización Meteorológica Mundial (OMM), son condiciones que perduran a lo largo de por lo menos cientos y miles de años, conservando un rango de valores determinado para variables como concentraciones de gases, temperatura, precipitaciones, etc. Por otro lado, si bien estos rangos se mantienen estables a escalas espaciotemporales importantes, ello no implica que no varíen. Las variaciones en dicho sistema pueden ir desde a escalas de días, en las que la temperatura (por ejemplo) pueden variar y tener máximos posterior a la máxima radiación solar recibida por la tierra (~12 horas) y mínimas cuando no incide radiación en una región localizada de la tierra; a variaciones generadas por otros eventos de escalas pequeñas como tormentas y ciclones tropicales (que son elementos que se encuentran de forma “natural” en el sistema de la tierra), que son estudiados por la meteorología (Figura 1).
Por otro lado, existen otros eventos de variabilidad climática que también corresponden a una variación natural del sistema, que suele darse a manera de oscilaciones. Dentro de estas escalas, se encuentran las estaciones como las conocemos, que son variaciones que se dan a lo largo del año. Así mismo, más allá de un año, existen eventos (una vez más, naturales), que generan cambios en las variables como la precipitación y la temperatura; dentro de estos se encuentra el anteriormente mencionado ENOS que genera variaciones en el sistema climático a escala interanual, cada 2–7 años aproximadamente. Así mismo, por mencionar otro evento de variabilidad climática se encuentra la Oscilación Decadal del Pacífico, que, así como las otras, genera fluctuaciones de variables atmosféricas, pero esta vez a escalas superiores a los 10 años (Figura 2).
Volviendo a los isótopos, son una herramienta que por sus características nos permite evidenciar cambios en las condiciones a diferentes escalas espaciotemporales. Un ejemplo de esto es el estudio de los valores de oxígeno dieciséis en las matrices de crecimiento de los corales en estudio reciente[1], en donde resaltan que para la isla de Borneo, una región en dónde se ven reflejados los efectos de eventos ENOS en la proporción de isótopos estables en el esqueleto calcáreos con una importante relación con estos valores y los de variables oceánicas y atmosféricas incluyendo la salinidad, temperatura superficial del mar, precipitaciones y descarga de ríos. Demostrando no sólo que el registro de los isótopos permite, al correlacionar efectivamente los valores isotópicos de los variables océano–atmosféricas, sino que existen cambios en los procesos que influyen en el fraccionamiento en matrices de organismos vivos que pueden contener registros de cientos de años.
Y así como el estudio anterior logró correlacionar dichas variables con una matriz de un organismo vivo, es posible hacer un análisis de isótopos con fósiles, obteniendo información no solo de las últimas décadas o centenios, sino de miles de años. Es el caso de otro estudio [2] en el que, haciendo análisis de fósiles de una especie de molusco de Perú, con el fin de observar un registro histórico de un evento de variabilidad interanual (el ENOS) durante el Holoceno. Buscando responder la pregunta si anteriormente hubo una variabilidad espacial del ENOS como la reportada en las últimas décadas, donde se han descrito en el que el cambio en la temperatura en el Pacífico tropical asociado a estos eventos se puede encontrar centrado en el Pacífico Oriental (PO) o en el Pacífico Central (PC) en dónde se señala, debido a la variación de los isótopos de oxígeno que antes de los 8000 años antes y después de los 4000 años, los eventos del ENOS se encontraron dominados por eventos del PO, mientras que una baja variabilidad de isotópica entre los 6700 a 7500 años señalan una posible dominancia de eventos PC, los cuáles se han demostrado tienen diferentes efectos a nivel oceánico y atmosférico, así como diferentes patrones de teleconexión, pudiendo afectar de forma diferente el sistema climático del planeta en el tiempo reciente, dando luz no sólo a cambios generados a nivel temporal, sino demostrando que es una herramienta muy útil para determinar cambios a nivel espacial de eventos de variabilidad climática como el ENOS.
Así, debido a la influencia de factores atmosféricos y oceánicos en los procesos físicos, químicos y biológicos, con un par de ejemplos nos permiten conocer cómo los isótopos son una herramienta muy útil para conocer cómo ha variado el clima del planeta, no solo en escalas de tiempo superiores, sino cómo han variado eventos de variabilidad climática que tienen efecto a nivel intra e interanual en el sistema climático a lo largo de la historia de la tierra y así mismo, poder inferir sobre el futuro de dicho sistema y cómo podría afectar a los ecosistemas y a la humanidad
en los próximos años.
Referencias:
[1] Krawczyk, H., Zinke, J., Browne, N. et al. (2020) Corals reveal ENSO-driven synchrony of climate impacts on both terrestrial and marine ecosystems in northern Borneo. Sci Rep 10, 3678 (2020). doi: 10.1038/s41598-020-60525-1
[2] Matthieu Carré at al. (2014) Holocene history of ENSO variance and asymmetry in the eastern tropical Pacific Science doi: 10.1126/science.1252220
Para saber más:
Testigos del pasado
He visto la Tierra cambiar
Las lapas como indicador paleoclimático de alta resolución
Sobre el autor: Gabriel Gutiérrez es graduado de biología marina de la Universidad de Bogotá Jorge Tadeo Lozano (Colombia) y estudiante de la maestría en Ciencias en Manejo de Recursos Marinos del CICIMAR-IPN (México)
