La IA cuestiona los modelos sobre movimiento de hielo en la Antártida

Investigadores de Stanford han usado el aprendizaje automático para analizar por primera vez datos de teledetección de alta resolución sobre los movimientos del hielo en la Antártida.

Su trabajo, publicado en Science, concluye que "los modelos constitutivos actuales no capturan con precisión el movimiento de la capa de hielo observado por satélite".

A medida que el planeta se calienta, la capa de hielo de la Antártida se derrite, lo que contribuye al aumento del nivel del mar en todo el mundo. La Antártida contiene suficiente agua congelada como para elevar el nivel del mar global en 58 metros, por lo que predecir con precisión cómo se moverá y derretirá ahora y en el futuro es vital para proteger las zonas costeras. Sin embargo, la mayoría de los modelos climáticos tienen dificultades para simular con precisión el movimiento del hielo antártico debido a la escasez de datos y a la complejidad de las interacciones entre el océano, la atmósfera y la superficie congelada.

"Una gran cantidad de datos observacionales se ha vuelto ampliamente disponible en la era de los satélites", afirmó en un comunicado Ching-Yao Lai, profesora adjunta de geofísica en la Escuela de Sostenibilidad Doerr de Stanford y autora principal del artículo. Combinamos ese extenso conjunto de datos observacionales con aprendizaje profundo basado en la física para obtener nuevos conocimientos sobre el comportamiento del hielo en su entorno natural.

COMO UNA ESPONJA

La capa de hielo antártica, la masa de hielo más grande de la Tierra y casi el doble del tamaño de Australia, actúa como una esponja para el planeta, manteniendo estables los niveles del mar al almacenar agua dulce en forma de hielo. Para comprender el movimiento de la capa de hielo antártica, que se reduce a un ritmo cada año mayor, los modelos existentes se han basado tradicionalmente en suposiciones sobre el comportamiento mecánico del hielo derivadas de experimentos de laboratorio. Sin embargo, el hielo antártico es mucho más complejo de lo que se puede simular en el laboratorio, explicó Lai. El hielo formado a partir del agua de mar tiene propiedades diferentes al hielo formado a partir de nieve compactada, y las capas de hielo pueden contener grandes grietas, bolsas de aire u otras inconsistencias que afectan el movimiento.

"Estas diferencias influyen en el comportamiento mecánico general, el llamado modelo constitutivo, de la capa de hielo de maneras que no se reflejan en los modelos existentes ni en un entorno de laboratorio", explicó Lai.

Lai y sus colegas no intentaron capturar cada una de estas variables individuales. En su lugar, construyeron un modelo de aprendizaje automático para analizar los movimientos a gran escala y el espesor del hielo registrado con imágenes satelitales y radares de avión entre 2007 y 2018. Los investigadores pidieron al modelo que se ajustara a los datos de teledetección y que cumpliera con varias leyes físicas existentes que rigen el movimiento del hielo, utilizándolo para derivar nuevos modelos constitutivos que describan la viscosidad del hielo (su resistencia al movimiento o al flujo).

Los investigadores se centraron en cinco plataformas de hielo de la Antártida: plataformas flotantes de hielo que se extienden sobre el océano desde glaciares terrestres y retienen la mayor parte del hielo glacial antártico. Descubrieron que las partes de las plataformas de hielo más cercanas al continente se están comprimiendo, y los modelos constitutivos en estas áreas son bastante consistentes con los experimentos de laboratorio. Sin embargo, a medida que el hielo se aleja del continente, comienza a ser arrastrado hacia el mar. La tensión hace que el hielo en esta área presente diferentes propiedades físicas en distintas direcciones, como la facilidad con la que un tronco se parte a lo largo de la fibra que a lo ancho, un concepto denominado anisotropía.

PLATAFORMA DE HIELO ANISOTRÓPICA

"Nuestro estudio revela que la mayor parte de la plataforma de hielo es anisotrópica", afirmó Yongji Wang, primer autor del estudio y quien dirigió el trabajo como investigador postdoctoral en el laboratorio de Lai. "La zona de compresión -la parte cercana al hielo en tierra- solo representa menos del 5% de la plataforma. El 95% restante corresponde a la zona de extensión y no sigue la misma ley".

Comprender con precisión los movimientos de la capa de hielo en la Antártida será cada vez más importante a medida que aumenten las temperaturas globales. El aumento del nivel del mar ya está incrementando las inundaciones en zonas bajas e islas, acelerando la erosión costera y agravando los daños causados por huracanes y otras tormentas severas. Hasta ahora, la mayoría de los modelos han asumido que el hielo antártico tiene las mismas propiedades físicas en todas las direcciones. Los investigadores sabían que esto era una simplificación excesiva -los modelos del mundo real nunca replican a la perfección las condiciones naturales-, pero el trabajo de Lai, Wang y sus colegas demuestra de forma concluyente que los modelos constitutivos actuales no capturan con precisión el movimiento de la capa de hielo observado por satélite.

"Se había pensado en esto antes, pero nunca se había validado", afirmó Wang, quien actualmente es investigador postdoctoral en la Universidad de Nueva York. "Ahora, con base en este nuevo método y el riguroso razonamiento matemático que lo sustenta, sabemos que los modelos que predicen la evolución futura de la Antártida deberían ser anisotrópicos".

Los autores del estudio aún desconocen con exactitud la causa de la anisotropía de la zona de extensión, pero planean seguir perfeccionando su análisis con datos adicionales del continente antártico a medida que estén disponibles.