Llevando el monitoreo del clima hacia el futuro con cuántica

La mayoría de nosotros probablemente no asociaríamos normalmente el campo de gravedad de la Tierra con el clima; pensaríamos en él como la fuerza fundamental de la naturaleza que mantiene a nuestro planeta en órbita alrededor del Sol y lo que mantiene unido a nuestro mundo. Sin embargo, la fuerza de nuestro campo de gravedad varía de un lugar a otro, y algunas de estas pequeñas variaciones en realidad están vinculadas a aspectos de nuestro planeta que están conectados con el cambio climático.

Las variaciones en el campo de gravedad se deben a una serie de factores, como la rotación de la Tierra, la posición de las montañas y las fosas oceánicas y las variaciones en la densidad del interior de la Tierra. Pero las variaciones más pequeñas en el tiempo y la ubicación se deben a otros factores, como las fluctuaciones en los depósitos de agua subterránea y los cambios en la masa de hielo. Por lo tanto, tener un modelo realmente preciso del campo de gravedad y poder mostrar cambios a lo largo del tiempo es importante para comprender cuestiones como la disminución de los recursos de agua dulce, la pérdida de masa de hielo de las capas de hielo y los glaciares y el cambio del nivel del mar, que son síntomas de la crisis climática.

Entre 2009 y 2013, la misión del satélite GOCE de la ESA mapeó el campo de gravedad en detalle. Esto dio como resultado un modelo único del geoide, que es la superficie de igual potencial gravitacional definida por el campo de gravedad. El modelo ha sido la base de muchos trabajos de investigación publicados sobre las complejidades del interior de la Tierra. Pero el geoide GOCE también ha sido clave para ceder al cambio del nivel del mar y los patrones de circulación oceánica, por ejemplo.

En 2002, se lanzó la misión del satélite en tándem GRACE de EE. UU. y Alemania para medir la atracción local de la gravedad a medida que el agua se desplaza alrededor de la Tierra debido al cambio de las estaciones, el clima y los procesos climáticos. También se usó para monitorear la pérdida de masa de hielo de las capas de hielo y ofreció información sobre los recursos de agua subterránea. En 2018, se lanzó la misión GRACE Follow-On para ampliar estas mediciones.

Estas tres misiones sin duda han revolucionado nuestra comprensión del campo gravitatorio y los procesos dinámicos relacionados con el transporte de masas y sus mecanismos de ensamblaje.

Volviendo al mayor desafío ambiental al que se enfrenta la sociedad, el cambio climático, todo indica que la crisis climática está empeorando, e incluso si logramos alcanzar el objetivo de limitar el aumento de la temperatura global a 1,5 °C, los efectos perjudiciales serán mayores. de larga duración.

Los satélites en órbita hoy y los que se planean para el futuro son fundamentales para proporcionar datos globales para comprender cómo funciona la Tierra y cómo se ve afectada por el cambio climático, y para evaluar si las políticas climáticas están siendo efectivas. Con tanto en juego, es igualmente fundamental desarrollar tecnologías espaciales completamente nuevas para más adelante, para misiones satelitales que podrían lanzarse en la próxima década.

Las tecnologías emergentes de átomos fríos que explotan la naturaleza ondulatoria de la materia están mostrando un potencial real para mejorar la forma en que se realizan las mediciones desde el espacio, particularmente para medir la gravedad, que fue el tema de las sesiones en profundidad del Simposio Living Planet de la ESA.

Además, explotar la ‘revolución cuántica’ con misiones cuánticas para el clima es uno de los componentes clave de Acelerador de la ESA: Espacio para un futuro verde, que impulsa datos, ciencia, tecnología, aplicaciones y servicios avanzados para una vida sostenible en la Tierra. El Acelerador brindará a los tomadores de decisiones, la industria y la sociedad europeas el apoyo que necesitan para ayudar a lograr la neutralidad de carbono para 2050.

La idea es que los futuros sensores cuánticos combinen los principios de las mediciones de gravimetría actuales con la ‘interferometría de átomos fríos’.

Esto implica el uso de láseres para congelar los átomos dentro del instrumento hasta casi el cero total, que es −273,15 °C. Luego, los láseres se apagan para que los átomos puedan moverse libremente en respuesta a la fuerza del campo de gravedad. La medición de la diferencia de fase a través de la interferometría a medida que los átomos ‘caen’ de acuerdo con la atracción de la gravedad proporcionará mediciones del campo de gravedad a medida que el satélite orbita alrededor de la Tierra.

Similar a un reloj atómico que proporciona una medida absoluta del tiempo, la interferometría de átomos fríos proporcionaría una medida absoluta de las variaciones de las fuerzas gravitatorias detectadas por los satélites, en particular las del campo gravitatorio de la Tierra.

Oliver Carraz, físico cuántico que trabaja en la ESA, dijo: “La teoría ya se ha probado en las últimas décadas en laboratorios y también ha habido un gran impulso para probar el concepto fuera del laboratorio. La ESA ha llevado a cabo una campaña de gravedad aerotransportada en Islandia y se han realizado experimentos en Francia que han alcanzado lo último en gravimetría aerotransportada. También hay ahora algunos gravímetros cuánticos comerciales basados ​​en tierra. Además, la NASA tiene un laboratorio de átomos fríos en la Estación Espacial Internacional desde hace algunos años. Este laboratorio, que ha sido acuñado como el ‘lugar más frío del Universo’, está arrojando resultados muy alentadores”.

El Prof. Jürgen Kusche, de la Universidad de Bonn, dijo: “La teoría del uso de sensores de gravedad cuántica en el espacio para medir la gravedad es relativamente simple. Sin embargo, el desafío es desarrollar la tecnología satelital robusta que proporcione la vida útil de la misión y la cobertura de alta resolución que necesitamos.

“Si bien todavía faltan algunos años para que la tecnología sea lo suficientemente avanzada como para que la ESA y sus socios construyan una misión satelital dedicada que utilice tecnología de átomos fríos para medir la gravedad, los científicos están trabajando arduamente para que esto sea una realidad en el futuro. El Simposio Living Planet ha sido una excelente oportunidad para compartir los últimos avances con la comunidad científica, los políticos, las entidades comerciales y más”.

Ilias Daras, de la ESA, señaló: “A corto plazo, como parte de su programa FutureEO, la ESA junto con la NASA también están trabajando ahora en la realización de la constelación de gravedad MAGIC, que medirá los procesos de transporte de masa con mayor precisión, a una escala espacial y temporal mucho mayor. resolución, que las actuales misiones de última generación.

“MAGIC mejorará las observaciones de cambio de masa del almacenamiento de agua subterránea, la circulación oceánica, el nivel del mar, las capas de hielo y los glaciares utilizando la tecnología actual para responder a la necesidad actual de más y mejores mediciones de la gravedad.

«Sin embargo, también es importante mirar más hacia el futuro, por lo que desarrollar sensores cuánticos de átomos fríos para el clima es un tema candente y esperamos que sea una realidad en aproximadamente 15 años».