El telescopio nocturno de la atmósfera

Es un aprendizaje peculiar, un estudio que mira al cielo de una manera distinta. Lo hace en la oscuridad, y aun así obtiene enseñanzas para luchar contra el cambio climático. Los aerosoles son partículas sólidas o líquidas que se encuentran en suspensión en la atmósfera: la calima, el humo procedente de quemas de biomasa, material particulado, sulfatos originados por gases precursores emitidos por la industria, cenizas inyectadas a altas capas de la atmósfera durante erupciones volcánicas, incluso el polen de las plantas. Distintos protagonistas de dos escenarios diferentes: la calidad del aire y el balance energético de la Tierra, asociado al calentamiento global. 

En el primer escenario los aerosoles se encuentran en el aire que respiramos, por lo que tienen un impacto directo sobre la salud, principalmente en el sistema respiratorio, y según el tamaño de estas partículas y su química serán más perjudiciales. En el segundo estas partículas son un componente de la atmósfera muy importante, ya que contribuyen tanto al calentamiento como al enfriamiento de la Tierra, y además con una alta incertidumbre asociada. A estos dos efectos se suma un tercero al actuar como núcleos de condensación para la formación de nubes, pudiendo modificar las propiedades físicas y químicas de éstas, por ejemplo, transformando el tamaño de las gotas de agua y, por tanto, reduciendo, la precipitación, lo cual tiene un fuerte impacto en el ciclo hidrológico. 

Varios caminos con un mismo denominador. Para buscar la mejor manera de investigarlo aparece el grupo de Óptica Atmosférica de la Universidad de Valladolid (UVA) , que intenta medir y cuantificar distintas propiedades de los aerosoles presentes en las zonas polares. Para ello han instalado dos nuevos fotómetros en el Ártico y la Antártida que además de medir la radiación solar, como novedad son capaces de medir la radiación proveniente de la luna, lo cual es esencial en las zonas polares donde la mitad del año no hay sol. Cabe destacar que estos fotómetros se encuentran dentro de una red internacional llamada AERONET, la cual lidera la NASA y de la que este equipo participa como uno de los tres centros de calibración que existen en el mundo. 

De igual forma, en los fotómetros se han instalado dos cámaras de cielo, y se espera llevar a final de año otra cámara a la estación antártica Juan Carlos I. «Estas cámaras de cielo son útiles para observar y cuantificar la cubierta nubosa, pero configuradas de una manera concreta también podemos observar algunos efectos indirectos del aerosol como es la radiación dispersada a las distintas direcciones del cielo», explican los investigadores Victoria Cachorro y Roberto Román. 

En este proyecto intentan obtener un nuevo método para calcular el espesor óptico de aerosoles a partir de las medidas de la intensidad de la luz de la luna, que es muy diferente que la del sol, puesto que no solo su intensidad es varios órdenes de magnitud menor, sino que además varía con la fase lunar, la distancia Tierra-Luna y Luna-Sol y otros factores. A su vez están aplicando distintas combinaciones de medidas para obtener, a través de diferentes algoritmos matemáticos, propiedades complejas de los aerosoles como su absorción o su distribución vertical en la atmósfera, pudiendo cuantificar y clasificar los tipos de aerosoles y sus propiedades más interesantes. 

Pasos que buscan poner a punto y validar estas nuevas técnicas de medida a la luna, que complementan las del sol y que, junto a las medidas de otros instrumentos como las cámaras de cielo, lidar, etcétera, van a generar nuevos datos sobre las características de los aerosoles en estas zonas polares, donde hasta el momento no existen. 

« El poder detectar y cuantificar las propiedades de los aerosoles durante los casi seis meses de noche polar es muy importante porque nos va a ayudar a comprender mejor el tipo de partículas y su impacto en estas áreas », señalan para, más tarde, añadir que se podrá conocer mejor los mecanismos de transporte de las partículas que llegan a las zonas polares y los procesos y mecanismos de cambio que se producen en ese largo tiempo. Además, los datos son necesarios para alimentar modelos climáticos en estas áreas, tanto de predicción como de evaluación de escenarios, cuyos resultados pueden ayudar a anticipar emergencias y a la toma de decisiones. Como se sabe las zonas polares son las más sensibles al cambio climático.

Cachorro y Román apuntan que las partículas en la columna atmosférica se miden con la llamada fotometría solar. En lugar de recoger una muestra y analizarla, como sucede en los estudios de calidad del aire, en esta técnica lo que se hace es medir el resultado de la interacción entre las partículas y la luz y analizar cómo modifican a esta, y midiendo esa luz modificada inferir las propiedades de los aerosoles. 

Cuando se utilizan fuentes naturales como el sol, apuntan los investigadores vallisoletanos, se habla de técnicas de detección pasiva, pero también se puede usar una fuente de luz artificial, por ejemplo, un láser, emitir radiación y medir la parte de radiación que es retrodispersada hacia el detector, como sucede en el caso de los lidar. 

Sin embargo, esto no se puede realizar por la noche, ya que los puntos de cielo no tienen luz, es ínfima y no medible. Para intentar obtener más información usarla en los algoritmos de inversión, manifiestan que se están utilizando las cámaras de cielo para recoger la radiación lunar que es dispersada por los aerosoles cerca de la aureola lunar, lo que aporta una información extra muy importante para conocer ciertas propiedades. 

En su opinión, el método desarrollado para obtener el espesor óptico de aerosoles midiendo la radiación lunar es innovador porque permite por primera vez obtener con bastante precisión esta magnitud. «La corrección desarrollada se aplica sobre el modelo de radiación lunar, lo que hace que se pueda transferir la calibración diurna del fotómetro a la nocturna, lo que también permite que el método sea mucho más operacional». De hecho, celebran que, por ejemplo, podría aplicarse a todos los fotómetros de la red mundial de AERONET de manera automática. 

La idea de combinar las medidas de distintos instrumentos como cámaras de cielo con fotómetros o lidar para obtener productos y propiedades de aerosoles más complejas es también muy puntera, ya que, tal y como declaran, aprovecha la sinergia entre instrumentos que en principio han sido diseñados con un fin específico para poder obtener un resultado más complejo y avanzado.

La idea de trabajar en las zonas polares viene de lejos. Este grupo de la UVA lleva más de dos décadas desarrollando investigación en una zona muy concreta del Ártico. «El desarrollo de los nuevos fotómetros lunares fue lo que nos animó a utilizar este tipo de instrumentos para poder medir de noche lo que ya estábamos midiendo de día, y a su vez extenderlo a más zonas, al poder disponer de una técnica de más potencialidad y poder generar más datos». Sin embargo, en el desarrollo y puesta a punto de la técnica de medida se encontraron con que los resultados no encajaban con lo esperado, y surgió la idea de corregir el modelo de radiación lunar. 

En cuanto a la iniciativa de combinar las medidas de diferentes instrumentos nació, relatan Cachorro y Román, por la necesidad de obtener propiedades de aerosoles que no disponían. Esto sumado a la aparición de un nuevo algoritmo llamado GRASP , cuya versatilidad permite por primera vez la combinación de distintos tipos de medidas para inferir propiedades más complejas de los aerosoles, llevó a intentar combinar en GRASP la información de la radiación en la aureola lunar recogida por la noche con una cámara de cielo en conjunto con los valores de espesor óptico de aerosoles obtenido con el fotómetro lunar y la corrección. Todo ello se lleva a cabo en colaboración directa con diferentes grupos de investigación punteros en esta materia. 

Avanzan que su principal plan es poder dar continuidad a las series de medidas que están desarrollando en las zonas polares, ya que esas medidas tienen un valor incalculable y sus datos podrán ser utilizados para distintos estudios. Además, seguirán tratando de explotar los datos generados tanto para calcular propiedades de los aerosoles como para realizar análisis estadísticos y de tendencias de estas propiedades.