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Ciencias de la Tierra y Climatología
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De confirmarse este hecho, las estimaciones actuales sobre el papel de los gases de efecto invernadero en el calentamiento global tendrían que ser revisadas.
La actividad de los rayos cósmicos sobre la atmósfera terrestre, regulada por variaciones en el flujo del viento solar, podría ejercer una importante influencia sobre la formación de nubes. (Pág.3)
El proyecto CLOUD, en el que intervienen científicos de 17 instituciones, intentará verificar esta hipótesis de forma experimental.
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Los rayos cósmicos y la atmósfera terrestre.
La existencia de una fuente de ionización que afectaba a los electroscopios (detectores utilizados para medir diferencias de potencial) era un misterio para los científicos de finales del siglo XIX. En un principio se pensó que la fuente estaba en algún mineral de la corteza terrestre. Gracias a diversos experimentos, especialmente los realizados en 1910 por el suizo Albert Gockel y los efectuados por el físico austriaco (más tarde nacionalizado estadounidense) Victor Franz Hess entre 1911 y 1912, se pudo comprobar que el nivel de la ionización atmosférica, provocada por reacciones de alta energía del cual era responsable un agente desconocido, crecía con la altitud. Dichos experimentos se vieron continuados y confirmados por Robert A. Millikan quien introdujo el término "Rayos Cósmicos". Posteriormente Walther Bothe y Dr. Werner Kolhörster, establecieron que dichos rayos cósmicos eran en realidad partículas cargadas.
Hoy se sabe que los rayos cósmicos, de forma parecida al viento solar, son principalmente iones de hidrógeno (es decir, protones, que representan un 80-85% del total), de helio (o partículas alfa, aproximadamente el 12% del total), en menor medida de carbono, oxígeno y una proporción mucho menor de iones de hierro y otros elementos más pesados (representando todos ellos aproximadamente entre un 1% y un 5% del total), además de un 2% de electrones y positrones (en una proporción de 5:1). Una pequeña porción (aproximadamente el 0,1%) son rayos gamma.
No obstante, estas partículas se mueven a grandes velocidades, cercanas a la velocidad de la luz. Su rango de energías varía entre 10 +9 eV (10 elevado a 9 electrón Voltios) y 10 +20 eV, y su origen, al menos en aquellas con una energía de hasta 10 +16 eV, está en las ondas de choque generadas en la explosión de estrellas supernovas. (El origen de los rayos cósmicos de muy alta energía, superior a los 10 +19 eV, está aún sin determinar). Por otra parte, el Sol emite en las grandes erupciones solares partículas energéticas que podrían considerarse como rayos cósmicos, aunque debido a su baja energía (generalmente por debajo de 10 +9 eV o 1 GeV, aunque a veces pueden alcanzar valores en torno a los 10 GeV) en comparación con los anteriores, se agrupan en una categoría diferente: las llamadas Partículas Energéticas Solares (Solar Energetic Particles o SEPs).
En 1997 H. Svensmark and E. Friis-Christensen descubrieron una correlación entre la intensidad de los rayos cósmicos que inciden sobre la Tierra y su cubierta nubosa global. Observaron que en los periodos en los que se registraban mayores intensidades de rayos cósmicos aumentaba globalmente la capa nubosa.
Ver: Svensmark, H. & Friis-Christensen, E.: Variation of cosmic ray flux and global cloud coverage - a missing link in solar climate relationships. J. Atm. Sol. Terr. Phys. 59 (1997), 1225.
De acuerdo con estudios recientes efectuados por investigadores del Instituto de Investigaciones Espaciales Danés, en Copenhagen, la causa principal en las oscilaciones del número de rayos cósmicos recibidos en la Tierra se debería a las variaciones en el flujo de viento solar emitido, ya que este actua como un escudo protector frente a los primeros. En los periodos con una emisión más intensa de viento solar, que coinciden con un mayor número de manchas solares, se produce un aumento en la densidad de partículas por cm3 de aquel, y por tanto aumenta la posibilidad de colisiones entre estas y los rayos cósmicos, obstaculizando su llegada a la Tierra.
La incidencia de los rayos cósmicos en la atmósfera terrestre provoca fenómenos de ionización por colisión ("rotura" de moléculas y/o pérdida o ganancia de uno o más electrones). Esta es más intensa en las zonas superiores de la atmósfera y disminuye a medida que descendemos en la misma. Estaría también relacionada con la producción de aerosoles (partículas de entre 0,001 y 1 micra de diámetro de líquidos o sólidos que por su pequeño tamaño están suspendidos en el aire entre los cuales se incluyen polvo, sal marina, hollín y restos procedentes de la combustión de materia orgánica, sulfatos, nitratos, etc) y/o su crecimiento. Se piensa también que los rayos cósmicos influirían en la formación de micro partículas de hielo en las nubes altas.
Los aerosoles actuarían a su vez como nucleos de condensación de nubes, a modo de "siembra" que permitiría su formación (la microfísica de nubes indica que es necesaria la presencia de pequeñas partículas de tamaño micrométrico con gran afinidad por el agua para que se produzca su formación en condiciones atmosféricas, cuyo papel sería actuar como núcleos de condensación en lo que se ha dado a conocer como nucleación heterogénea).
Una comparación de las gráficas sobre variaciones globales absolutas en la absorción del infrarrojo (con longitudes de onda entre 10 y 12 micrómetros) de la cobertura de nubes tomadas de los datos del Proyecto Internacional de Observaciones por Satélite sobre el Clima y las Nubes (International Satellite Cloud Climate Project, ISCCP) y la variación en el flujo de rayos cósmicos muestran una correlación bastante significativa entre la intensidad de estos y la frecuencia de nubes bajas (cuya altitud es inferior a los 3.200 metros).
Ver: N.Marsh and H.Svensmark, Low cloud properties influenced by solar activity, enviado a Geophys. Res. Lett. (2000)
Arriba: mapas de correlaciones globales entre el flujo de rayos cósmicos y la frecuencia de nubes o cobertura (a), y la temperatura en la zona superior de la capa nubosa (b), ambos referentes a nubes bajas. Los valores medios de las zonas con un coeficiente de correlación sobre 0,6 son del 14,2% para el primer caso y del 29,6% en el segundo. En este último, sorprendentemente puede observarse que la correlación es más intensa en las zonas cercanas al ecuador magnético terrestre, en donde los efectos de la modulación de los rayos cósmicos por el viento solar deberían ser algo menores que en latitudes magnéticas altas. La probabilidad calculada de obtener un coeficiente de correlación mayor o igual de 0,6 de forma aleatoria en uno de los pixels de la gráfica es del 0,01%. (Imagen cortesía de Nigel Marsh, Danish Space Research Institute)
Arriba: variación de la capa de nubes bajas global y la variación en el flujo re rayos cósmicos medidos en la estación de Climax, Colorado (USA). (Imagen cortesía de Nigel Marsh, Danish Space Research Institute)
El efecto de la capa nubosa sobre el balance de radiación recibida/emitida por la Tierra varía en función del tipo de nube. Así, aquellas de pequeño grosor situadas a altitudes medias y altas favorecen el calentamiento global ya que son relativamente transparentes a las longitudes cortas de onda (energía recibida) pero opacas para longitudes de ondas infrarrojas (energía irradiada por la Tierra debido al calentamiento de su superficie). Sin embargo, si se analiza el papel desempeñado por aquellas de mayor grosor o en las situadas en las capas bajas de la atmósfera (estimadas en su conjunto) se ve que respecto al balance energético predomina el efecto de reflexión de las radiaciones recibidas (albedo) frente a la energía que impiden se irradie al espacio.
Como el incremento en los rayos cósmicos, modulado por disminuciones en la actividad solar, estaría asociado a incrementos en la formación de nubes bajas, ello favorecería un enfriamiento relativo de las temperaturas en superficie, y viceversa.
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