Las medidas en la estratosfera

Cuando hablamos de las concentraciones de los compuestos químicos en la estratosfera, puede surgir la pregunta, ¿Cómo conocemos estos compuestos y la forma en que aparecen? La estratosfera comienza a 8-15 km de altitud y las regiones interesantes están más arriba de lo que vuelan normalmente los aviones.

Hay dos posibilidades para medir los compuestos en la estratosfera.

  1. Los instrumentos pueden llevarse a la estratosfera con naves aéreas o globos aerostáticos.
  2. La interacción de la luz con las moléculas en el aire puede usarse para estudiar la estratosfera desde el suelo o desde el espacio (satélites).

Aviones

Se han tomado medidas extraordinarias con aviones especiales, como el que en su día fue utilizado como avión de espionaje a gran altura por los rusos, el cual actualmente se llama "Geophysica". Se ha convertido en un laboratorio aéreo. Estos aviones alcanzan altitudes de alrededor de 20 km, pero los vuelos son muy caros.

Geophysica - high altitude research plane

1. Geophysica - Avión de investigación a gran altitud
fuente: MDB Design Bureau

Globos

La alternativa más común son las medida con globos aerostáticos. Los globos climáticos pueden alcanzar 30-35 km antes de explotar y pueden llevar por ejemplo un pequeño sensor de ozono. En el sensor tiene lugar una reacción química que revela cuanto ozono hay en el aire. La información se envía a través de una señal de radio a la Tierra. Aunque actualmente el ozono se mide por satélites, los globos siguen siendo una mejor opción para los perfiles verticales.

Ozone balloon start

2. a) Despegue de un globo de ozono en el Observatorio de Hohenpeissenberg
cortesía de Ulf Köhler

Ozone probe

2. b) Sensor de ozono para las medidas con globo
cortesía de Ulf Köhler, DWD Hohenpeissenberg

Interacción con la luz

El fenómeno de interacción de la luz y las moléculas es difícil de entender y requeriría algunos conocimientos en física cuántica si intentáramos realmente explicarlo. No obstante, tenemos que tener en cuenta que algo pasa si la luz y la materia  interactúan. La luz puede ser absorbida, reflejada, dispersada o absorbida y reflejada como otro tipo de luz (en otro régimen de longitud de onda).

La radiación solar directa es bloqueada por las nubes; si buceamos en las profundidades del mar, éste se vuelve cada vez más oscuro porque cada vez más luz se pierde; y también las tormentas de arena en el desierto hacen al sol más débil. No sólo las partículas grandes y las nubes y el agua absorben o reflejan radiación, también las moléculas más pequeñas lo hacen. Ellas pueden dispersar la radiación de vuelta a la Tierra o cambiar su estado y emitir una radiación menos energética de otra longitud de onda.  Nosotros conocemos este fenómeno ( fluorescencia o fosforescencia) de algunos muñecos que toman la luz del día o de la habitación, y en la oscuridad emiten una luz distinta. El tipo de luz  revela algo sobre el carácter de los compuestos. La intensidad de la luz revela su concentración.

phosphorescence

3. La fosforescencia tiene lugar si una radiación es absorbida y reemitida de nuevo a otra longitud de onda.
fuente: composición de web-advertisements

Las interacciones de la luz con las moléculas en la estratosfera pueden observarse desde el suelo o medirse desde el espacio en satélites.

Lidar

Lidar (light detection and ranging) es una técnica que puede usarse desde el suelo. Una pulsación de láser corta de una luz muy intensa se envía al cielo. Después de un tiempo la radiación dispersada o reemitida vuelve y se mide.

LIDAR

4. Medidas LIDAR
Fuente de la imagen: University of Western Ontario

Obtenemos información de los compuestos que buscamos ( longitud de onda de la radiación que vuelve) y en qué concentración se encuentran (intensidad de la luz que vuelve). ¿ Pero desde qué altitud vuelve la luz? ¿ Desde 10 km?¿30 km? La luz tiene una velocidad concreta; cuanto más tarda después de la pulsación de láser, más altas están las moléculas desde donde la luz vuelve.

La animación muestra una pulsación de láser (azul claro) cuya luz es dispersada en alturas diferentes por las moléculas de aire y llega al detector en tiempos distintos.

5. ¿ Cómo trabaja un LIDAR?
Imagen: Anja Kaiser © ESPERE

RADAR y  SODAR

Se usan  distintas variantes de técnicas de detección y clasificación de ondas, por ejemplo con luz infrarroja. El más conocido es el RADAR (Radio Detection and Ranging), que se usa para medir partículas en el aire y las propiedades de las nubes. El RADAR permite detectar tormentas de truenos a varios cientos de kilómetros. Si se usa el sonido en lugar de la luz SODAR  (Sound Detection and Ranging) tendremos una potente herramienta para medir la velocidad y la dirección del viento.

SODAR - wind speed measurements

6. SODAR - medidas de la velocidad del viento
Fuente de la imagen: Meteotest

Satélites

Los satélites están observando nuestro planeta desde el espacio. Algunos de ellos permanecen siempre sobre la misma parte de la Tierra (satélites geoestacionarios), algunos están moviéndose a una altitud de 500-1000km y rodean la Tierra en 1,5 o 2 horas. En algunos satélites hay espectrómetros instalados, es decir, instrumentos que detectan la radiación. La radiación ha viajado a través de la atmósfera y ha interaccionado con las moléculas. Hay distintos tipos de sistemas de medida posibles para investigar la atmósfera.

El satélite puede medir radiación solar que es dispersada hacia el espacio por las nubes y las moléculas del aire (1). El espectrómetro infrarrojo puede también medir la radiación de onda larga que viene directamente de la Tierra (2). Para ciertas posiciones del sol, la Tierra y el satélite, los rayos de sol pasan tangentes a la Tierra y van directamente a través de la atmósfera al detector del satélite (3). Dependiendo del ángulo, la luz pasa a través de diferentes partes de la atmósfera y se puede obtener información relacionada con la altitud

Satellite measurement

7. Diferentes técnicas de medida por satélite
esquema por Elmar Uherek

Sobre esta página:
autor: Dr. Elmar Uherek - MPI Mainz
supervisor científico: Dr. John Crowley, MPI for Chemistry, Mainz - 04-05-2004
correción pedagógica: Michael Seesing - Uni Duisburg - 02-07-2003
última publicación: 08-10-2008

Last modified: Wednesday, 24 June 2020, 12:34 AM