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Ciencia Maker: Cómo medir la capa de ozono en casa
El "bloqueador solar" atmosférico de la Tierra es vital para la vida. Determina su altitud máxima con este instrumento hecho por ti mismo.
- Tiempo requerido: Un fin de semana
- Dificultad: Moderada
- Precio: USD 80–350
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Imagen destacada por NASA. Todas las demás imágenes por Forrest M. Mims III.
La capa de ozono envuelve toda la Tierra y nos protege a todos —animales y plantas— de la mayoría de los peligrosos rayos ultravioleta del sol. Aunque existe algo de ozono en la superficie, la capa principal comienza en la base de la estratosfera, justo por encima de la troposfera donde vivimos y donde ocurren los fenómenos meteorológicos. Este límite se denomina *tropopausa*.
Puedes observar dónde se fusiona la tropopausa con la estratosfera cuando hay una tormenta eléctrica importante cerca. La parte superior en forma de yunque de estas tormentas se aplana precisamente en la tropopausa.
Los astronautas pueden ver la capa de ozono cuando el sol está justo debajo del horizonte. La imagen destacada arriba es una fotografía de 2014 tomada por astronautas a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS) al atardecer sobre Papúa Nueva Guinea, que muestra una gran nube de tormenta sobre Australia a 1.500 km (900 millas) de distancia. La capa naranja es la troposfera superior. La estratosfera comienza en la tropopausa justo encima de la nube de tormenta, y la capa azul gruesa es la sección principal de la capa de ozono. (Para más detalles, busca en línea “ISS041-E-105277”). El azul más claro es la mesosfera.
La foto de la ISS sugiere que el ozono forma una capa protectora gruesa. Pero si todo el ozono sobre tu cabeza fuera llevado al nivel del mar, la presión atmosférica lo comprimiría a una capa de solo 2,5 a 3,5 milímetros de espesor (0,1 a 0,14 pulgadas). ¡Eso es aproximadamente el grosor de una pila de dos monedas de un centavo!
En el centro de los Estados Unidos, el espesor máximo de la capa de ozono ocurre a una altitud de alrededor de 25 km (15,5 millas), y se adelgaza alrededor de los 40 km (24,85 millas). Debido a la interferencia de aerosoles, un fotómetro de crepúsculo puede medir la altura de la capa de ozono con mucha más precisión que el perfil completo.
Esto muestra cómo la altitud máxima de la capa de ozono puede cambiar significativamente durante un solo día cuando ocurren perturbaciones estratosféricas. Al menos eso es lo que sugirió Grok cuando reporté este par inusual de gráficos, los cuales fueron realizados desde mi campo en Texas durante la mañana y la tarde del mismo día.
Puedes ver varios perfiles de ozono medidos por satélites buscando en línea o utilizando Grok, ChatGPT y otros recursos de IA.
NOTA: La mayoría de los gráficos de la capa de ozono muestran el pico de ozono en el lado derecho del gráfico. Esto se invierte al trazar datos de fotómetros de crepúsculo, los cuales indican una disminución en la señal de crepúsculo cuando el ozono está presente.
Los científicos atmosféricos rastrean la altitud de la capa de ozono debido a su papel en la circulación atmosférica, las precipitaciones y los estudios sobre la recuperación del ozono tras las pérdidas causadas por los CFC. Yo rastreo su altitud por las mismas razones, y para buscar cambios inesperados causados por razones desconocidas.
Medir la altura máxima de la capa de ozono es el objetivo de este artículo. Seguiremos los pasos del pionero del ozono F.W.P. Götz, quien en 1930 realizó las primeras mediciones de la altura de la capa de ozono sobre Arosa, Suiza, con un voluminoso espectrofotómetro Dobson apuntando al sol. Estoy muy familiarizado con este instrumento, ya que en 2016 calibré el Dobson estándar mundial para la NOAA durante dos meses en el Observatorio Mauna Loa de Hawái.
Extraer la altura de la capa de ozono de las mediciones Dobson no es simple, por lo que ahora hay mucho más interés en los datos de ozono satelitales. He querido desarrollar durante mucho tiempo un método terrestre mucho más simple basado en la fotometría de crepúsculo.
Aunque la absorción más fuerte del ozono ocurre en las longitudes de onda ultravioleta (UV), el químico y físico francés James Chappuis descubrió en 1880 que una banda amplia de luz visible con picos en 575 nm (amarillo) y 603 nm (naranja) también es absorbida por el ozono. En 1954, O.R. Wulf del Observatorio Astrofísico Smithsonian encontró variaciones en la columna de ozono durante el crepúsculo causadas por esta *absorción de Chappuis*.
Finalmente logré medir la altura de la capa de ozono con un fotómetro de crepúsculo el 20 de julio de 2016, en el Observatorio Mauna Loa, usando un LED de 620 nm como detector (pico de detección alrededor de 600 nm) y un amplificador operacional con una enorme resistencia de retroalimentación de 20 gigohms (GΩ). La altura máxima de la capa de ozono obtenida por el fotómetro fue de 25,3 km (15,7 millas), mientras que un ozonómetro lanzado en globo desde Hilo midió la altura máxima en 25,9 km (16,1 millas), una diferencia de solo 0,6 km (0,4 millas) o aproximadamente un 2,5%.
Fotometría de crepúsculo
Es bastante sorprendente que un instrumento portátil pueda medir con precisión la altura de la tropopausa (10–15 km o 6,2–9,3 millas), capas de aerosoles (5–25 km o 3,1–15,5 millas), la capa de ozono (25–35 km o 15,5–21,8 millas) e incluso el humo de meteoros en la termosfera (80–110 km o 49,7–68,4 millas).
Puedes obtener estos resultados durante el crepúsculo apuntando directamente hacia arriba al cielo con un fotodiodo filtrado o un LED conectado a un amplificador de alta ganancia. Este instrumento es un *fotómetro de crepúsculo, y los detalles de construcción de uno de mis primeros modelos fueron publicados en Make: Volume 44 (makezine.com/projects/twilight-photometer) y también en mi libro Make: Forrest Mims’ Science Experiments*.
Aquí cubriremos cómo se puede lograr la fotometría de crepúsculo con un LED adecuado montado en el foco de un pequeño telescopio. El telescopio se apunta directamente hacia arriba durante una hora o más antes del amanecer, o después del atardecer. El LED observará la luz desde el borde de la sombra de la Tierra a medida que sube o baja en altitud durante el crepúsculo. La señal del LED se amplifica, se almacena en un registrador de datos y posteriormente se procesa en un programa de hoja de cálculo como Excel.
Mi investigación en fotometría de crepúsculo descrita en Make: condujo a una asignación del Dr. Dong Wu de la NASA para desarrollar fotómetros de crepúsculo con el fin de medir la altitud de los aerosoles de la histórica erupción del volcán submarino Hunga Tonga en 2022. Para ese proyecto, contraté a Hagerup Technical Services para construir cinco fotómetros de crepúsculo utilizando LEDs como fotodiodos.
Mientras realizaba las mediciones de aerosoles del Hunga Tonga, noté que los fotómetros de la NASA encontraban la altitud de la tropopausa al detectar un cambio sutil en los aerosoles que ocurre allí. Investigadores anteriores mencionaron esta posibilidad, pero nunca la siguieron. Nuestras numerosas mediciones de crepúsculo estuvieron dentro de un pequeño porcentaje de la tropopausa medida por globos meteorológicos lanzados por el Servicio Meteorológico Nacional. Este hallazgo fue tan significativo que Dong y yo escribimos un artículo formal en 2024, “Tropopause Height Inferred from Twilight Photometry” en el Bulletin of the American Meteorological Society (doi.org/10.1175/BAMS-D-24-0054.1).
La tropopausa es el límite entre la troposfera, donde ocurre el clima, y la muy estable estratosfera, donde ocurre la capa de ozono. Típicamente se encuentra entre 9 y 12 km (5,6 a 7,5 millas) de altura sobre los EE. UU. Cuando es posible, los pilotos de aeronaves prefieren volar por encima de la tropopausa donde el aire es mucho más estable.
Fotómetro de crepúsculo de alta sensibilidad para la capa de ozono
Mis primeros fotómetros de crepúsculo utilizaban amplificadores operacionales convencionales de bajo ruido con resistencias de retroalimentación de ultra alta resistencia.
Los fotómetros inspirados en la NASA utilizaron un telescopio de 1 pulgada y un Analog Devices ADA4530, un amplificador operacional de montaje en superficie (SMD) relativamente costoso que puede amplificar la fotocorriente de un LED.
Vía Make Magazine.
