Estudiando la Atmósfera de la Tierra con el Observatorio Andes Lidar

No todas las instalaciones de NOIRLab exploran el espacio. Algunas estudian nuestra propia Tierra, específicamente su atmósfera superior y su interacción con el viento solar en la frontera del espacio.

El Observatorio Andes Lidar (ALO por sus siglas en inglés) financiado por la Fundación Nacional de Ciencias está situado a 2.737 metros sobre el nivel del mar en la cima de Cerro Pachón en Chile, donde también se encuentra el hogar del Observatorio Gemini Sur de NOIRLab, el telescopio de Investigación Astrofísica del Sur (SOAR) y el próximo Observatorio Vera C. Rubin. Se trata de un sitio ideal para estudiar la atmósfera, ya que cada año tiene un promedio de más de 300 noches despejadas y extremadamente oscuras.

Como lo sugiere su nombre, el instrumento principal de ALO es un LIDAR de resonancia de sodio que lanza un láser al cielo, causando la fluorescencia de los átomos de sodio a altitudes de 80 a 100 kilómetros para que los científicos en la superficie puedan comprender mejor lo que sucede a esas altitudes, en las capas atmosféricas que los científicos denominan como la mesosfera y la termosfera inferior. LIDAR es el acrónimo en inglés para Light Detection and Ranging, es decir, detector de luz y distancia.

Uno de los roles principales del Observatorio Andes Lidar es caracterizar las ondas de gravedad

Credit: Observatorio Andes Lidar

“Es importante conocer los procesos de la atmósfera superior para lograr mejores modelos de predicción y más precisos para las predicciones del clima del planeta y el clima espacial”, señala Fabio Vargas, científico de investigación que estudia geofísica, aeronomía (el estudio de las capas superiores de la atmósfera) y detección remota, en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. La clave de esto es comprender los variados procesos —químicos, dinámicos y físicos— que se desarrollan en las diferentes regiones de la atmósfera, y cómo dichas regiones interactúan mutuamente y con el ambiente espacial que está sobre ellas.

Fabio Vargas is a research scientist, currently studying the Earth’s atmosphere.

Credit: Fabio Vargas

¿Sabías que, además de su instrumento principal, el Observatorio Andes Lidar alberga un conjunto de otros instrumentos que incluyen un generador de imágenes infrarrojas, un mapeador de temperatura de la mesosfera, un radar de meteoros y un generador de imágenes all-sky?

El sodio en la mesosfera tiene una historia interesante: Descubierto en 1929, el sodio en realidad tiene origen extraterrestre, debido a la vaporización de los meteoritos que se queman al ingresar a la atmósfera. El sodio existe como una capa que tiene sólo unos 10 kilómetros de grosor como promedio y puede variar en altitud. Su densidad también puede variar con las estaciones, llegando a unos 5.000 átomos de sodio neutrales por centímetro cúbico. La LIDAR de ALO no es el único láser apuntando a la capa de sodio —los láseres de varios sistemas de óptica adaptativa de los observatorios, incluyendo los de Gemini, crean estrellas artificiales al energizar los átomos de sodio en esta capa. Esto, a su vez, causa que se energicen y brillen para formar una estrella artificial en cualquier lugar del cielo que sirve como referencia para hacer correcciones de óptica adaptativa.

Es importante conocer los procesos de la atmósfera superior para lograr mejores modelos de predicción y más precisos para las predicciones del clima del planeta y el clima espacial

Dado que las características de la capa de sodio pueden cambiar por las condiciones de cada estación, podría actuar como una aproximación al comportamiento del resto de la atmósfera a dicha altitud. Sin embargo, ALO no sólo estudia la capa de sodio.

El brillo de aire (airglow), que se puede ver alrededor del borde de esta imagen con efecto ojo de pez, es una luz tenue que emite la atmósfera terrestre y que a menudo tiene un extraño color verde y rojizo brillante en el cielo nocturno.

Credit: CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/B. Tafreshi

Por ejemplo, existe el brillo de aire que también se conoce como airglow, que es una luz tenue emitida por la atmósfera terrestre que a menudo tiene un extraño color verde y rojizo brillante en el cielo nocturno. Esto se produce principalmente como consecuencia de la luz ultravioleta que se separa de las moléculas de oxígeno en la atmósfera durante el día, creando una población de átomos libres de oxígeno que experimentan una variedad de reacciones químicas al caer la noche, liberando energía química que se manifiesta como brillo de aire o airglow.

“Las cámaras All-sky CCD proporcionan imágenes del cielo nocturno donde podemos observar ondas que perturban el resplandor del airglow”, comenta Vargas.

Las ondas que las cámaras de ALO observan, afectan el resplandor del brillo de aire sobre Cerro Pachón y pueden tener más de una forma: podrían ser ondas de Rossby (ondas planetarias) generadas por vientos de gran altitud o una especie de onda de gravedad (no confundirla con las ondas gravitacionales de la colisión de agujeros negros y estrellas de neutrones). Las ondas de gravedad son causadas por masas de aire en movimiento que dejan a la atmósfera en un estado de desequilibrio, haciendo que las ondas transfieran impulso desde la parte inferior de la atmósfera hasta la mesosfera, la cual se extiende desde altitudes de 50 a 85 kilómetros.

El instrumento principal del Observatorio Andes Lidar es un LIDAR de resonancia de sodio que lanza un láser al cielo

“Las ondas son características que aparecen en todas las imágenes nocturnas una vez que perturban el brillo del cielo nocturno que está dominado por emisiones de brillo de aire de unos 80 a 100 kilómetros de altitud”, precisa Vargas. “El LIDAR de resonancia de sodio y los sistemas de radar de meteoros de ALO proporcionan mediciones de altitud versus tiempo en función de la temperatura, la velocidad de viento y la densidad, que también son perturbadas por las ondas”.

Debido a la creciente cantidad de datos de estudios atmosféricos como los que se realizan en ALO, Vargas ahora está aplicando técnicas de inteligencia artificial como algoritmos de machine learning para lograr que todo tenga sentido.

El LIDAR de ALO está apuntando a la capa de sodio de la Tierra, energizando los átomos para crear una estrella artificial y así realizar correcciones de óptica adaptativa.

Credit: Observatorio Andes Lidar

“El ALO es una instalación de clase mundial que por más de diez años ha proporcionado datos de alta calidad para la comunidad científica”, comenta Vargas. “Esta creciente cantidad de datos sólo puede manejarse por algoritmos de aprendizaje entrenados para identificar, clasificar y categorizar datos en información, permitiendo el logro de descubrimientos científicos que no podrían realizarse de otra forma”.