Cuando eran alrededor de las 9 de la noche del lunes 21 de agosto de 2017, una cámara fotográfica ultrasensible instalada en el interior del nordeste brasileño detectó una variación lumínica poco frecuente en la alta atmósfera de la región. El dispositivo, instalado en una propiedad ubicada en los alrededores de la localidad de São João do Cariri, en el interior del estado de Paraíba, registró una oscilación de brillo en la frecuencia del infrarrojo en una región del cielo a una altura de 87 kilómetros (km). La intensidad de esa luz invisible al ojo humano aumentó durante varios minutos antes de disminuir y volver a incrementarse en una franja estrecha que describió un arco en el cielo y se extendió desde Ceará hasta Pernambuco. En un artículo publicado en agosto en la revista Geophysical Research Letters, un grupo conformado por científicos brasileños y estadounidenses propuso una explicación para el origen de ese fenómeno: el mismo habría sido generado por perturbaciones en un estrato inferior de la atmósfera disparadas por un eclipse solar total que se registró en el hemisferio norte y fue parcialmente visible en el hemisferio sur.
Los geofísicos y los expertos del clima espacial conciben a la atmósfera del planeta como un fluido formado por capas múltiples, cada una con una composición y densidad diferente, perturbadas constantemente por la propagación de ondas, similares a las que se forman al arrojar una piedra sobre una superficie de agua en reposo. Algunas de esas ondulaciones reciben el nombre de ondas de gravedad, porque la atracción gravitatoria del planeta es el elemento que hace que el fluido recobre su equilibrio luego de una perturbación inicial. En la atmósfera, estas se caracterizan por presentar oscilaciones que pueden fluctuar entre decenas y centenas de kilómetros entre un pico y otro, y se desplazan a velocidades que varían de decenas a centenas de metros por segundo. Su propagación, no obstante, solo ocurre en medios materiales (formados por partículas), tales como el agua o el aire. Estas ondas no existen en el espacio y son diferentes a las ondas gravitacionales, que son oscilaciones en el espacio-tiempo causadas por la colisión de distintos cuerpos con masas muy elevadas, tales como estrellas o agujeros negros, que se propagan en el vacío a la velocidad de la luz.
En la Tierra, las ondas de gravedad atraviesan la atmósfera frecuentemente y la mayoría de las veces son generadas por el desplazamiento de las nubes de tormenta o incluso por tsunamis y terremotos. Sin embargo, las que causaron las alteraciones lumínicas durante aquella noche de 2017 tenían un origen distinto. De acuerdo con las conclusiones a las que arribó el equipo coordinado por el físico Igo Paulino, de la Universidad Federal de Campina Grande (UFCG), en Paraíba, fueron generadas por el desplazamiento en la atmósfera de la sombra provocada por el paso de la Luna delante del Sol. “Es la primera vez que se observan en Brasil los efectos de las ondas de gravedad generadas por un eclipse en la atmósfera”, dice el investigador, quien coordinó la campaña de observación.
Aquel día, la Luna se interpuso durante algunas horas entre la Tierra y el Sol, proyectando un pequeño cono de sombra –la denominada umbra– que se desplazó de una costa a la otra de Estados Unidos. El evento comenzó a las 12:46 del horario brasileño en el océano Pacífico, ingresó al territorio estadounidense por el estado de Oregon y recorrió un corredor estrecho a lo largo de otros catorce estados.
Al analizar ciertas características, tales como la posición y la duración de la oscilación del brillo en el rango del infrarrojo detectadas a 87 km de altitud, Paulino y sus colaboradores del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe) determinaron las propiedades de las ondas de gravedad que las habían ocasionado. Eran perturbaciones que se repetían cada dos horas y media, y se desplazaban a una velocidad de 634 kilómetros por hora (km/h), con una de las mayores longitudes de onda que se hayan medido para este tipo de fenómenos: 1.618 km entre un pico y otro. Con base en esos datos y teniendo en cuenta el sentido de propagación, el físico de la UFCG trazó una demarcación del sentido inverso de esas perturbaciones y verificó que su fuente coincidía con la última posición ocupada por la umbra del eclipse en el Atlántico, a poco más de 2.200 km de distancia de São João do Cariri y a 34 km por encima de la superficie del océano.
Esa región de la atmósfera es la que registra la mayor concentración de ozono (O3), un gas que absorbe parte de la radiación ultravioleta proveniente del Sol. Al bloquear momentáneamente la incidencia de la luz, la umbra del eclipse redujo en alrededor de 1 grado Celsius (ºC) la temperatura en un área pequeña de la capa de ozono. Si bien fue un evento modesto y momentáneo, ese enfriamiento rápido del ozono altera la distribución de las moléculas del gas, que se acercan antes de volver a alejarse con el regreso de la luminosidad. Este movimiento de contracción y expansión del gas genera una perturbación que puede dar origen a las ondas de gravedad, que se propagan por otras capas de la atmósfera. Las ondas producidas al final del eclipse de 2017, al llegar a los 87 km de altitud, modificaron la densidad y la temperatura en aquella región, alterando la emisión de radiación infrarroja de las moléculas de hidroxilo (OH). Este es el origen de la oscilación del brillo detectada por el dispositivo instalado en Paraíba.
“Las ondas de gravedad constituyen un mecanismo importante de transferencia de energía desde las capas más bajas de la atmósfera hacia las más altas”, explica el físico japonés Hisao Takahashi, del Inpe, uno de los autores del estudio, quien contó con la colaboración de científicos de las universidades de Texas y de Illinois, en Estados Unidos. “Ellas alteran el sistema de vientos en la alta atmósfera”, concluye.
“Pocos trabajos han permitido caracterizar tan bien como este las propiedades de las ondas de gravedad”, comenta el físico Cosme Figueiredo, coautor del trabajo e investigador de posdoctorado en el Inpe. Un mejor conocimiento de los mecanismos que generan las ondas de gravedad y las propiedades de las mismas redundará en mejoras en los modelos de previsión del comportamiento de la atmósfera a diferentes alturas, algo importante para los vuelos espaciales.
Proyecto
Alteraciones ionosféricas propagantes observadas sobre la cordillera de los Andes utilizando mapas/keogramas de contenido electrónico total perturbado (nº 18/09066-8); Modalidad Beca de posdoctorado; Investigador responsable Cristiano Max Wrasse (Inpe); Beneficiario Cosme Alexandre Oliveira Barros Figueiredo; Inversión R$ 651.187,54
Artículo científico
PAULINO, I. et al. Atmospheric gravity waves observed in the nightglow following the 21 August 2017 total solar eclipse. Geophysical Research Letters. 19 ago. 2020.
