Umbral de percolación para el flujo vertical de fluidos a través del hielo marino granular

Por qué importan los diminutos caminos en el hielo marino

El hielo marino puede parecer una lámina sólida y sin vida, pero en su interior está surcado por canales microscópicos de agua salada. Estos pasadizos ocultos controlan cómo se mueven el calor, los gases y los nutrientes entre el océano y la atmósfera, influyendo desde el clima hasta la supervivencia de las algas que viven dentro del hielo. Este estudio plantea una pregunta sencilla pero crucial: ¿en qué momento esa tubería interna del hielo marino se conecta lo suficiente como para que el agua fluya libremente hacia arriba y hacia abajo? La respuesta resulta ser muy diferente según cómo estén dispuestos los cristales del hielo, y esa diferencia tiene grandes implicaciones para cómo modelamos un mundo polar que se está calentando.

Dos tipos de hielo marino, dos comportamientos muy distintos

No todo el hielo marino está formado de la misma manera. En el hielo “columnar”, los cristales crecen como finas láminas verticales con salmuera atrapada en capas y canales entre ellas. En el hielo “granular”, los cristales son más bien como un montón de pequeños granos, con la salmuera llenando películas finas y bolsillos en los espacios intersticiales. Trabajos anteriores mostraron que el hielo columnar se vuelve efectivamente impermeable al flujo vertical a granel cuando el volumen de salmuera cae por debajo de aproximadamente un 5 por ciento. Por encima de ese nivel, el fluido salado puede percolar mediante trayectos continuos. Esta pauta simple se conoce como la “regla del cinco” y se usa ampliamente en modelos de hielo marino. Pero se sospechaba que el hielo granular, común en la Antártida y cada vez más presente en las capas de hielo árticas más delgadas y jóvenes, se comportaría de forma distinta porque su red de salmuera está menos conectada de manera ordenada.

Medir cuándo el agua puede moverse

Para determinar cómo se comporta el hielo granular, los autores realizaron más de cien mediciones de campo en hielo de primer año del Atlántico durante la expedición SIPEX II en la Antártida. Perforaron agujeros verticales parciales en el hielo, sellaron los lados con un tubo ajustado y usaron sensores de presión para seguir con qué rapidez el agua de mar subía por el orificio desde abajo. A partir de esta "prueba de vaciado" (bail test) pudieron calcular hacia atrás qué tan fácilmente se mueve el agua a través del hielo justo debajo del orificio. Luego combinaron estas mediciones con perfiles detallados de temperatura, salinidad y estructura cristalina obtenidos de núcleos cercanos para determinar tanto el contenido local de salmuera como si el hielo allí era columnar o granular. Los resultados revelaron un patrón llamativo: el hielo granular era esencialmente impermeable por debajo de un volumen de salmuera de alrededor del 10 por ciento, y solo se volvía permeable por encima de este umbral mayor.

Pistas de apoyo con tintes y modelos simples

Los autores también revisaron experimentos con trazadores de tinte de un viaje antártico anterior, en los que se vertía agua coloreada y enfriada sobre bloques invertidos de hielo marino. En cada caso, el fluido teñido se hundió rápidamente a través de una capa superior muy permeable pero se detuvo de forma abrupta en capas más profundas y frías donde el volumen de salmuera era alrededor del 10 por ciento. Aunque esos experimentos fueron originalmente exploratorios, resonaron de manera independiente con el corte del 10 por ciento observado en las pruebas de vaciado. Para entender por qué el hielo granular necesita un mayor contenido de salmuera para conducir el fluido, los autores recurrieron a un modelo simple desarrollado originalmente para mezclas de polímero y polvos metálicos. Midiendo los tamaños relativos de los granos de hielo y de las películas de salmuera circundantes en micrografías del hielo antártico, adaptaron este marco de “polvo comprimido” y encontraron que predice de forma natural un umbral de percolación mayor para el hielo granular (alrededor del 10 por ciento) que para el hielo columnar (alrededor del 5 por ciento).

Una regla universal oculta en el azar

Más allá de identificar el umbral en sí, el estudio puso a prueba predicciones de la teoría de percolación, una rama de la física estadística que describe cómo la conectividad surge de forma abrupta en sistemas aleatorios. Por encima del umbral, la teoría predice que la permeabilidad sigue una ley de potencia simple en función de cuánto se supera ese punto crítico, con un llamado exponente crítico que es “universal”, es decir, depende solo de la dimensión y no de detalles microscópicos. Sorprendentemente, trabajos previos mostraron que el hielo columnar se comporta como si compartiera este mismo exponente con modelos de retícula idealizados. Combinando sus nuevas mediciones de permeabilidad en hielo granular con imágenes previas de sus espacios porosos, los autores demuestran que el hielo granular sigue la misma escala universal. Una vez superado el umbral del 10 por ciento, su permeabilidad aumenta con el contenido de salmuera casi de la misma manera matemática que en el hielo columnar y en redes modelo abstractas.

Qué significa esto para el clima y la vida en el hielo

Para los científicos que intentan predecir el clima polar, la química oceánica y los ecosistemas asociados al hielo, estos hallazgos transmiten un mensaje claro: no se puede asumir un único corte uniforme para cuando el hielo marino se vuelve permeable. El hielo granular, que constituye una gran parte del casquete antártico y es cada vez más frecuente en el Ártico, solo permite el flujo vertical a granel una vez que la fracción de salmuera alcanza alrededor del 10 por ciento —aproximadamente el doble de la conocida regla del cinco para el hielo columnar. Este umbral más alto afecta la rapidez con la que drena el agua de deshielo, cómo se forman las charcas en la superficie y la eficiencia con que nutrientes y gases se mueven a través del hielo. Al mismo tiempo, el descubrimiento de que ambos tipos de hielo comparten la misma escala universal por encima de sus distintos umbrales refuerza la idea de que la física estadística proporciona un lenguaje poderoso y unificador para describir la compleja y cambiante trama del hielo marino polar.

Cita: Golden, K.M., Furse, C.M., Gully, A. et al. Percolation threshold for vertical fluid flow through granular sea ice. Sci Rep 16, 11435 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41706-w

Palabras clave: permeabilidad del hielo marino, hielo marino granular, umbral de percolación, clima polar, canales de salmuera