Los investigadores desarrollaron un nuevo sistema lidar que se utilizó a bordo del avión de investigación alemán HALO (Avión de investigación de gran altitud y largo alcance) para adquirir las primeras mediciones simultáneas de la estructura vertical del vapor de agua y el ozono en la región de la tropopausa de la atmósfera. Crédito:DLR
Los investigadores han desarrollado un sistema basado en láser que se puede utilizar para la medición en el aire de importantes gases atmosféricos con una precisión y resolución sin precedentes. La capacidad de recopilar estos datos ayudará a los científicos a comprender mejor cómo estos gases atmosféricos afectan el clima y podría ayudar a mejorar las predicciones del cambio climático.
En la revista Optical Society Óptica aplicada , investigadores de Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) —Centro nacional de Alemania para la industria aeroespacial, Investigación sobre energía y transporte:describe cómo se utilizó su instrumento lidar a bordo de un avión para adquirir las primeras mediciones simultáneas de la estructura vertical del vapor de agua y el ozono en la región de la tropopausa de la atmósfera. Los investigadores dicen que el nuevo sistema podría incluso ser útil para monitorear los gases atmosféricos desde el espacio.
La tropopausa separa la capa de la troposfera con base en la superficie donde ocurre el clima de la estratosfera suprayacente que contiene la capa de ozono que protege la vida en la Tierra de la radiación dañina. Los científicos quieren estudiar el vapor de agua y el ozono en la tropopausa porque la distribución de estos gases atmosféricos en esta capa juega un papel crucial en el clima de la Tierra.
"La capacidad de detectar la estructura vertical del vapor de agua y el ozono es fundamental para comprender el intercambio de estos gases atmosféricos entre la troposfera y la estratosfera, "dijo Andreas Fix, quien dirigió el equipo de investigación. “Estas mediciones podrían ayudarnos a identificar errores e incertidumbres en los modelos climáticos que ayudarían a mejorar las predicciones del clima futuro, que es uno de los retos centrales para nuestra sociedad y economía ".
Obtener una perspectiva tridimensional
Los gases atmosféricos se pueden evaluar con instrumentos enviados a la atmósfera o con datos adquiridos de satélites. Sin embargo, estos métodos no han podido proporcionar una imagen completa de la distribución del gas atmosférico porque carecen del componente vertical o no proporcionan una resolución lo suficientemente alta. Aunque los instrumentos transportados con globos, conocidos como sondas de globo, pueden proporcionar perfiles verticales de alta resolución, no ofrecen una resolución temporal detallada y solo se pueden utilizar en sitios seleccionados.
El nuevo sistema lidar se utilizó para mediciones atmosféricas en el aire durante la misión de intercambio isentrópico impulsado por ondas (WISE). que involucró múltiples vuelos de largo alcance sobre el Atlántico norte y el norte de Europa. Crédito:DLR
Para solucionar estos problemas, los investigadores desarrollaron un sistema lidar que utiliza luz láser para medir el ozono y el vapor de agua al mismo tiempo. Su enfoque llamado lidar de absorción diferencial (DIAL), utiliza dos longitudes de onda ultravioleta ligeramente diferentes para medir cada gas. La radiación ultravioleta en una longitud de onda es absorbida principalmente por las moléculas de gas, mientras que la mayor parte de la otra longitud de onda se refleja. La medición de la relación de las señales UV que regresan de la atmósfera permite calcular un perfil de gas detallado.
Los perfiles de gas creados con el nuevo sistema lidar exhiben una resolución vertical de alrededor de 250 metros y una resolución horizontal de unos 10 kilómetros por debajo de la trayectoria de vuelo de la aeronave.
"Esta capacidad vertical es un avance significativo en el estudio de los procesos de intercambio en la tropopausa, ", dijo Fix." Ayuda a superar las deficiencias significativas en la resolución de la distribución a gran escala que han dificultado la comprensión de los procesos responsables del intercambio en la tropopausa ".
Lograr la eficiencia energética
Para realizar este método a bordo de un avión, Los investigadores utilizaron un oscilador paramétrico óptico (OPO) de alta eficiencia que desarrollaron previamente para convertir la salida del láser a las longitudes de onda UV necesarias para medir el vapor de agua y el ozono. "La conversión debe ser muy eficiente desde el punto de vista energético para generar radiación ultravioleta con energías de pulso adecuadas y una potencia media alta a partir de la energía limitada disponible a bordo de un avión, "explicó Fix.
Las pruebas del nuevo sistema lidar mostraron que su precisión coincidía bien con la de las sondas de globo. En 2017, los investigadores volaron el nuevo sistema a bordo de la misión de intercambio isentrópico impulsado por olas (WISE), que involucró múltiples vuelos de largo alcance sobre el Atlántico norte y el norte de Europa. Descubrieron que el instrumento funcionaba muy bien, permaneció estable durante el uso y pudo medir las distribuciones características de ozono y vapor de agua en la tropopausa.
Los investigadores planean analizar los nuevos datos de componentes verticales adquiridos durante WISE e integrarlos en modelos climáticos. Esperan utilizar el instrumento para recopilar datos sobre gases atmosféricos a bordo de vuelos futuros.
