Understanding Global Climate Change from Andean Glaciers

Perspectives from Ecuador and Bolivia 

 

The glaciated south face of Huayna Potosi, Cordillera Real, Bolivia. Photo by Jai C. Beeman.

 

In the summer of 2007, a small glacier disappeared north of La Paz, Bolivia.

At 17,000 feet above sea level, the small mountain Chacaltaya is a mere foothill of its giant, glaciated brothers Huayna Potosi and Illimani. Accessible by taxi on a dirt road from the city of El Alto, its small glacier had been used as a marked ski run long ago.

The Chacaltaya glacier became a local symbol of changing climate: a mountain stripped of its ice by temperatures rising at unprecedented rates as we emit greenhouse gases into the atmosphere. And similar changes are happening across the Andes.

Here, we tell two stories, from the perspective of scientists training to understand glaciers and how they change in response to climate. The first, from Ecuador, is a look into why, and more importantly, how we study glaciers and their responses to modern climate change. The second, from Bolivia, takes a journey from the Altiplano, up a glacial valley, and into the past.

Engineer Marco Solis transports material. Photo by Jean Paul Ruiz Hernández, Ecudaor.

 

 

Jean Carlos Ruiz Hernández, Ecuador

Glaciers are like animals: they move, change, grunt and are always angry, notes Bear Grylls in his popular TV series Man vs. Wild. This colorful description captures why we feel so attracted to these colossi, and why some of us spend our lives exploring and studying them.

People tend to have questions for glaciologists. Some of the most common: how long will we have glaciers? What will be the socioeconomic impact of changes in freshwater availability for populations that depend, in part, on the water stored in glaciers?

The responses to these questions are not so simple. For a glacier to survive, it needs to receive at least the same mass in precipitation that it loses by melt. When melt dominates, the glacier begins to recede. As a result of anthropogenic global warming, the interior tropical Andes are experiencing an increase in temperature and higher precipitation variability. Glaciers in this part of the world are retreating as a result.

Tropical glaciers are highly sensitive to temperature changes, even on the hourly scale.  In the tropical Andes, small streams can form as the sun warms the front of a glacier in the morning, only to disappear at night. Over longer periods of time, they testify to oceano-atmospheric phenomena, like the El Niño Southern Oscillation, itself well referenced in popular culture. In El Niño years in Ecuador, snow amounts are reduced and temperature increases, an ideal combination for glacier mass loss. La Niña years, on the other hand, tend to induce small losses or even slight increases in mass.

Marco Solis checks accumulation. Photo by Jean Paul Ruiz Hernández.

 

The Antisana massif, a colossus rising to 19,000 feet above sea level, is home to the most observed glacier in Ecuador. Located 25 miles outside of the capital, Quito, its ice cap covers around seven square miles, just a bit less than the land area of Cambridge, Massachusetts (for our Boston-area ReVista readers). In the Antisana massif, a complex network of water catchments has been installed, which supplies some of the water to the 2.5 million inhabitants of Quito.

Quito counts on glacial sources for  five to ten percent of the city’s water supply and will suffer less from glacier retreat than a city like La Paz, for example, where glaciers provide up to 30 percent of the dry season water source.

These conclusions are obtained through long campaigns of observation and measurement. We make regular trips to the Antisana massif and other mountains to place instruments: meteorological stations, weirs to measure streamflow, stakes and pits to measure glacier mass. We add information from  satellites that allow us to estimate precipitation, snow cover and topography. In Ecuador, public and private institutions together with international cooperation allow us to continue this work.

Antisana is a laboratory for glaciologists, ecologists, biologists and hydrologists. Here, numerous Ecuadoran and international students have trained at the undergraduate and postgraduate levels. And from Antisana, we will be able to answer the urgent questions about how mountain water systems will respond to the climate change that we are exposed to. It’s in our hands to generate and study the data to provide the answers.

Marco Solís, taking samples of solid precipitation 5300 msnm. Photo by Jean Paul Ruiz Hernández.

 

Jai Chowdhry Beeman, United States

The changes on Antisana in Ecuador and the disappearance of the Chacaltaya glacier in Bolivia are part of a much longer story. Earth’s changing orbit and climate, through glaciers, have left their traces in the mountains.

I was introduced to this record of changes during the year that I worked as an intern at the Instituto de Hidraulica e Hidrologia/Institut de Recherche pour le Développement in La Paz. For a couple days every two weeks or so, I would travel with other technicians and students, both from Bolivia and abroad, to the glaciers in the Charquini and Huayna Potosi massifs to download meteorological data and measure glacier mass. Usually, I was drawn to parts of the mountains further afield for the weekends as well to explore.

Leaving El Alto, on the edge of the Altiplano, we would head towards the Cordillera Real. The foothills of the cordillera are cut by wide, u-shaped valleys, where streams connect the high mountains to the altiplano.

These u-shaped valleys during the last glaciation were filled with ice. During the glaciation, responding to lower solar radiation amounts, ice sheets had formed over much of North America and northern Europe. Smaller caps covered high mountain regions as well: huge glaciers carved out the valleys that now surround the Alps, the Himalayas and the Andes. Rises known as terminal moraines, formed by debris forced downslope by flowing ice, cross the outlets of these valleys and mark the past extent of these glaciers.

The road out of El Alto crosses a terminal moraine to enter the Milluni Valley on its way to the Huayna Potosi and Charquini massifs. Using cosmogenic isotopes, whose concentrations vary slowly over time, Smith et al. (2005, Science) date these moraines to between 34,000 and 23,000 years old. During this period, huge glaciers would have loomed over the plateau where El Alto now reigns.

After 23,000 years ago, the glaciers began to retreat. And this age is probably not a coincidence. Earth’s orbit constantly undergoes change. Around 24,000 years ago, the Earth began to receive more sunlight. As temperatures rose, the massive glaciers that had spread out of the Andes would likely have begun to lose ice. Their fronts would have melted more rapidly than they could be replenished by ice flowing down from the mountains.

The changes in the amount of solar radiation associated with glaciations and deglaciations, though, are small, and the climate system does not respond quickly to these changes. Rather, feedbacks in the climate system: greenhouse gases, which re-emit radiation in the form of heat, and ice loss at the polar caps, which increases the amount of radiation the Earth system can retain, for example, can accelerate warming over thousands of years. Then, mechanisms in the ocean and the atmosphere, like the ENSO variations that determine each year’s variations on Antisana, transport this heat across the globe.

These mechanisms are likely responsible for variations as the glaciers retreated to higher altitudes. Jomelli et al (2014, Nature) indicate that another advance likely occurred here around 14,500 years ago, during the period  known as the Antarctic Cold Reversal. The glacier advance during this period in the Andes coincided, remarkably, with lower temperatures recorded in archives across the Southern Hemisphere and a pause in the deglacial COincrease.

Moving up into the mountains, a much more recent sequence of terminal moraines, dated by Rabatel et al. (2008, Quaternary Research) to the 17th to 19th centuries, crosses the increasingly narrow, steep valleys. These moraines testify to a more recent period of glacial advance, known as the Little Ice Age.

At the end of the road winding up Milluni valley, we arrive at a parking lot. Here, there is a refuge for mountaineers and a seismic station. Continuing along a path, we arrive at the tongue of Zongo glacier.

This current position of Zongo glacier, which has retreated significantly even over the last few decades, is indicative of a new period of climate, called the Anthropocene: the epoch of pronounced human influence. The story is well known: the Industrial Revolution introduced greenhouse gas emissions into the climate system, provoking rising temperatures and a corresponding change in weather patterns. Chacaltaya’s south-facing glacier that may have once been a tributary of the ice field flowing to the Altiplano, would vanish. Its neighbor Charquini Sur, one of the glaciers I would visit every two weeks, loses mass from almost all of its surface most years.

These modern changes are reflective of changes in climate that are rapid and complex. But we have a reference with which to understand how they will proceed. In paleoclimate archives across the globe, we have a record, albeit an imperfect one, of a true-scale experiment in climate change. These archives range from moraines; ice cores like that recently drilled on Illimani, Bolivia’s highest peak, by the IceMemory project; tree rings; lake and ocean sediments; speleothems; and many others, each recording different components of Earth’s climate. The climate changes that occurred during the past, like those that caused glaciers to retreat above La Paz, might be indicative of what we should expect for the future.

The continued development of a network of paleoclimate records in the Andes will be imperative for this century, as we attempt to understand how climate will change and how we might adapt. These records allow us to constrain the behavior of climate mechanisms in the past. In turn, we can attempt to understand how these mechanisms will operate under changing climate in the future.

Entendiendo el cambio climático desde los glaciares andinos:

Perspectivas desde Ecuador y Bolivia

Por Jai Chowdhry Beeman y Jean Carlos Ruiz Hernández

A 5300 metros de altura sobre el nivel del mar, el pico denominado por los lugareños como Chacaltaya, se muestra tan pequeño comparado a sus gigantes hermanos cubiertos de glaciares,  el Huayna Potosí y el Illimani. El Chacaltaya es accesible en taxi a través de un camino de segundo orden que parte desde El Alto. El pequeño glaciar que existía era usado como una pista de ski hace mucho tiempo.

El Chacaltaya se convirtió en un símbolo local del cambio climático: Una montaña despojada de sus hielos por temperaturas elevándose a un ritmo no antes visto a medida que emitimos gases de efecto invernadero a la atmósfera.  Cambios similares están sucediendo a lo largo de los Andes.

Aquí, contamos dos historias, desde la perspectiva de investigadores formándose en comprender los glaciares y cómo cambian en respuesta al clima. La primera, desde Ecuador, es una mirada a por qué, y algo más importante, como estudiamos los glaciares y sus respuestas al cambio climático actual. Y la segunda, desde Bolivia, realiza un viaje desde el Altiplano, a los valles glaciares, y hacia el pasado.

 

 

Jean Carlos Ruiz Hernández, Ecuador

Me gustan los glaciares porque son como animales: se mueven, cambian, rugen y siempre están enfadados; así los describe Beer Grylls en la serie Man vs Wild. Esto explica por qué nos sentimos atraídos por estos colosos y por qué dedicamos  nuestras vidas a explorarlos y estudiarlos.

Desde muy jóvenes hemos recorrido los glaciares de nuestros países, en principio para conocerlos, y ahora para desarrollar nuestros trabajos de investigación. Unas de las preguntas más frecuentes que escuchamos es: hasta cuándo tendremos glaciares? Las  otras suelen ser de interés científico y socioeconómico sobre la disponibilidad de agua dulce para poblaciones que dependen parcialmente del agua proveniente de estos colosos.

Las respuestas a estas interrogantes no son tan simples. Un glaciar, para que se mantenga en el tiempo, necesita recibir a manera de precipitación al menos la misma cantidad de masa que pierde por la fusión. Cuando esto se desequilibra a favor de la fusión, empieza un retroceso  camino a la extinción del glaciar. La causa es evidente. El calentamiento global para los Andes de los trópicos internos ligeramente muestra un incremento en la temperatura y mayor variabilidad en las precipitaciones.

Los glaciares tropicales son muy sensibles a los cambios de temperatura. Estos cambios se pueden notar en cuestiones de horas al observar la formación de un pequeño arroyo en el frente glaciar en la mañana y al verlo desaparecer al comenzar la noche. También son testigos de fenómenos océano-atmosféricos  como los fenómenos ENSO. El Niño, por ejemplo, reduce la acumulación de nieve y se presenta con un aumento de temperatura que conlleva a mayores pérdidas de masa glaciar. Mientras que La Niña deja su huella sobre los glaciares con pérdidas bastante pequeñas y en ciertas ocasiones hasta con ligeros aumentos de masa del glaciar.

Nuestro representante, y más observado glaciar en Ecuador, es el Antisana. Un coloso que se eleva hasta los 5690 m asl ubicado a tan solo 40 km de Quito la capital de Ecuador con un casquete glaciar de alrededor de 17km2.  En el macizo del Antisana, se encuentra parte de una compleja red de captaciones de agua en las cuales parte del agua captada proviene de la fusión glaciar. Estas captaciones están conectadas a través de un sistema de conducción que lleva agua la ciudad de Quito que cuenta con alrededor de 2,5 millones de habitantes.

Quito, al contrario de ciudades de latitudes más altas, según los expertos, es una de las ciudades que menos sufrirá el retroceso glaciar  ya que el agua de origen glaciar solo contribuye entre el 5 y 10% al total requerido por la ciudad mientras que en ciudades como la Paz los glaciares pueden aportar hasta el 30% del agua consumible en época de sequía.

Pero cómo se obtienen estas conclusiones? La respuesta es: simplemente observando, dicho de forma más técnica midiendo. Y esto implica  desplazarnos a la montaña para ubicar nuestros instrumentos como, por ejemplo, nuestras estaciones meteorológicas y nuestras estaciones para medir el caudal de un río, entre otros. Gracias a los satélites de precipitaciones, coberturas de nieve, variaciones del relieve, etc. podemos obtener aún más información.. Diversas instituciones públicas y privadas, junto a la cooperación internacional, permiten que podamos continuar con este trabajo a diario.

El Antisana es un completo laboratorio tanto para glaciólogos, ecólogos, biólogos e hidrólogos. Aquí se han formado muchos estudiantes ecuatorianos y extranjeros a nivel de pregrado y postgrado. De aquí se obtendrán respuestas a futuras preguntas que de seguro vendrán a causa del cambio climático al que estamos expuestos. Está en nuestras manos generar la suficiente información para ser analizada y educar a las futuras generaciones de glaciólogos hasta que los glaciares desaparezcan.

Jai Chowdhry Beeman, United States

Los cambios del Antisana en Ecuador y la desaparición del glaciar del Chacaltaya en Bolivia son parte de una historia mucho más larga. La órbita de la Tierra más un clima cambiante a través de los glaciares han dejado sus huellas en las montañas.

Empecé a formar parte de este registro de cambios durante el año que trabajé como pasante en el Instituto de Hidráulica e Hidrología y el Instituto de Investigación para el desarrollo en La Paz. Por un par de días  cada dos semanas más o menos, viajé con otros técnicos y estudiantes tanto de Bolivia como del extranjero, hacia los glaciares de los macizos del Charquini y Huayna Potosí para descargar datos meteorológicos y medir masa glaciar. Usualmente, me sentía atraído a los lugares más alejados de esas montañas, los cuales frecuentaba los fines de semana.

Saliendo de El Alto, al borde del Altiplano, nos dirigimos hacia la Cordillera Real. Las estribaciones de la cordillera están cortadas por valles anchos en forma de U donde los arroyos conectan las altas montañas del Altiplano.

Los valles en forma de U durante la última glaciación estuvieron llenos de hielo.

Durante la glaciación, en respuesta a las bajas cantidades de radiación, se formaron grandes plataformas de hielo sobre gran parte de Norte América y Europa. Las  regiones con altas montañas fueron cubiertas con casquetes de hielo cerca de sus cumbres así como también enormes glaciares socavaron los valles que ahora rodean a los Alpes, el Himalaya y los Andes. Las elevaciones conocidas como morrenas terminales, formadas por escombros desplazados pendiente abajo por el hielo, definen las salidas de estos valles y marcan la extensión pasada de estos glaciares.

La carretera que sale del alto atraviesa una morrena terminal para ingresar al valle de Milluni en su camino a los macizos del Huayna Potosí y Charquini. Usando isótopos cosmogénicos, cuyas concentraciones varían lentamente en el tiempo, Smith et al. (2005, Science) datan estas morrenas con una edad de entre 34.000 y 23.000 años. Durante este periodo, enormes glaciares habrían alcanzado la meseta donde ahora se encuentra El Alto.

Un poco más de 23.000 años atrás, los glaciares comenzaron a retirarse. Y esta edad probablemente no es una coincidencia.   La órbita de la tierra constantemente sufre cambios. Hace unos 24.000 años, la tierra comenzó a recibir más radiación solar. A medida que las temperaturas subían, los grandes glaciares que se habían escurrido fuera de los Andes comenzaron a perder hielo. Los frentes glaciares se habrían derretido más rápidamente de lo que podían reponerse con el hielo que fluye desde las montañas.

Sin embargo, los cambios de insolación asociados con las glaciaciones y desglaciaciones son pequeños, ya que el sistema climático no responde rápidamente al cambio de insolación. Más bien, las retroalimentaciones en el sistema climático contribuyeron a acelerar el calentamiento durante miles de años. Estos son gases de efecto invernadero que reemiten radiación en forma de calor y causan pérdidas de masas de hielo en los casquetes polares, aumentando la radiación que el planeta Tierra puede retener. Entonces, ciertos mecanismos entre el océano y la atmósfera tales como el ENSO, por ejemplo, que determina las variaciones interanuales en el Antisana, transportan este calor a través del globo terrestre.

Estos mecanismos son aproximadamente los responsables del retroceso de los glaciares hacia alturas mayores. Jomelli et al (2014, Nature)  indican que tal vez otro avance ocurrió aquí alrededor de 14.500 años atrás durante el periodo conocido como como La Inversión del Frío Antártico. El avance glaciar en este periodo en los Andes coincidió, notablemente, con las temperaturas más bajas registradas en el Hemisferio Sur y una pausa en el aumento del CO2 liberado al fundirse los glaciares.

Avanzando hacia las montañas, una secuencia mucho más reciente de morrenas terminales, datadas por Rabatel et al. (2008 Quaternary Research) hacia los siglos 17 y 19, cruza los valles cada vez más angostos y empinados. Estas morrenas son testigos de un avance glacial mucho más reciente, conocido como la Pequeña Edad de Hielo.

Al final del camino que serpentea el valle Milluni, llegamos a un estacionamiento. Aquí, hay una estación sísmica y un refugio para montañeros. Continuando por un camino a pie, llegamos a la lengua del Glaciar Zongo.

Esta posición actual del glaciar Zongo, que ha retrocedido significativamente incluso en la últimas décadas, indica un nuevo periodo del clima, llamado el Antropoceno: la época en la cual existe una pronunciada influencia humana. La historia es bien conocida: la revolución industrial introdujo las emisiones de gases de efecto invernadero en el sistema climático, provocando un aumento de las temperaturas y el correspondiente cambio en los patrones climáticos. El Chacaltaya, un bajo glaciar orientado hacia el sur, que pudo haber sido un afluente al campo de hielo que fluye hacia el Altiplano, podría desaparecer. Su vecino el Charquini Sur, uno de los glaciares que visitaré cada dos semanas, pierde masa de casi toda su superficie la mayoría de los años.

Estos cambios actuales reflejan cambios en el clima que son rápidos y complejos. Pero tenemos una referencia con la cual entender cómo sucederán. En registros paleoclimáticos de morrenas; núcleos de hielo como el recientemente perforado en el Illimani, el pico más alto de Bolivia, por el proyecto IceMemory; anillos concéntricos de los árboles; sedimentos de lagos y océanos; espeleotemas; y en muchas otras cosas en todo el mundo, se encuentra un registro, aunque imperfecto, de un experimento a escala real de cambio climático. Los cambios climáticos que ocurrieron en el pasado, tales como los que causaron que los glaciares retrocedan desde La Paz , podrían ser indicativos de lo que deberíamos esperar para el futuro.

El continuo desarrollo de una red de registros paleoclimáticos en los Andes sería imprescindible para este siglo, mientras intentamos entender cómo el clima cambiará y cómo podríamos adaptarnos. Estos registros nos permiten comprender el comportamiento de los mecanismos climáticos en el pasado. A su vez, podemos tratar de comprender cómo estos mecanismos actuarán bajo el cambio climático futuro.

Spring/Summer 2018Volume XVII, Number 3

 

Jai Chowdhry Beeman is a Ph.D. candidate at the Université Grenoble Alpes, where his most recent work is on the last deglaciation as recorded in Antarctic ice cores. He worked as a publications intern for ReVista during his time as an undergraduate at Harvard. His time at ReVista took him to Bolivia and the glaciers of the high Andes.

Jean C. Ruiz Hernández is an Assistant Professor of Physics at the Transportation Management career of the Chimborazo Polytechnic School  in Riobamba-Ecuador. His research work focuses on the impacts of climate variability on partial glaciarized catchments and water management. He will begin a Ph.D. at the Université Pierre et Marie Curie this spring.

Jai Chowdhry Beeman es candidato a doctorado en la Université Grenoble Alpes, donde su mas reciente trabajo trata la ultima desglaciacion registrada en testigos de hielo antártico. Beeman fue pasante de ReVista durante su posgrado en Harvard. Su trabajo en ReVista lo llevo a Bolivia y a los glaciares de los Andes. 

Jean C. Ruiz Hernández es profesor de fisica de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo Riobamba-Ecuador. Su trabajo de investigación se enfoca en el impacto de la variabilidad climática en cuencas parcialmente glaciarizadas y en el manejo de aguas. Empezara su Ph.D. en la Université Pierre et Marie Curie esta primavera.

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