Cuando los aviones comerciales atraviesan las nubes para alcanzar la altitud de crucero, normalmente han llegado a la estratosfera, la segunda capa de la atmósfera terrestre. El aire allá arriba es seco y claro y mucho más tranquilo que la atmósfera turbulenta que experimentamos en tierra.

Y todavía, por toda su aparente tranquilidad, la estratosfera puede ser una poderosa cinta transportadora, tirando aire hacia arriba de la región ecuatorial de la Tierra y empujándolo hacia los polos en un patrón de circulación continua. La fuerza de esta circulación puede afectar significativamente la cantidad de vapor de agua, productos químicos, y ozono transportado por todo el planeta.

Ahora los científicos del Departamento de Tierra del MIT, Las Ciencias Atmosféricas y Planetarias (EAPS) han determinado por primera vez la fuerza de la circulación de la estratosfera, basado en observaciones de sustancias químicas clave que viajan dentro de esta capa atmosférica.

En un artículo publicado hoy en la revista Naturaleza Geociencia , el equipo informa que la estratosfera extrae alrededor de 7 mil millones de kilogramos de aire a través de los trópicos por segundo, en todo el mundo, a una altitud de unos 20 kilómetros. Los investigadores estiman que la porción promedio de aire puede pasar alrededor de 1,5 años dentro de esta capa antes de volver a circular hacia las capas más bajas de la atmósfera.

La nueva estimación puede ayudar a los científicos a medir dónde y durante cuánto tiempo el vapor de agua, ozono, y los gases de efecto invernadero permanecen dentro de la estratosfera. Los científicos también pueden utilizar el método del equipo para determinar cambios futuros en la fuerza de la estratosfera, información esencial para rastrear la recuperación del agujero de ozono y la progresión del calentamiento global.

Los autores principales del artículo son Marianna Linz, un ex estudiante de doctorado en EAPS que ahora es un postdoctorado en la Universidad de California en Los Ángeles; y Alan Plumb, profesor emérito en EAPS; junto con investigadores de la Universidad de Nueva York, Instituto de Tecnología de Karlsruhe, el Centro Nacional de Investigaciones Atmosféricas, Universidad de Cambridge, y Caltech.

Vueltas químicas

La circulación de la estratosfera es conocida por los científicos como el vuelco meridional, refiriéndose al patrón en el que el aire es arrastrado hacia la estratosfera cerca del ecuador y transportado a lo largo de los meridianos de la Tierra, o líneas longitudinales, antes de volver a bajar por los polos. Los científicos han intentado medir la fuerza de este vuelco de la circulación, concentrándose principalmente en la velocidad a la que el vapor de agua se eleva a través de la estratosfera cerca del ecuador.

"Otros han mirado esta región del ecuador donde piensan que la mayoría de las cosas están subiendo, y han tratado de caracterizar esto usando vapor de agua, ", Dice Linz." Pero eso es solo mirar esta región estrecha, y es difícil inferir cómo se ve el resto de la circulación ".

Linz, Sondear, y sus colegas adoptaron un enfoque más global, haciendo uso de mediciones atmosféricas de dos sustancias químicas atmosféricas, hexafluoruro de azufre y óxido nitroso, tomadas alrededor del mundo por satélites, globos meteorológicos, y aviones. Consideraron que estos productos químicos eran candidatos ideales para realizar un seguimiento, ya que no tienen "sumideros estratosféricos, "o métodos por los cuales la concentración de estos gases cambiaría una vez que alcanzaran la estratosfera.

"El pensamiento es que lo que sube debe bajar, "Dice Linz.

Los científicos recopilaron mediciones de ambos productos químicos entre 2007 y 2011, con la idea de estimar cuánto tardaron estos químicos en entrar, luego salir, la estratosfera. Ellos seleccionaron a través de las medidas, anotar las concentraciones de cada sustancia química en determinadas parcelas de aire a lo largo de la estratosfera
en varios lugares y altitudes.

En particular, buscaron en el tiempo para identificar paquetes de aire que se elevaban en los trópicos, y después, paquetes de aire con la misma concentración de productos químicos, siendo arrastrado hacia abajo en los polos.

Razonaron que el lapso de tiempo entre el ascenso y el hundimiento indicaría el tiempo que el paquete pasó en la estratosfera. Un simple cálculo teniendo en cuenta la masa total de aire en la estratosfera, daría la velocidad a la que esa parcela viajó a través de la estratosfera, que refleja esencialmente la fuerza de la circulación.

"Si piensas en una pista de carreras, y alguien dando una vuelta en esa pista, puedes medir el tiempo que entraron en la pista, y el momento en que salieron de ella, y puedes calcular su velocidad promedio alrededor de la pista si conoces la distancia de la pista, "Explica Plumb." Así que esto es así, en cierto sentido."

El aire allá arriba

El equipo realizó estos cálculos y promedió los resultados para varias altitudes a lo largo de la estratosfera. Sus cálculos para ambos productos químicos coincidieron casi perfectamente a altitudes más bajas de alrededor de 20 kilómetros, produciendo una fuerza de circulación de aproximadamente 7 mil millones de kilogramos por segundo, comparable en magnitud a la fuerza del vuelco de la circulación en el océano.

"Lo más importante que hay que saber en términos de impactos sobre el cambio climático y el ozono es cómo es esta fuerza de circulación a esta menor altitud, porque eso es lo que suministra productos químicos a la estratosfera, "Dice Plumb.

Linz y Plumb compararon su estimación con las predicciones de la circulación estratosférica realizadas por varios modelos climáticos, y encontraron que su estimación concordaba con algunos modelos pero no con otros. Linz dice que la nueva estimación del equipo, y el método para calcular la fuerza de la estratosfera, puede ayudar a mejorar las predicciones de modelos de calentamiento y desarrollo de ozono.

"Si los modelos climáticos se equivocan en su circulación estratosférica, probablemente se equivocan en la distribución del ozono, que tendrá un impacto definitivo en las tendencias [previstas] para el calentamiento global, "Dice Linz." Así que tener este punto de referencia es realmente valioso ".

Los investigadores están trabajando para obtener más mediciones, más alto en la estratosfera, para caracterizar mejor la fuerza de la estratosfera en altitudes más altas, así como dentro de las capas más bajas.

"Tenemos estos datos y podemos decir cuál es la fortaleza en este nivel, pero como no tenemos los datos más arriba, no podemos decir casi tanto. Entonces realmente necesitamos mejores observaciones en la estratosfera superior, "Dice Linz.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.