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Hidrógeno en la termósfera obliga a replantear modelos atmosféricos

Investigadores de la Universidad de Illinois han descubierto la existencia de átomos de hidrógeno atómico calientes en una capa superior de la atmósfera de la Tierra conocida como la termosfera.
Este hallazgo, que los autores reportan en Nature Communications, cambia significativamente la comprensión actual de la distribución de estas moléculas y su interacción con otros constituyentes atmosféricos.
Debido a que los átomos de hidrógeno son muy ligeros, pueden superar fácilmente la fuerza gravitatoria de un planeta y escapar permanentemente al espacio interplanetario. La continua fuga atmosférica de los átomos de hidrógeno es una de las razones por las que el planeta hermano de la Tierra, Marte, ha perdido la mayor parte de su agua.
Además, los átomos de hidrógeno desempeñan un papel crítico en la física que gobierna la atmósfera superior de la Tierra y también sirven como escudo importante para los activos tecnológicos, como los numerosos satélites en órbita terrestre baja, contra el severo ambiente espacial.
"Se había teorizado que los átomos de hidrógeno caliente existían a alturas muy altas, por encima de varios miles de kilómetros, pero nuestro descubrimiento de que existen tan sólo 250 kilómetros fue realmente sorprendente", dijo Lara Waldrop, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática e investigadoa principal del proyecto.
"Este resultado sugiere que a los actuales modelos atmosféricos les está faltando alguna física clave que afecta a muchos estudios diferentes, que van desde la fuga atmosférica a la estructura térmica de la atmósfera superior".
El descubrimiento fue posible gracias al desarrollo de nuevas técnicas numéricas y su aplicación a los años de mediciones de sensores remotos adquiridos por el satélite TIMED de la NASA, (Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics).
"Los supuestos clásicos sobre la física atmosférica superior no permitían la presencia de átomos de hidrógeno calientes en estas alturas", recordó Jianqi Qin, científico investigador que desarrolló la técnica de análisis de datos. "Una vez que cambiamos nuestro enfoque para evitar esta suposición no física, pudimos interpretar correctamente los datos por primera vez".
El hidrógeno atómico dispersa eficientemente la radiación ultravioleta emitida por el sol, y la cantidad de luz dispersada depende sensiblemente de la cantidad de átomos de hidrógeno que están presentes en la atmósfera. Como resultado, las observaciones remotas de las emisiones de hidrógeno dispersas, como las realizadas por el satélite TIMED de la NASA, pueden utilizarse para investigar la abundancia y la distribución espacial de este componente atmosférico clave. Para extraer información sobre la atmósfera superior de tales mediciones, uno necesita calcular exactamente cómo los fotones solares se dispersan, algo en lo que consistitó el trabajo de Qin.
Con el apoyo de la National Science Foundation y la NASA, los investigadores desarrollaron un modelo de transferencia radiativa de la emisión dispersa junto con una nueva técnica de análisis que incorporó una región de transición entre las extensiones inferior y superior de la distribución de hidrógeno.
"Resulta que el nuevo modelo se ajusta perfectamente a las mediciones", dijo Qin. "Nuestro análisis de los datos de TIMED llevó a la conclusión contra-intuitiva de que la temperatura de los átomos de hidrógeno en la termosfera aumenta significativamente con la disminución de la actividad solar, en contraste con la temperatura ambiente atmosférica, que disminuye con la disminución de la actividad solar".
Sus resultados también muestran que la presencia de tales átomos de hidrógeno calientes en la termósfera afecta significativamente a la distribución de los átomos de hidrógeno en toda la atmósfera. El origen de tales átomos, que antes se pensaba que no podían existir en la termosfera, sigue siendo un misterio.
"Sabemos que debe haber una fuente de átomos de hidrógeno calientes, ya sea en la termosfera local o en capas más distantes de la atmósfera, pero aún no tenemos una respuesta sólida", dijo Waldrop.