Contrariamente a lo que se puede pensar, en el IAA no nos ocupamos solo de la observación de planetas, estrellas, nebulosas o galaxias lejanas. También se estudia la atmósfera de la Tierra, la masa de gas que nos rodea. Esta delgada estructura que apenas ocupa un 1.5% del radio terrestre constituye el nexo de unión de nuestro planeta con el espacio, y forma uno de los escudos protectores de nuestro hábitat, el medio en que vivimos. Pero, sobre todo, cada vez es más evidente que la atmósfera terrestre constituye un entorno extremadamente sensible y vulnerable a fenómenos procedentes tanto del espacio, especialmente los causados por la actividad solar, como los originados desde la superficie terrestre por la acción del ser humano. En el IAA tres grupos de investigación distintos se dedican a desentrañar los misterios de nuestra atmósfera. Uno de ellos estudia las variaciones temporales en composición y temperatura a escalas regional y global con el fin último de aislar el impacto del cambio climático. Otro de los grupos se dedica a analizar la actividad eléctrica en atmósferas planetarias, ya que asociadas a ella se producen fuertes descargas eléctricas en la baja y alta atmósfera que nos proporcionan información muy valiosa sobre el comportamiento eléctrico de la misma. Por último, la Oficina de Calidad del Cielo, gestionada también desde nuestro centro, vela por la protección del cielo nocturno. En este artículo repasaremos los estudios de la atmósfera que llevan a cabo estos grupos, y que nos permiten entender cómo funciona la capa de gas que tenemos sobre nuestras cabezas. Porque, efectivamente, el universo comienza aquí.

EL CIELO SOBRE NUESTRAS CABEZAS

Según el diccionario de la Real Academia de la Lengua Española, la atmósfera constituye “la capa gaseosa que rodea la Tierra y otros cuerpos celestes”. Estudiada desde hace varios siglos, hoy podríamos añadir más información a esa definición. Podemos decir, por ejemplo, que está compuesta por diferentes especies químicas (fundamentalmente nitrógeno y oxígeno, con trazas de argón, dióxido de carbono, agua y ozono). También añadiríamos que tiene una extensión de varios centenares de kilómetros de altura (aunque el 75 % de la masa atmosférica se encuentra confinada en los primeros once kilómetros). Además, sabemos que la atmósfera se encuentra dividida en cinco capas atendiendo a su estructura térmica. Así, la capa que se extiende entre el suelo y la tropopausa (a 10-20 kilómetros) se denomina troposfera, y es donde se generan los fenómenos meteorológicos. Entre la tropopausa y la estratopausa (a 50-55 kilómetros) se encuentra la estratosfera, que alberga la mayor concentración de ozono. La mesosfera está comprendida entre la estratopausa y la mesopausa (a 85-95 kilómetros), siendo esta última la región más fría de toda la atmósfera, con temperaturas que pueden llegar a ciento cuarenta grados bajo cero. Y en la termosfera, que se extiende desde la mesopausa hasta los setecientos kilómetros, la temperatura aumenta con la altura, de ahí su nombre. Más allá nos encontraríamos con la exosfera, la capa más externa. Tradicionalmente se pensaba en estas capas como regiones aisladas sin interacción entre sí. Sin embargo, este concepto ha cambiado drásticamente durante los últimos cincuenta años. Gracias a los satélites sabemos que la atmósfera forma un sistema altamente acoplado: lo que ocurre en una zona determinada puede influir de manera crucial en otra. Dicha interacción puede afectar a fenómenos tan importantes como el propio clima sobre la superficie terrestre.

El Grupo de Atmósferas Planetarias Terrestres del IAA-CSIC tiene una larga experiencia en el estudio de atmósferas de cuerpos rocosos del Sistema Solar (principalmente Venus, la Tierra, Marte y Titán) mediante el análisis de sus emisiones infrarrojas y del airglow (o luminiscencia nocturna). Uno de los objetivos principales del grupo consiste en conocer a fondo la atmósfera terrestre, así como su variabilidad y la forma en la que evoluciona. Para ello hay que investigar los procesos radiativos, químicos y dinámicos que la gobiernan. Los investigadores e investigadoras del IAA-CSIC miden y analizan tanto las variables físicas, como presión y temperatura, así como la composición química de la atmósfera media-alta, en concreto la región entre los veinte y los ciento cincuenta kilómetros (estratosfera, mesosfera y baja termosfera). A partir de ello son capaces de identificar los procesos que forman y destruyen los distintos compuestos, aquellos que los transportan de unas regiones a otras y los que interconectan las distintas regiones atmosféricas. De esta manera intentan atribuir el origen de estos mecanismos y de sus variaciones en el tiempo, y determinar si son de origen antrópico o natural.
Para poder realizar estas investigaciones es necesario disponer de un buen conjunto de medidas de excelente calidad y, sobre todo, extendidas en el tiempo. Para su obtención el grupo cuenta, principalmente, con dos instrumentos a bordo de sendos satélites de monitorización de la atmósfera terrestre. El primero de ellos, SABER (Sounding for the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry), se halla a bordo del satélite TIMED, de la NASA. SABER efectúa medidas globales de la atmósfera utilizando un radiómetro infrarrojo con varias bandas espectrales que cubren desde 1.27 a 17 micras. Estos datos se utilizan para obtener mapas tridimensionales (altura, latitud y longitud) de temperatura, presión, y composición de gases como el ozono, el dióxido de carbono o el vapor de agua. En este instrumento, el IAA-CSIC viene participando a nivel de co-investigador desde sus orígenes, suministrando gran parte de los códigos para convertir las radiancias medidas en los parámetros atmosféricos mencionados. SABER lleva midiendo la atmósfera durante dieciocho años (casi dos ciclos solares) suministrando una de los mejores bases de datos de nuestra atmósfera y contribuyendo a un avance sin precedentes de nuestro conocimiento de la misma.
El otro instrumento utilizado es MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding, que operó entre 2002 y 2012 a bordo de la misión europea Envisat. MIPAS midió la atmósfera terrestre con una resolución espectral sin precedentes, la mejor hasta la fecha, permitiendo la detección de un mayor número de gases atmosféricos (más de treinta). Su objetivo original era desentrañar los procesos causantes de la destrucción del ozono en el hemisferio austral (el problema conocido como agujero de ozono). Sin embargo, para cuando MIPAS se construyó y se lanzó, ya se había resuelto en gran parte ese problema. No obstante, ha contribuido de forma crucial a entender nuestra atmósfera.
Los datos que se obtienen de estos dos satélites permiten determinar la composición atmosférica. Los compuestos que obtienen están asociados a distintos procesos y se podrían agrupar en tres conjuntos. El primero comprende básicamente los óxidos de nitrógeno. Estos gases están fuertemente relacionados con la formación y destrucción del ozono, una molécula esencial para la vida en nuestro planeta, puesto que bloquea en gran parte la radiación ultravioleta. El segundo grupo estaría formado por los denominados gases trazadores de la dinámica atmosférica como, por ejemplo, el monóxido de carbono o el vapor de agua, que permiten desvelar los mecanismos de transporte y acoplamiento atmosféricos. Por último se encontrarían los gases de efecto invernadero, entre los que se incluyen el dióxido de carbono, el vapor de agua y el metano, responsables en gran medida del calentamiento de la superficie terrestre en las últimas décadas (si bien producen enfriamiento de modo simultáneo en la media-alta atmósfera con los consiguientes efectos de contracción atmosférica). Los datos de satélite con los que trabaja el equipo del IAA-CSIC cubren la atmósfera desde el ecuador a los polos y desde la tropopausa hasta unos ciento setenta kilómetros, y lo hacen durante amplios periodos de tiempo. Con esto, y con el apoyo de instrumentación en el Observatorio de Sierra Nevada, disponen de una imagen en cuatro dimensiones de la atmósfera terrestre que les proporciona un cartografiado preciso que permite una visión del estado de la atmósfera media-alta sin precedentes, una evaluación de su evolución y la determinación de los factores desencadenantes de la misma.

LA RELACIÓN CON EL SOL

Los procesos atmosféricos y sus variaciones están influenciados por el Sol, principal fuente de energía de nuestro planeta (y algunos tienen su origen en él). El efecto más importante del Sol a nivel global es la radiación. Por una parte, la radiación que proviene del Sol cambia la temperatura del mar que, a su vez, afecta a la atmósfera. Este efecto o camino se denomina de “abajo  arriba” (bottom-up), por tener su origen en las capas inferiores y transferirse a las superiores. Por otra parte, la radiación en el ultravioleta modifica la concentración del ozono en la estratosfera (capas altas), que se traduce en un cambio en la temperatura en esta región que, a su vez, perturba la circulación atmosférica, transfiriéndose esta señal solar a las capas bajas, en la superficie. De ahí su nombre, top-down, o camino de arriba abajo. El grupo de atmósferas planetarias terrestres está muy involucrado en distinguir ambos caminos.
Por otro lado, las partículas emitidas por el Sol tienen una influencia notable sobre el sistema atmosférico. Estas partículas, que viajan a gran velocidad, interaccionan con el campo magnético terrestre y son desviadas hacia los polos, regiones en las pueden penetrar y modificar la composición atmosférica. Estos fenómenos pueden ocurrir de manera explosiva, como en las eyecciones de masa de la corona solar, constituidas principalmente por protones que impactan en la atmósfera y con unos efectos inmediatos y muy localizados. También pueden ocurrir de manera más continua, aunque variable y menos explosiva, como en el caso del viento solar, que genera una precipitación de electrones desde las capas más altas de la atmósfera (la magnetosfera), hacia las regiones inferiores (baja termosfera y mesosfera), siempre en las regiones polares. Los científicos y científicas del IAA-CSIC trabajan para entender qué rol juegan las partículas y la radiancia, y en cómo incluir ambos efectos en los modelos atmosféricos.
Tanto la radiación como las partículas son capaces de cambiar la composición química de la atmósfera. Dichos cambios, a su vez, pueden modificar su estructura térmica y su dinámica, y tienen el potencial de variar el clima en la superficie terrestre. Ello ha propiciado la recomendación al Panel Intergubernamental para el Cambio Climático (IPCC, International Pannel for Climate Change) de incluir estos fenómenos en las próximas simulaciones de los modelos climáticos. De esta manera el grupo de atmósferas terrestres planetarias del IAA-CSIC pretende continuar refinando sus modelos y, así, poder predecir el comportamiento del cielo sobre nuestras cabezas.

ELECTRICIDAD EN LA ATMÓSFERA

Nuestra atmósfera es una gigantesca máquina eléctrica cuyas baterías son las tormentas y los rayos. En efecto, los rayos llevan carga eléctrica negativa al suelo, mientras que la carga positiva de la parte alta de las nubes de tormenta es transportada hacia la ionosfera que, después, en regiones de “buen tiempo”, origina una corriente eléctrica positiva aproximadamente constante hacia el suelo. Lo anterior es una versión muy simplificada de la teoría del circuito eléctrico global propuesta por Wilson en 1921 para explicar el origen de las corrientes eléctricas atmosféricas.
Años más tarde, en 1989, se descubrieron accidentalmente las descargas eléctricas en la mesosfera, una región que se creía carente de actividad. Estas descargas, llamadas hoy Fenómenos Luminosos Transitorios (o TLEs, del inglés Transient Luminous Events), aparecen debido a la existencia de rayos en la troposfera. Quizá los TLEs más populares son los sprites, eventos luminosos que se producen a unos ochenta kilómetros de altura, duran centésimas de segundo y muestran una parte superior difusa y una región inferior poblada de “tentáculos” que no son sino filamentos de aire ionizado que descienden hasta los cincuenta kilómetros de altura. En 1994 se detectaron, por primera vez y también de forma fortuita, potentes destellos de rayos gamma (o TGFs, del inglés Terrestrial Gamma ray Flashes) con origen en la atmósfera y que ocurrían durante ciertos episodios de fuertes tormentas eléctricas. Muy recientemente, a finales de 2017, un equipo japonés aportó pruebas experimentales definitivas de que los rayos también pueden producir reacciones fotonucleares en la atmósfera (había indicios no concluyentes desde 1985).
El descubrimiento de dichos fenómenos, aparte de haber sido parcialmente anticipado por Wilson, ha abierto toda una nueva era en el estudio de la electricidad atmosférica que ha planteado una serie de preguntas cuyas respuestas son hoy día tema de investigación. En particular, no se conoce en detalle qué influencias tienen los rayos y ciertos tipos de TLEs (como los sprites y los blue jets) en la química atmosférica global ni si el cambio climático puede alterar la frecuencia e intensidad de los rayos y de los TLEs y TGFs. Tampoco se conocen a día de hoy los mecanismos concretos que producen los rayos y los TGFs.

En respuesta a todos estos nuevos y apasionantes interrogantes, la comunidad internacional ha propuesto y lanzado entre 1995 y lo que llevamos del siglo XXI diversas misiones espaciales para el estudio de los rayos, TLEs y TGFs desde órbitas bajas (entre cuatrocientos y setecientos kilómetros de altura) y geoestacionarias. En el grupo de Electricidad Atmosférica del IAA-CSIC se llevan a cabo investigaciones fundamentales y aplicadas en relación con la microfísica de rayos, TLEs y TGFs, así como sobre su influencia en la química de nuestra atmósfera. El grupo actúa en diversos frentes mediante el desarrollo de instrumentación científica de vanguardia, de estudios experimentales en el laboratorio y de modelos, junto con una activa participación en las recientes y futuras misiones espaciales para el estudio de fenómenos eléctricos en la atmósfera. Toda esta actividad se enmarca en varios proyectos europeos y nacionales, numerosas colaboraciones internacionales y varias tesis doctorales leídas o en marcha.
El futuro de la investigación en el campo de la electricidad atmosférica está lleno de nuevos retos y descubrimientos que vendrán de la mano de las misiones espaciales recién lanzadas por EE.UU., Europa, Japón y China. Así, en febrero de 2018 se lanzó el satélite español PAZ, que lleva a bordo un experimento para estudiar tormentas severas. En abril de 2018 se lanzó ASIM (Atmospheric Space Interaction Monitor) de la Agencia Espacial Europea (ESA), en la que España participa como corresponsable científica, aportando parte de un instrumento y con equipos humanos para su explotación científica, entre ellos personal científico del IAA. A mediados de 2020 se lanzará el satélite TARANIS (junto con el satélite español INGENIO) para estudiar la actividad eléctrica atmosférica y en el que también participa el grupo de electricidad atmosférica del IAA. Además, en 2022 se prevé que la Agencia Europea para la explotación de Satélites Meteorológicos (EUMETSAT) lance el primero de cuatro satélites de la tercera generación de satélites meteorológicos europeos equipados por primera vez con sensores de rayos. Los nuevos instrumentos incorporan sensores de incendios para correlacionarlos con la frecuencia de rayos en regiones de alto riesgo de incendio en Europa. Con los datos que nos proporcionen estos nuevos satélites, el grupo del IAA especializado en la actividad eléctrica en la atmósfera terrestre podrá seguir desentrañando sus misterios.

CONTAMINACIÓN LUMÍNICA

La Oficina de Calidad del Cielo del IAA-CSIC contribuye también a los estudios atmosféricos. Su objetivo es velar por el cumplimiento de la legislación vigente en España para la protección de la calidad del cielo nocturno y el establecimiento de medidas de ahorro y eficiencia energética. Desde 1960, la contaminación lumínica ha sido una preocupación mayor para la comunidad astronómica internacional. Tanto, que en los años 70 se comenzaron a crear los primeros modelos de predicción de la contaminación lumínica. El primer modelo puramente físico fue desarrollado en 1984. En el año 2001, basándose en este modelo y en imágenes de satélite, se realizó el primer mapa de la contaminación lumínica mundial. Sin embargo, el atlas no contó con una validación intensiva hasta 2012. Unos años antes, en 2005, se descubrió que el ojo tenía un tipo de células fotosensibles que no juegan ningún papel en la visión, pero que regulan el sistema hormonal, lo que abre la puerta a que la contaminación lumínica provoque efectos adversos sobre la salud. Actualmente está probado que el trabajo en turno de noche implica un aumento del 50% de la probabilidad de desarrollar cáncer de mama o próstata. Además, los estudios epidemiológicos relacionan las imágenes de satélite nocturnas con un incremento de casos de este tipo de cánceres. Paralelamente, a lo largo de la primera década de este siglo numerosos trabajos han demostrado un importante impacto en gran cantidad de especies (búhos y rapaces nocturnas, aves migratorias, insectos, luciérnagas o tortugas) producido por la contaminación lumínica, además del incremento de enfermedades transmitidas por mosquitos en lugares iluminados. Trabajos recientes muestran cómo la contaminación lumínica puede estar detrás de algunos fenómenos anteriormente achacados al calentamiento climático, como la floración adelantada de algunas especies. En resumen, la evidencia científica relaciona la contaminación lumínica con graves problemas de salud, económicos y medioambientales.
Sin embargo, pese a todos los avances en investigación acerca de contaminación lumínica, quedan abiertas muchas incógnitas: los estudios realizados hasta el momento prácticamente han ignorado la importancia de los diferentes colores en la contaminación lumínica, principalmente por la falta de herramientas sencillas de calibración del instrumental. Tampoco se ha estimado hasta la fecha cuán importante es el efecto de la contaminación lumínica de tipo LED en futuras investigaciones astronómicas en el visible, dado que su componente principal de emisión es un espectro continuo y no de líneas como las tradicionales lámparas de sodio. Es una incógnita el grado de impacto que tiene el alumbrado público y ornamental en la salud humana, más allá de las correlaciones estadísticas encontradas con imagen de satélite. Por último, también se desconoce la distribución actual en color de la contaminación lumínica. Para solucionar esta falta de conocimiento se creó el proyecto Cities at Night, encabezado por el IAA, para localizar, clasificar y georreferenciar las imágenes tomadas por los astronautas de la Estación Espacial Internacional, única fuente de información disponible en órbita sobre el color de la contaminación lumínica.
Por estas razones, en 2015 nace en el IAA-CSIC la Oficina de Calidad del cielo, con el objetivo de convertirse en un referente en Andalucía en términos de protección de la calidad del cielo nocturno. De esta manera, pretende reafirmar el valor de la bóveda celeste como recurso científico, cultural, medioambiental y turístico.