Anales AFA Vol. 35 Nro. 2 (Junio 2024 - Septiembre 2024) 25-27
SEPARACIÓN DE PARTÍCULAS INCLUIDAS EN HIELOS NATURALES POR
SUBLIMACIÓN ADAPTADA
SEPARATION OF PARTICLES INCLUDED IN NATURAL ICE BY ADAPTED
SUBLIMATION
L. E. Arena *1
1Facultad de Matemática, Astronomía, Física y Computación. Universidad Nacional de Córdoba, Argentina (FAMAF-UNC)
Observatorio Hidrometeorológico Córdoba, Córdoba, Argentina
Recibido: 05/10/23 ; Aceptado: 05/11/23
Las partículas no solubles atrapadas en los hielos naturales (glaciares, permafrost, granizos, etc.) dan información
valiosa sobre los ambientes en los que se formaron. La extracción de las partículas habitualmente se realiza a través de
la fusión del hielo y el filtrado posterior del agua obtenida. Aquí se presenta una metodología novedosa de extracción
de partículas del hielo desde la fase sólida, que resulta eficiente, de bajo costo en infraestructura y que minimiza las
posibles fuentes de contaminación. Esta metodología de separación de partículas por sublimación adaptada, permite
determinar la distribución espacial y la concentración de partículas, así como sus tamaños (sin las limitaciones de las
filtraciones), la forma, estructura y composición química elemental de las mismas. El método se aplica a un granizo
recolectado durante el programa COSECHEROS, el cual tiene en su centro una partícula de tamaño mediano de 40 µm.
Palabras Clave: granizo, permafrost, hielo glaciar, sublimación, microscopía SEM y CLSM, programa COSECHEROS
Non-soluble particlestrapped in natural ice (glaciers, permafrost, hail) provide valuable information about the envi-
ronments in which they were formed. The extraction of the particles is usually carried out through the melting of ice
and subsequent filtering of the water obtained. Here, a novel methodology for extracting ice particles from the solid
phase is presented, which is efficient, lowcost in infrastructure, and minimizes possible sources of contamination. This
methodology of adapted sublimation particle separation allows to determine the spatial distribution and concentration
of non-soluble particles, as well as their sizes (without the limitations of filtration), their shape, structure and elemental
chemical composition. The method is in this case applied to hail collected during the program COSECHEROS, which
has a medium-sized particle of 40 µm at its center.
Keywords: hail, permafrost, glacial ice, sublimation, SEM and CLSM microscopy, COSECHEROS program
https://doi.org/10.31527/analesafa.2024.35.2.25 ISSN - 1850-1168 (online)
* lucia.arena@unc.edu.ar
©2024 Anales AFA
I. INTRODUCCIÓN
Las partículas de hielos naturales (glaciares, permafrost, granizos, etc.) dan información valiosa de los ambientes en los
que estos se formaron. En los testigos antárticos, cada sección tiene partículas que estuvieron en el ambiente y burbujas
de aire correspondientes al período de tiempo asociado a la sección del testigo estudiado. Esta información es sumamente
importante para reconstrucciones paleoclimáticas [1-4]. También las partículas no solubles que forman parte del perma-
frost informan sobre la materia orgánica que lo conforman [5]. Por otro lado, las partículas atmosféricas desempeñan un
papel crucial en la microfísica de nubes [6]. Los granizos, pensados a priori como un conglomerado de gotas de agua, cris-
tales de nieve y burbujas, son reservorios del ambiente en que se formaron: los contaminantes detectados en los granizos
aportan datos de los vientos y de los suelos que éstos barrieron en su camino a la nube [7-11].
La extracción de las partículas no solubles, de las muestras glaciarias o de los granizos, habitualmente se realiza a
través de la fusión del hielo y el filtrado posterior del agua obtenida, lo que requiere “sala limpia” de trabajo y la limpieza
externa de hielo glacial y la filtración de partículas desde la fase líquida [12]. A continuación se presenta una metodología
novedosa de extracción de partículas no solubles del hielo desde la fase sólida, que resulta eficiente, de bajo costo en
infraestructura y que minimiza las posibles fuentes de contaminación.
II. METODOLOGÍA DE EXTRACCIÓN DE PARTÍCULAS POR SUBLIMACIÓN ADAPTADA
El hielo se sublima fácilmente a temperaturas menores y cercanas a 0◦C. Por lo tanto, las partículas no solubles que
contenga una muestra de hielo, pueden separarse por sublimación. Simplemente se coloca una lámina delgada de la mues-
tra sobre un sustrato (un vidrio) y se espera a que el hielo sublime en una ambiente seco (por ejemplo un desecador con
silicagel). Las partículas quedan depositadas en el sustrato. Como la muestra siempre está en estado sólido, la probabilidad
de contaminación por contacto, con los instrumentos de trabajo y los dispositivos que la contienen, se reduce fuertemente
en comparación con el caso en que se realiza la separación de las partículas desde la fase líquida: para la sustancia agua la
difusión en fase líquida es varios órdenes de magnitud mayor que en el sólido; como ejemplo, la autodifusión a 0◦C del
agua líquida es del 4x10−9m2/s [13] y del hielo 4x10−15 m2/s [14].
La metodología de separación de partículas por sublimación fue adaptada para minimizar las fuentes de contaminación
durante y después de la sublimación y para preservar las partículas. En este caso, la lámina de hielo se recubre con una
capa muy fina de un plástico poroso que, si bien ralentiza el proceso de sublimación, protege las partículas atrapadas para
que no sean arrastradas ni contaminadas mientras se manipula la muestra. Este procedimiento es esencial cuando una
muestra debe ser sometida a microscopías como la electrónica de barrido que requiere la realización de vacío tanto en
la etapa de metalizado como para la propia de barrido electrónico. Se ha comprobado, que un recubrimiento plástico de
polivinil formal disuelto en 1-2 dicloroetano (Formvar) en una dilución baja (1%-3%) es adecuado [15].
III. APLICACIÓN DEL MÉTODO EN UN GRANIZO GIGANTE
El granizo, J1LO, de la tormenta del 8 de febrero de 2018 [16-18], fue recolectado por Jorgelina, en el marco del
programa de Ciencia ciudadana COSECHEROS [19,20] en Villa Carlos Paz, Córdoba, Argentina y conservado a -14◦C
en el laboratorio de Física de la Atmósfera Laura Levi-FAMAF-UNC.
El granizo J1LO, fue mecanizado en las cámaras bajo cero del mismo laboratorio. Primero, es cortado por el plano
ecuatorial, unos milímetros por encima de la zona identificada en la que se encuentra el embrión del mismo (ver Fig. 1) A
partir de una de las mitades del granizo, se obtiene una lámina muy delgada (1 mm de espesor) que coloca sobre un vidrio
y se deja sublimar en ambiente seco de silicagel [15]. En este caso no se realizó el recubrimiento plástico recomendado
para estudios de microscopía que requieran técnicas de vacío. La lámina delgada de hielo fue expuesta a la sublimación
durante 4 días. Luego, el sustrato con el depósito de partículas fue observado en el microscopio confocal del laboratorio
de microscopía LAMARX. En la Fig. 2, se muestra una partícula que se encontró en el centro del depósito de partículas
del granizo J1LO, tiene un tamaño medio de 40 µm y planos de clivaje que hace pensar en un silicato. En general, en
los granizos de las campañas COSECHEROS, se encontraron partículas con tamaños que van desde el límite inferior de
detección del microscopio hasta unos 150 µm.
IV. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES
El método de separación de partículas por sublimación adaptada permite identificar las partículas no solubles de pe-
queños volúmenes de muestras sólidas respetando la distribución superficial de las partículas y estimar el número de
partículas por unidad de volumen. El límite del tamaño de las partículas, está en los instrumentos de detección micros-
cópica, ya que no requiere la intervención de filtros. Además, al observar cada partícula aislada, se puede determinar la
forma, estructura y composición química elemental de las mismas. Finalmente, el método desarrollado, es poco sensible
a fuentes de contaminación de agentes externos ya que se trabaja siempre en la fase sólida del agua.
Se espera que esta metodología favorezca estudios de muestras naturales, hielos glaciares, permafrost y granizos, en los
que las partículas juegan un papel fundamental. Claramente, la separación y preservación de partículas por sublimación
adaptada puede ser utilizada para otros sólidos que sublimen en el rango de temperaturas adecuado.
Arena / Anales AFA Vol. 35 Nro. 2 (Junio 2024 - Septiembre 2024) 25-27
FIG. 1: Granizo J1LO gigante, de 8.5 cm longitud máxima, Identificación del plano ecuatorial. Sistema de corte con sierra. Las dos
mitades del granizo J1LO seccionado. Abajo, una de las mitades iluminada desde atrás con luz blanca.
FIG. 2: Micropartículas encontradas en el embrión del granizo J1LO. A la derecha se observa en detalle la partícula central marcada
en la microfotografía de la izquierda.
V. Agradecimientos
Al Lic. Sebastián García, Mg. Anthony Crespo Ayala y a la Dra. Matilde Velia Solís por sus aportes y discusiones. A
la SECYT-UNC por el financiamiento. A Maite Grando por su colaboración en la clasificación de granizos 2018
REFERENCIAS
[1] A. Royer, M. De Angelis y J. R. Petit. A 30000 year record of physical and optical properties of microparticles from an East
Antarctic ice core and implications for paleoclimate reconstruction models. Climatic Change 5, 381-412 (1983).
[2] K. Kawamura, A. Abe-Ouchi, H. Motoyama, Y. Ageta, S. Aoki, N. Azuma, Y. Fujii, K. Fujita, S. Fujita, K. Fukui, T. Furukawa,
A. Furusaki, K. Goto-Azuma, R. Greve, M. Hirabayashi, T. Hondoh, A. Hori, S. Horikawa, K. Horiuchi, M. Igarashi, Y. Iizuka, T.
Kameda, H. Kanda, M. Kohno, T. Kuramoto, Y. Matsushi, M. Miyahara, T. Miyake, A. Miyamoto, Y. Nagashima, Y. Nakayama,
T. Nakazawa, F. Nakazawa, F. Nishio, I. Obinata, R. Ohgaito, A. Oka, J. Okuno, J. Okuyama, I. Oyabu, F. Parrenin, F. Pattyn, F.
Saito, T. Saito, T. Saito, T. Sakurai, K. Sasa, H. Seddik, Y. Shibata, K. Shinbori, K. Suzuki, T. Suzuki, A. Takahashi, K. Takahashi,
S. Takahashi, M. Takata, Y. Tanaka, R. Uemura, G. Watanabe, O. Watanabe, T. Yamasaki, K. Yokoyama, M. Yoshimori y T.
Yoshimoto. State dependence of climatic instability over the past 720, 000 years from Antarctic ice cores and climate modeling.
Science Advances 3(2017).
[3] J. Cole-Dai, E. Mosley-Thompson, S. P. Wight y L. G. Thompson. A 4100-year record of explosive volcanism from an East
Antarctica ice core. Journal of Geophysical Research: Atmospheres 105, 24431-24441 (2000).
[4] L. H. Hartman, A. V. Kurbatov, D. A. Winski, A. M. Cruz-Uribe, S. M. Davies, N. W. Dunbar, N. A. Iverson, M. Aydin, J. M.
Fegyveresi, D. G. Ferris, T. J. Fudge, E. C. Osterberg, G. M. Hargreaves y M. G. Yates. Volcanic glass properties from 1459
C.E. volcanic event in South Pole ice core dismiss Kuwae caldera as a potential source. Scientific Reports 9, 14437 (2019).
Arena / Anales AFA Vol. 35 Nro. 2 (Junio 2024 - Septiembre 2024) 25-27
[5] D. Trombotto Liaudat, P. Wainstein y L. U. Arenson. Terminological Guide of the South American Geocryology (Vázquez
Mazzini Editores, Buenos Aires., 2014).
[6] H. R. Pruppacher, J. D. Klett, H. Pruppacher y J. Klett. Microstructure of atmospheric clouds and precipitation. Microphysics of
clouds and precipitation, 10-73 (2010).
[7] T. Šantl-Temkiv, K. Finster, T. Dittmar, B. M. Hansen, R. Thyrhaug, N. W. Nielsen y U. G. Karlson. Hailstones: A Window into
the Microbial and Chemical Inventory of a Storm Cloud. PLoS ONE 8(ed. Bertilsson, S.) e53550 (2013).
[8] X. Li, Q. Zhang, T. Zhu, Z. Li, J. Lin y T. Zou. Water-soluble ions in hailstones in northern and southwestern China. Science
Bulletin 63, 1177-1179 (2018).
[9] A. Beal, L. D. Martins, J. A. Martins, A. P. Rudke, D. S. de Almeida, L. M. Costa y C. R. Tarley. Evaluation of the chemical
composition of hailstones from triple border Paraná, Santa Catarina (Brazil) and Argentina. Atmospheric Pollution Research 12,
184-192 (2021).
[10] M. Kozjek, D. Vengust, T. Radoševi´
c, G. Žitko, S. Koren, N. Toplak, I. Jerman, M. Butala, M. Podlogar y M. K. Viršek.
Dissecting giant hailstones: A glimpse into the troposphere with its diverse bacterial communities and fibrous microplastics.
Science of The Total Environment 856, 158786 (2023).
[11] A. B. Michaud, J. E. Dore, D. Leslie, W. B. Lyons, D. C. Sands y J. C. Priscu. Biological ice nucleation initiates hailstone
formation. Journal of Geophysical Research: Atmospheres 119 (2014).
[12] B. C. Christner, J. A. Mikucki, C. M. Foreman, J. Denson y J. C. Priscu. Glacial ice cores: A model system for developing
extraterrestrial decontamination protocols. Icarus 174, 572-584 (2005).
[13] H. R. Pruppacher. Self-Diffusion Coefficient of Supercooled Water. The Journal of Chemical Physics 56, 101-107 (1972).
[14] V. F. Petrenko y R. W. Whitworth. Physics of ice (Oxford University, 1999).
[15] L. E. Arena. Identificación de partículas incluidas en hielos naturales (glaciares, permafrost, granizo) por sublimación adaptada.
Repositorio digital UNC, Universidad Nacional de Córdoba (2023).
[16] L. E. Arena. Granizos gigantes de Córdoba-Argentina I. El Coloso Victoria. Repositorio digital UNC, Universidad Nacional de
Córdoba (2020).
[17] M. R. Kumjian, R. Gutierrez, J. S. Soderholm, S. W. Nesbitt, P. Maldonado, L. M. Luna, J. Marquis, K. A. Bowley, M. A. Imaz
y P. Salio. Gargantuan Hail in Argentina. Bulletin of the American Meteorological Society 101, E1241-E1258 (2020).
[18] A. C. Bernal Ayala, A. K. Rowe, L. E. Arena y A. R. Desai. Evaluation of Satellite-Derived Signatures for Three Verified
Hailstorms in Central Argentina. Meteorology 1, 183-210 (2022).
[19] L. E. Arena. Recopilación de estudios primarios de caracterización cristalográfica de granizos y de las tormentas que los originan.
Repositorio digital UNC, Universidad Nacional de Córdoba (2019).
[20] Programa COSECHEROS DE GRANIZOS CÓRDOBA https://www.youtube.com/watch?v=ywI0IZfRUvc yhttps://www.
argentina.gob.ar/ciencia/sact/ciencia-ciudadana/cosecheros-de-granizo-cordoba.
Arena / Anales AFA Vol. 35 Nro. 2 (Junio 2024 - Septiembre 2024) 25-27
