Las estelas blancas que dejan tras de sí los aviones pueden convertirse en nubes de tipo cirro indistinguibles de las que se forman de manera natural. Según un estudio numérico publicado en Nature Climate Science, hoy en día estas nubes pueden estar causando un efecto mayor en el calentamiento climático que todo el dióxido de carbono emitido por los aviones desde el inicio de la aviación. La aviación es responsable del 3% de las emisiones de dióxido de carbono por la quema de combustibles fósiles y se estima que contribuye entre un 2 y 14 % al efecto antropogénico sobre el clima y, según algunos estudios, su efecto podría triplicarse para el año 2050. Por lo tanto, mitigar el impacto de la aviación sobre el cambio climático es un tema de considerable interés público y político. El nuevo artículo de Burkhardt y Kärcher presenta un estudio mediante simulación por ordenador del efecto global en el clima terrestre de las nubes jóvenes de tipo cirro formadas a partir de las estelas de los aviones. Sus resultados indican que estas nubes tienen un efecto sobre el cambio climático un orden de magnitud mayor que el que puedan tener las estelas como tales. Obviamente, este estudio es polémico pues es imposible distinguir si una nube tipo cirro es de origen natural o ha sido producida por la evolución (difusión) de una serie de estelas de aviones. Para entender el impacto de la aviación sobre el clima es necesario investigaciones experimentales más precisas sobre este mecanismo. La tarea no es sencilla. Nos lo ha contado Olivier Boucher, “Atmospheric science: Seeing through contrails,” Nature Climate Change 1: 24–25, 29 March 2011, haciéndose eco del artículo técnico de Ulrike Burkhardt, Bernd Kärcher, “Global radiative forcing from contrail cirrus,” Nature Climate Change 1: 54–58, 29 March 2011. Estos artículos son de acceso gratuito en la web por lo que os recomiendo su lectura si estáis interesados en los detalles técnicos. Algunos extractos en inglés en mi otro blog: «Contrails can evolve into cirrus clouds causing more climate warming today than all the carbon dioxide emitted by aircrafts.»
Por cierto, la semana que viene aparecerá en Amazings.es un artículo mío sobre la «Fïsica de las estelas blancas de los aviones,» que ha surgido a colación de la entrada de Rinze, «Chemtrails: Fumigados de la vida,» Amazings.es, 25 abr. 2011, y del artículo divulgativo de América Valenzuela, «¿Por qué los aviones dejan estelas blancas?,» El porqué de la ciencia, RTVE.es, 11 marzo 2011. Este último es un tentenpié para abrir boca.
Las estelas de condensación (contrails en inglés) están formadas por la condensación de vapor agua ambiental al mezclarse con los gases de escape del motor del avión que están más calientes. La dinámica atmosférica de las estelas es complicada y puede dar lugar a la formación de cirros, que tienen un efecto sobre el calentamiento climático. El artículo de Burkhardt y Kärcher utiliza un modelo por ordenador a escala global que trata de evaluar los efectos de las estelas y de las nubes tipo cirro a las que pueden dar lugar. Si los cálculos de Burkhardt y Kärcher son correctos, los efectos son importantes para el sistema climático.
¿Se pueden minimizar estos efectos? Según Boucher, se podrían desarrollar estrategias de mitigación que reduzcan el impacto de la aviación sobre el clima. Por ejemplo, las rutas de vuelo o la altitud de vuelo podrían ser planificadas y modificadas en tiempo real para evitar las regiones de la atmósfera que estén sobresaturadas con respecto al hielo (en mi artículo en Amazings.es explico que significa esto) para reducir la probabilidad de formación de las estelas y minimizar su evolución hacia cirros. Pero esta estrategia puede conducir a un aumento en el consumo de combustible. También se podrían desarrollar nuevos conceptos de motores que minimicen la producción de estelas (algo que ya ha sido estudiado en aviones militares; imagina un avión espía invisible al radar que vaya dejando estelas a su paso). Hay también otras estrategias propuestas por Boucher.
El trabajo de Burkhardt y Kärcher ofrece algunos consejos interesantes sobre cómo podría reducirse el impacto de la aviación en el sistema climático, pero las incertidumbres sobre dicho impacto siguen siendo grandes. Según Boucher, la industria aeronáutica tendría que investigar más sobre el impacto climático de las estelas y cómo mitigar dicho impacto.
Este vídeo muestra la dinámica de un vórtice atmosférico en el polo sur del planeta Venus observado por el instrumento VIRTIS (Visible and InfraRed Thermal Imaging Spectrometer) en la sonda espacial Venus Express de la ESA. Este vórtice tiene una dinámica mucho más compleja que la de los vórtices polares de otros planetas del Sistema Solar. Luz et al. publican en Science un nuevo análisis que muestra que el centro de este vórtice realiza una precesión alrededor del polo sur venusiano con un ángulo de unos 3 grados de latitud (unos cientos de kilómetros) y con un periodo entre 5 y 10 días terrestres. Esta precesión parece ser la razón de la gran variabilidad del vórtice. Un fenómeno curioso que requerirá una explicación teórica más detallada en el futuro próximo. El artículo técnico es D. Luz, D. L. Berry, G. Piccioni, P. Drossart, R. Politi, C. F. Wilson, S. Erard, F. Nuccilli, «Venus’s Southern Polar Vortex Reveals Precessing Circulation,» Science Express, Published 7 April 2011.
Muchos planetas del Sistema Solar, incluida la Tierra, presentan vórtices polares, similares a huracanes, donde las nubes y los vientos giran rápidamente alrededor de los polos. Algunos son tan extraños como la estructura hexagonal observada en Saturno, pero ninguno de ellos es tan variable o inestable como el vórtice del polo sur de Venus. Este vórtice fue captado por primera vez en 1974 por la sonda Mariner 10. En abril de 2006 la llegada de la sonda Venus Express permitió un análisis detallado. El instrumento VIRTIS ha mostrado que el vórtice del polo sur venusiano tiene una forma y estructura interna muy variable, que cambia cada pocas horas terrestres. El vórtice puede tomar formas tipo «S» o tipo «8» o incluso formas irregulares de apariencia caótica. El nuevo artículo de David Luz y sus colegas afirma que esta gran variabilidad es debida a que el centro del vórtice no coincide con el polo sur geográfico. ¿Le pasa lo mismo al vórtice del polo norte? No se sabe, aunque los autores del artículo creen que así podría ser. El problema es que la misión Venus Express tiene una órbita muy elíptica y pasa muy cerca del polo norte, por lo que sólo puede observar una pequeña región de la atmósfera. Reconstruir la dinámica de dicho vórtice requerirá el desarrollo de nuevas técnicas de análisis. Quizás antes de 2014, cuando la Venus Express deje de enviar datos, se puede verificar si la dinámica del vórtice septentrional es tan variable como la del meridional.
Un vídeo de youtube publicado hace sólo dos semanas que se ha visto más de 820 000 veces. Un vídeo de youtube citado en Microsiervos: «Explosión sónica «visible» de un cohete Atlas V,» 19 feb. 2010, donde Nacho afirma «Espectacular vídeo del despegue de un cohete Atlas V el pasado 11 de febrero en el que son visibles las ondas producidas por la la explosión sónica que se produce cuando éste supera la velocidad del sonido (Mach 1, ~ 1.235 km/h) durante su ascensión.» Un vídeo citado en blogs por doquier, por ejemplo, «Visualizando una onda de choque supersónica,» Teleobjetivo, 21 de Febrero de 2010. Un vídeo que no llegó a portada en Menéame. ¿Por qué? Hay dos opciones, o en Menéame son muy listos, o el meneador que meneó el vídeo (a través de Microsiervos) tuvo mala suerte.
No sé si seré capaz de explicar de forma convincente la física del fenómeno. Aún así, me apetece dedicarle una entrada en este blog. Antes de nada, permitidme recordaros el vídeo (en versión a cámara lenta) y enlaces a otros vídeos que también muestran el fenómeno.
La mayoría de las personas, tras ver estos vídeos, piensan que están viendo la onda de choque que se produce cuando el cohete Atlas V atraviesa la barrera del sonido de la misma forma que se ve en la explosión de este vídeo de Mythbusters (aquí otro ejemplo). La animación gráfica de explosiones requiere este tipo de efectos, sino nos resulta engañosa (sobre todo a los físicos que nos fijamos en dichos fenómenos) como nos cuenta Ashkar en su blog «Curiosidad Científica.»
¿Realmente las ondas que se ven en el vídeo son producidas por la onda de choque (explosión sónica) del cohete Atlas V? Si es así deben aparecer más o menos el cohete alcanza la velocidad del sonido. El vídeo muestra lo que parece un cono de vapor (singularidad de Prandtl–Glauert) en el cohete justo cuando empiezan a observarse las ondas, cono de vapor que desaparece más adelante en el vídeo (la verdad es que yo no lo veo demasiado claro). Este tipo de cono aparece en muchos aviones supersónicos justo antes de que se atraviese la barrera del sonido. Por otro lado, un cálculo por «la cuenta de la vieja» que parte del plan de vuelo del Atlas V (pág. 19) parece que ratifica que el cohete ha alcanzado la velocidad del sonido. La aceleración vertical media esperada a los 75 s. del lanzamiento es de 1’4 g, luego el vehículo se mueve con una aceleración vertical de 0’4 g que nos da una velocidad de 0’4 g*75 = 294 m/s, que casi coincide con el valor de la velocidad del sonido a 11 km de altura, unos 295 m/s (unos 1062 km/h). Por cierto, el valor que Nacho de Microsiervos indica, 1235 km/h, es incorrecto ya que es la velocidad del sonido a ras de suelo.
Buscando en la web uno encuentra múltiples discusiones de este vídeo, en la mayoría siempre hay alguien que se pregunta ¿por qué las ondas que se ven en el vídeo no son visibles cuando un avión militar rompe la barrera del sonido? Hay infinidad de fotos y vídeos y ninguno muestra ondas esféricas como las que vemos en el vídeo del cohete Atlas V. ¿Tiene algo que ver el parhelio («sun dog» en inglés)? Muchos creen que es la clave ya que tras el paso del cohete este fenómeno óptico parece disminuir hasta desaparecer.
El parhelio es un fenómeno óptico muy curioso debido a la refracción de la luz del Sol en una capa de cristales que se encuentren alineados verticalmente. El parhelio es parecido a un halo con ciertas tonalidades de tipo arcoiris y con un tamaño angular de unos 22º. La desaparición del parhelio parece indicar que el cohete o la onda de choque atraviesan una capa de cristales alineados verticalmente rompiendo su alineamento y destruyendo este efecto óptico. Este tipo de capas de cristales son típicas en la parte superior (llamada yunque) de nubes como los cirros y los cumulonimbos (las nubes que aparecen en el vídeo son cirros). No sé si lo sabéis pero la cobertura nubosa suele acabar justo en el inicio de la tropopausa y el yunque, la parte superior de las nubes altas, indica su posición aproximada. La tropopausa es la zona de la atmósfera donde se produce la transición entre la troposfera (la parte baja de la atmósfera, donde vivimos nosotros) y la estratosfera. Esta capa se encuentra entre 10 y 11 km de altura y es una capa de la atmósfera en la que la temperatura se mantiene constante (después de decrecer linealmente con la altura en la troposfera y antes de comenzar nuevamente a aumentar en la estratosfera).
Las ondas que se ven en el vídeo tienen toda la pinta de ser debidas al cambio de índice de refracción de la atmósfera debido a un cambio de temperatura y/o densidad del aire (el fenómeno que estamos acostumbrados a ver en los espejismos, por ejemplo, en la capa de aire caliente en el asfalto en una carretera). El aire caliente es menos denso y por tanto tiene un índice de refracción menor. Para un gas, el índice de refracción (n) es proporcional a la densidad del gas (ρ), lo que se expresa por la relación (o ley) de Dale-Gladestone, que se escribe n–1 = K ρ = K p/(RT), donde donde K depende del gas, p es la presión, T la temperatura y R la constante de los gases. Una variación de la presión o de la temperatura conduce a un cambio en el índice de refracción dado por Δn = K Δρ = (K/R) (Δp/T – p ΔT/T²).
¿Puede provocar una onda de choque ondas como las que vemos en el vídeo? No, no lo creo. Las variaciones de la densidad provocadas por una onda de choque tienen una forma general en onda N (ver figura de la izquierda) con cierta «estructura» cerca del objeto que se propaga a velocidad supersónica que depende de su forma. No muy lejos de este objeto («far field«) la forma en N es dominante. Sin embargo en el vídeo vemos ondas dispersivas muy similares a las que observamos cuando tiramos una piedra en un estanque de agua. No pueden ser resultado de la onda de choque y por tanto no nos permiten «ver» cómo el cohete atraviesa la barrera del sonido.
En mi opinión lo que vemos son ondas internas, también llamadas ondas gravitatorias, ondas producidas en la interfase entre dos fluidos con densidad (o temperatura) diferentes. Estas ondas internas son provocadas porque el cohete, o quizás la onda de choque que acaba de producirse cuando rompe la barrera del sonido, atraviesa una capa delgada en la que la temperatura cambia bruscamente (quizás el límite inferior de la tropopausa) produciendo ondas de temperatura que se propagan por la capa delgada (como si vibrara dicha capa como la superficie del agua del estanque). Hay que recordar que la tropopausa es una región en la que la temperatura es muy uniforme, es como el agua en la superficie de un estanque tranquilo. La penetración del cono sónico en esta región provoca un foco de ondas de temperatura que se propagan en la frontera de la tropopausa. Son ondas dispersivas y disipativas, como las de la superficie de un estanque. En mi opinión, lo que vemos en el vídeo es el resultado del cambio de índice de refracción debido a la propagación de ondas internas del campo de temperatura en la tropopausa. ¿Por qué desaparece el parahelio? Seguramente orque la onda de choque reorienta los cristales de tal forma que dejan de estar alineados. Los cristales tienen mucha inercia por lo que creo que no están directamente involucrados en la generación de la ondas que vemos en el vídeo.
¿Es necesario que el cohete supere la barrera del sonido para que se produzcan las ondas que vemos? Obviamente, cuando más grande es la piedra que cae en el estanque más amplitud inicial tienen las ondas que se observan en la superficie del agua. Yo creo que la onda de choque se produce antes de atravesar la tropopausa y que es el cono supersónico el que inicia la generación de las ondas (la onda en N de gran intensidad que define el borde del cono). Es decir, no creo que se vean las ondas del cono supersónico en el vídeo, sino ondas generadas por el choque entre este cono supersónico con una capa de atmósfera en la que la temperatura cambia de forma rápida, capa en la que se encuentran los cristales orientados verticalmente que son responsables del parhelio visible en el vídeo.
Los físicos lectores de este blog pueden comentar qué les parece mi explicación y si les convence.
PS (3 marzo 2010): En el comentario #3, Leo Cano nos propone una explicación alternativa. Sus supuestos son (1) «el cohete va a la velocidad del sonido,» bueno, o próxima, yo creo que ligeramente por encima, y (2) «se producen unas ondas que tienen forma esférica (eso es lo que se ve),» en realidad lo que se ve es la proyección, ondas circulares que no tienen por qué ser esféricas. «POSIBILIDAD 1: ¿Van esas ondas por “encima del cohete”? Imposible.» Estoy de acuerdo. «POSIBILIDAD 2: ¿Están esas ondas a la misma altura que el cohete, como si fuera la superficie de un estanque?» Esto es lo que yo creo y propongo en la entrada. «POSIBILIDAD 3: “vulgar” onda de presión esférica (o cónica-del-tipo-barrera-del-sonido-por-debajo-del-cohete) de lo más corriente y moliente, producida desde la punta del cohete cuando supera la barrera del sonido.» LEO CREE QUE la respuesta correcta es la tercera. «Podría ser el mismo frente de tipo cónico por debajo del cohete que vemos en las ilustraciones de superación de la barrera del sonido típicas …»
En mi opinión, la posibilidad 3 no es correcta (y por eso escribí esta entrada en mi blog). Veamos cuál es mi argumento (por supuesto, no pretendo convencer a nadie, sólo ofrezco mi opinión al respecto en espera de opiniones como la de Leo que me lleven la contra). Veamos la siguiente imagen… extraída de uno de los vídeos.
El parhelio muestra el color rojo a la derecha, blancos en medio y azules a la izquierda, luego el Sol se encuentra a unos 22º desde la posición del observador a la derecha del vídeo. En realidad los colores rojos están a unos 21,54º y los colores azules a unos 22,37º, por lo que el parhelio subtiende un ángulo aparente de 1º. En los vídeos parece que las ondas se propagan desde el cohete y superan la posición de los colores rojos del parhelio. Viendo la figura y estimando por lo bajo, las ondas que se propagan desde el cohete subtienden un ángulo de unos 4º (de hecho a mí me parece que incluso llegan hasta 6º). El cono sónico de un cohete tiene un ángulo que depende del número de Mach del cohete. La siguiente figura la ilustra.
El coeficiente adiabático (specific heat ratio) para el aire (γ) en la atmósfera (en unidades del S.I.) es de 1’400 a temperatura ambiente y unos 1’401 a la temperatura de la tropopausa. Para alcanzar un ángulo de unos 4º se requiere un número de Mach de M=1’20 (como mínimo ya que el ángulo seguramente es mayor). Un 20% más de la velocidad del sonido que según el plan de vuelo del Atlas V se alcanzaría a unos 90 segundos (que no coincide con el momento según el vídeo en el que aparecen las ondas que se ven). De hecho, a los 92 segundos se produce la separación de la primera etapa del cohete, lo que claramente no se en el vídeo famoso. Por todo ello creo que la POSIBILIDAD 3 de Leo Cano se puede descartar. No sé qué opinaréis vosotros.
El metano (CH4) es un poderoso gas de efecto invernadero en las atmósferas planetarias. En la atmósfera terrestre, el que no tiene origen antropogénico, ha sido producido por bacterias anaerobias y microorganismos metanógenos. Por ello, las trazas de metano en la atmósfera de un planeta llevan a los astrobiólogos a pensar en vida extraterrestre. Por ejemplo, Titán, satélite de Saturno, presenta grandes cantidades de metano atmosférico, aunque se cree que es debido a la presencia de hielo superficial, rico en este compuesto. Se publica hoy en Nature la observación por primera vez de metano (emisión por fluorescencia de este compuesto) en un planeta extrasolar de tipo Júpiter, llamado HD 189733b, alrededor de una estrella de tipo Solar. Probablemente el origen de este metano es fotoquímico, se forma gracias al carbono, oxígeno e hidrógeno de su atmósfera por irradicación de su estrella. De hecho, la fluorescencia ocurre cuando un átomo absorbe un fotón, se excita a un nivel de energía más alto, y decae más tarde emitiendo luz con menor energía. La fluorescencia debida al metano observada por Swain et al. ya ha sido observada en planetas del sistema solar, como Júpiter y Saturno, y en Titán. En HD 189733b el fenómeno es muy intenso porque es un planeta tipo Júpiter muy cercano a su estrella (menos de una décima parte la distancia entre Mercurio y el Sol). El estudio de la atmósfera de los planetas extrasolares ofrecerá muchas sorpresas en los próximos años y habrá que estar atento a los nuevos descubrimientos. Nos lo cuenta Seth Redfield, «Extrasolar planets: Fluorescent methane spotted,» News and Views, Nature 463: 617-618, 4 February 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Mark R. Swain et al., «A ground-based near-infrared emission spectrum of the exoplanet HD 189733b,» Nature 463: 637-639, 4 February 2010.
A la pregunta del título de esta entrada (retórica) sobre las políticas de reducción de las emisiones he de contestar ¿las hay? El último estudio del Global Carbon Project estima que las emisiones de carbono han crecido un 3.5% anual entre los años 2000 y 2007, dato a comparar con el crecimiento estimado por el Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) de sólo un 2.7% y con las emisiones durante los 1990s, de sólo un 0.9% de crecimiento anual. Actualmente, China ha pasado a ser el mayor emisor del mundo de CO2, contribuyendo con un 21% a las emisiones totales, relegando a EEUU a un «honroso» segundo puesto con sólo el 19% del total. Rusia es el tercero, pero seguido de cerca por India. Datos publicados en «Carbon dioxide emissions rise to record levels,» Nature 455, 581, 1 October 2008 .
Los modelos de cambio climático predicen que las concentraciones atmosféricas de CO2 alcanzarán niveles no «vistos» en los últimos 25 millones de años (Ma.); de hecho, los datos paleoclimatológicos indican que la concentración de CO2 empezó a descender hace 45 Ma. y estuvo descendiendo hasta hace 25 Ma., momento en que se ha mantenido, más o menos constantes, hasta la actualidad (salvo el último siglo). Como nos recuerda Stephen F. Pekar, «Climate change: When did the icehouse cometh?,» Nature 455, 602-603, 2 October 2008 . Los modelos climáticos (que pueden estar equivocados) predicen que la concentración de CO2 se encontrará a finales del s. XXI entre 500 y 900 partes por millión (p.p.m.), niveles similares a los que hubo hace 45 Ma. En esta época la Tierra dejó de ser un mundo «verde» libre de hielo para convertirse en un mundo «helado» que sufre periodos glaciares.
¿Alguien sabe cuál es el impacto «real» de la concentración de CO2 en el clima terrestre o en el hielo de los polos? Pekar nos recuerda que los geólogos normalmente usan los datos de hoy para predecir el pasado, pero el pasado es la clave para predecir el futuro. ¿No es un círculo vicioso? Dado el enorme interés en los efectos del CO2 en el clima tando de los científicos como de la opinión pública, sorprende la gran incertidumbre actual sobre los efectos reales del CO2 en los casquete polares. El último estudio sobre el tema, Robert M. DeConto et al. , «Thresholds for Cenozoic bipolar glaciation,» Nature, 455: 652-656, 2 October 2008, trata de aclarar el tema utilizando modelos por ordenador, pero sus conclusiones son, para un lego como yo, cuando menos, discutibles. Su conclusión es que la Antártida se heló hace unos 33.6 Ma. mientras que el polo norte lo hizo más tarde, cuando los niveles de CO2 hace 25 Ma. alcanzaron los niveles de hace un siglo. Quizás porque se dieron circunstancias favorables de la órbita terrestre. Sin embargo, se necesitan nuevos datos experimentales para contrastar o refutar las tesis de DeConto et al.
Las predicciones hacia el pasado de los modelos de DeConto et al. dependen de las reconstrucciones de los niveles atmosféricos de CO2. Los datos más fiables se tienen en el hemisferio sur, en la Antártida, por ejemplo, los recientemente obtenidos por Jinho Ahn y Edward J. Brook, «Atmospheric CO2 and Climate on Millennial Time Scales During the Last Glacial Period,» Science, 322: 83-85, 3 October 2008 , quienes han reconstruido estos datos en el periodo que hace de 90 a 20 mil años. También se requieren datos fiables del nivel mar en el pasado, como los obtenidos por Bilal U. Haq y Stephen R. Schutter, «A Chronology of Paleozoic Sea-Level Changes,» Science, 322: 64-68, 3 October 2008 , para la era paleozoica desde hace 542 a 251 Ma. Han encontrado 172 eventos en los que el nivel del mar ha cambiado significativamente (evento eustático) con variaciones entre unas decenas de metros y hasta 125 metros (de altura respecto al nivel del mar actual, tanto hacia arriba como hacia abajo).
Pero, ¿cuál es la causa real del deshielo de glaciares en Groenlandia y en el casquete antártico oeste? ¿Realmente es el cambio climático? ¿Tiene algo que ver el régimen de viento? Parece ser que sí, como nos comenta Richard A. Kerr, «Winds, Not Just Global Warming, Eating Away at the Ice Sheets,» Science, 322: 33, 3 october 2008 . Cambios aleatorios en la circulación de los vientos que producen cambios en la circulación del agua en los océanos pueden ser los causantes del deshielo, en lugar del cambio climático. En Groenlandia parece que es así.
Lo dicho antes, el tema está que «arde» pero todavía queda muchísimo por conocer y científicamente, de forma fiable, es imposible predecir en la actualidad que va a pasar y se tienen muchas dudas sobre qué ha pasado. Lo que está claro es que todo está conectado, son muchísimos los factores que hay que tener en cuenta. El cambio climático es un hecho pero sus causas una gran incógnita. ¿Cómo se pueden hacer políticas efectivas para evitarlo si no se pueden evitar estas (ya que no se conocen)? Afortunadamente, «la ciencia avanza que es una barbaridad.»
Francis (th)E mule Science's News 
