Arriba y lejos: uso de aviones para el monitoreo atmosférico Understand article

Traducido por Elisa López Schiaffino. Para medir la química de la atmósfera, se puede volar en aviones especialmente equipados con laboratorios de medición.

El objeto de las mediciones
Imagen cortesía de Tim
Harrison

Por encima de nosotros, los aviones cruzan los cielos –llenos de familias en vacaciones, paquetes a ser entregados y colegas rumbo a reuniones de negocios. Pero para algunos viajeros, el destino es el aire a su alrededor. Para los numerosos científicos interesados en el monitoreo climático, una gran parte de la investigación solo puede ser llevada a cabo en el aire.

La zona desde el suelo hasta la altura de alrededor de 10 km es una capa de aire llamada troposfera; más arriba está la capa siguiente, la estratosfera. En el límite entre la troposfera y la estratosfera, el aire deja de enfriarse a medida que se eleva y pierde humedad. En síntesis, en este espacio se crean las nubes y se forman las condiciones climáticas que percibimos. Mirar por la ventana de un avión puede proveer hermosas vistas por encima de las nubes, pero no nos dice nada acerca de las reacciones químicas que suceden o cómo estas reacciones pueden afectar la calidad del aire y el clima. Para eso, se necesita algo un poco más técnico.

Un laboratorio en el cielo

Investigadores y los
instrumentos a bordo

Imagen cortesía de Tim
Harrison

La Facility for Airborne Atmospheric Measurements (FAAM)w1 [Instalación para las mediciones atmosféricas aéreas], por ejemplo, es un laboratorio móvil ubicado en el avión BAe-146, comúnmente usado como pequeño avión de pasajeros. En la FAAM, hay pocos lujos y no hay azafatas ofreciendo bebidas y refrigerios. De hecho, solamente hay lugar para alrededor de 10 científicos por vuelo. El resto del espacio lo ocupan diferentes piezas de equipamiento. Cada estante con instrumentos ocupa el mismo espacio que dos asientos de pasajeros y todos los estantes deben ser estructuralmente seguros.

La FAAM, actualmente con base en la remota isla tropical de Guam, está participando de una campaña internacional de mediciones, llamada Co-ordinated Airbourne Studies in the Tropics, o CAST, que involucra a otros dos aviones. Este es el primer esfuerzo coordinado para monitorear la composición atmosférica en la región al sur de Guam desde el nivel del suelo, atravesando la troposfera e introduciéndose en la estratosfera, donde cada avión toma mediciones a altitudes diferentes. Los científicos esperan profundizar su conocimiento de la atmósfera tropical y de cómo ascienden los gases de la superficie a la estratosfera.

Guam está ubicada en el
Océano Pacífico Occidental

Imagen cortesía de
TUBS/Wikimedia Commons

Mientras la FAAM vuela sobre el Océano Pacífico Occidental, los equipos dentro del avión reciben muestras del aire externo. Estas muestras vienen de tomas de aire ubicadas en el fuselaje del avión y también en las alas. Cada parte del equipamiento mide cosas diferentes, o usa un método levemente diferente, pero juntos cuantifican el impacto de halocarbonos de vida muy corta, es decir muy reactivos, y cómo cambian la compleja química atmosférica que nos afecta a todos.

Estos compuestos, como por ejemplo CH3I, CH2Br2 y CH3Br, son liberados desde el océano y se elevan a la troposfera y la estratosfera, donde la luz los descompone, creando radicales halógenos reactivos.  Algunos de estos radicales reaccionan con el ozono, descomponiéndolo, mientras otros reaccionan con otros gases traza. La química atmosférica es muy compleja.

Mediciones de moléculas

La mayoría de nosotros estamos acostumbrados a ver instrumentos de monitoreo a lo largo de las rutas de nuestras ciudades. Estos equipos miden los gases que pasan, pero no brindan información sobre lo que pasa con los gases en dirección contraria al viento. Los satélites, en cambio, pueden ser usados para monitorear la atmósfera y brindar una amplia cobertura espacial, pero hacen lecturas de la totalidad de la columna de aire. Para obtener información a una cierta altitud, se necesita un modelo matemático complejo. Por ello es importante hacer mediciones de datos reales y verificar la concentración real de compuestos en una muestra para que los modelos matemáticos usados puedan ser probados y verificados.

Imagen superior: Los
instrumentos.

Imagen inferior: Uno de los
autores poniéndose al día
con los análisis

Imagen cortesía de Tim
Harrison

Arriba en el cielo, los investigadores de ciencia atmosférica en el FAAM usan CIMS (sigla en inglés para Chemical Ionization Mass Spectrometer), un espectrómetro de masa por ionización química que detecta compuestos halogenados y ácidos orgánicos que se cree que promueven la formación de aerosoles, lo que puede alterar la circulación de vapor de agua y la formación de nubes.

Se usa el CIMS porque es selectivo y sensible. En un espectrómetro de masa tradicional, las moléculas gaseosas de una muestra son ionizadas mediante un haz de iones. Los fragmentos cargados obtenidos (iones) son acelerados a través de un campo eléctrico y su camino es desviado por un campo magnético antes de ser detectado. La desviación resultante medida depende entre otros factores de la relación masa-carga de los fragmentos. En los métodos de ionización química (CI, Chemical Ionization), el espectrómetro de masa puede ser calibrado para detectar una molécula específica, o un grupo de moléculas, usando moléculas gaseosas específicas para crear las partículas cargadas. Esto produce un espectro más simple comparado con la espectrometría de masa tradicional. El instrumento CIMS es calibrado para cada vuelo usando mezclas de gases conocidos y estandarizados  para el compuesto de interés.

Debido a que la reactividad química de los compuestos puede cambiar con la temperatura y la presión, que a su vez cambian con la altura, el avión vuela entre 20 metros (sobre el mar) y 10 kilómetros de alto. Volar dentro y fuera de la misma zona pero a diferentes alturas en un vuelo de 5 horas significa que las mediciones del avión pueden brindar más información espacial que otras técnicas, como el envío de globos meteorológicos. Los resultados detallados de la expedición ayudarán a los científicos a perfeccionar sus modelos y comprender mejor lo que sucede en el cielo por encima de nosotros.

Un aterrizaje seguro

De vuelta en la pequeña isla de Guam, los científicos estiran sus piernas luego de su largo vuelo. Los datos son descargados de los instrumentos del avión, listos para ser analizados y comparados con las mediciones tomadas por los otros aviones involucrados en el proyecto CAST, y por los equipos en tierra firme y arriba en los satélites. Al mismo tiempo, el avión es reabastecido y el equipamiento es calibrado nuevamente –listo para otro día de mediciones el día siguiente. Aunque la mayoría de las comparaciones de los datos se llevarán a cabo en el Reino Unido, los datos también son utilizados inmediatamente por otros miembros de la comunidad de investigación atmosférica, como por ejemplo los servicios de informes meteorológicos. Los datos también pueden estar disponibles al público: en el Reino Unido, por ejemplo, gran parte de los datos producidos por la FAAM está disponible al público en el sitio web British Atmospheric Data Centre (BADC)w2.

Lentamente, estos vuelos ayudan a profundizar lo que sabemos del cielo por encima de nosotros. Y, como las actividades humanas siguen alterando la química de la atmósfera, los descubrimientos de los científicos en el cielo pueden contribuir a informar y asesorar a los gobiernos de todo el mundo, lo que a su vez afectará nuestras vidas.

Dos aviones de monitoreo
Imagen cortesía del grupo CAST de la Universidad de Cambridge, Reino Unido

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Web References

Resources

  • El grupo Manchester en Guam creó un blog para documentar su viaje.
  • El cambio climático y el calentamiento global son temas candentes y merecen un lugar importante en el plan de estudios de ciencia. Usted puede ayudar a sus estudiantes a hacer sus propias predicciones sobre el cambio climático usando este artículo sobre el uso de modelos del cambio climático:
  • Para comprender cómo se ha desarrollado nuestro conocimiento de la atmósfera desde el descubrimiento del agujero en la capa de ozono, consulte:
  • La página web educativa sobre los halocarbonos bromados y la capa de ozono es proporcionada por el Centro de Investigación del Clima para la Medición de la Radiación Atmosférica del Departamento de Energía de los Estados Unidos.

Author(s)

Kimberley Leather es asistente de investigación de posgrado en el Centro de Ciencia Atmosférica, Escuela de la Tierra, Ciencias Atmosféricas y Ambientales, Universidad de Manchester, Reino Unido.

Carl Percival es profesor de química atmosférica en el Centro de Ciencia Atmosférica, Escuela de la Tierra, Ciencias Atmosféricas y Ambientales, Universidad de Manchester, Reino Unido.

Tim Harrison es director de divulgación y ayudante de cátedra en Bristol ChemLabS, Universidad de Bristol, Reino Unido.

Laura Howes es coeditora de Science in School. Estudió química en la Universidad de Oxford, Reino Unido, y luego se unió a una sociedad académica en el Reino Unido para comenzar a trabajar en publicaciones y periodismo científicos. En el 2013, se mudó a Alemania y al Laboratorio Europeo de Biología Molecular para trabajar en Science in School.


Review

Cuando pensamos en un laboratorio de investigación, imaginamos una habitación espaciosa donde hay personas con guardapolvos que se mueven alrededor de instrumentos y mesas de trabajo.

No es el caso de los investigadores en este artículo. Los autores nos ayudan a entender una nueva manera de estudiar la atmósfera y sus fenómenos.

Aunque la ubicación es inusual, el objeto y la importancia de la investigación están descriptos claramente, con un lenguaje sencillo y detalles apropiados para los docentes y estudiantes de ciencia.

Recomiendo este artículo a los docentes de escuela secundaria y a los estudiantes interesados en ciencias ambientales y en los métodos de recolección de datos para los modelos climáticos en desarrollo.

Tras la publicación del Quinto Informe de Evaluación del Panel Internacional sobre el Cambio Climático, este artículo es un recurso original y valioso para abordar en el aula la problemática del clima.


Giulia Realdon, Italia



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