Las nubes noctilucentes (NLC) , o nubes de brillo nocturno , [1] son fenómenos tenues similares a nubes en la atmósfera superior de la Tierra . Cuando se observan desde el espacio, se denominan nubes mesosféricas polares (PMC) , detectables como una capa difusa de dispersión de cristales de hielo de agua cerca de la mesopausia polar de verano . Consisten en cristales de hielo y desde el suelo solo son visibles durante el crepúsculo astronómico . Noctilucente significa aproximadamente "noche brillante" en latín . Se observan con mayor frecuencia durante los meses de verano desde latitudes entre ±50° y ±70°. Demasiado tenues para ser vistas a la luz del día , son visibles solo cuando el observador y las capas inferiores de la atmósfera están a la sombra de la Tierra , pero mientras estas nubes muy altas aún están a la luz del sol . Estudios recientes sugieren que el aumento de las emisiones atmosféricas de metano produce vapor de agua adicional a través de reacciones químicas una vez que las moléculas de metano alcanzan la mesosfera, creando o reforzando las nubes noctilucentes existentes. [2]
Son las nubes más altas de la atmósfera de la Tierra, ubicadas en la mesosfera a altitudes de alrededor de 76 a 85 km (249.000 a 279.000 pies).
No existe ningún registro confirmado de su observación antes de 1885, aunque es posible que Thomas Romney Robinson los haya observado unas décadas antes en Armagh . [3] Ahora existen dudas sobre los registros fuera de temporada de Robinson, en parte como resultado de las observaciones, desde varios puntos alrededor de altas latitudes del norte, de fenómenos similares a la NLC después de la entrada del superbólido de Cheliábinsk en febrero de 2013 (fuera de la temporada de la NLC) que en realidad eran reflejos de polvo estratosférico visibles después del atardecer. [ cita requerida ]
Las nubes noctilucentes están compuestas de diminutos cristales de hielo de agua de hasta 100 nm de diámetro [4] y existen a una altura de aproximadamente 76 a 85 km (249.000 a 279.000 pies), [5] más alta que cualquier otra nube en la atmósfera de la Tierra. [6] Las nubes en la atmósfera inferior de la Tierra se forman cuando el agua se acumula en partículas, pero las nubes mesosféricas pueden formarse directamente a partir del vapor de agua [7] además de formarse en partículas de polvo. [8]
Los datos del satélite Aeronomy of Ice in the Mesosphere sugieren que las nubes noctilucentes requieren vapor de agua, polvo y temperaturas muy frías para formarse. [9] No se conocen con certeza las fuentes tanto del polvo como del vapor de agua en la atmósfera superior . Se cree que el polvo proviene de micrometeoros , aunque también son posibles las partículas de los volcanes y el polvo de la troposfera . La humedad podría elevarse a través de los huecos de la tropopausa , así como formarse a partir de la reacción del metano con radicales hidroxilo en la estratosfera . [10]
Se descubrió que los gases de escape de los transbordadores espaciales , en uso entre 1981 y 2011, que eran casi en su totalidad vapor de agua después del desprendimiento del cohete de combustible sólido a una altura de unos 46 km (151 000 pies), generaban nubes individuales minúsculas. Aproximadamente la mitad del vapor se liberaba en la termosfera , generalmente a altitudes de 103 a 114 km (338 000 a 374 000 pies). [11] En agosto de 2014, un Falcon 9 de SpaceX también provocó nubes noctilucentes sobre Orlando, Florida, después de un lanzamiento. [12]
El gas de escape puede transportarse a la región ártica en poco más de un día, aunque se desconoce el mecanismo exacto de esta transferencia a gran velocidad. A medida que el agua migra hacia el norte, cae desde la termosfera a la mesosfera más fría, que ocupa la región de la atmósfera justo debajo. [13] Aunque este mecanismo es la causa de las nubes noctilucentes individuales, no se cree que sea un contribuyente importante al fenómeno en su conjunto. [10]
Como la mesosfera contiene muy poca humedad, aproximadamente una cien millonésima parte de la del aire del Sahara , [14] y es extremadamente delgada, los cristales de hielo solo pueden formarse a temperaturas inferiores a unos −120 °C (−184 °F). [10] Esto significa que las nubes noctilucentes se forman predominantemente durante el verano cuando, contrariamente a la intuición, la mesosfera es más fría como resultado de los vientos verticales que varían estacionalmente, lo que lleva a condiciones frías en verano en la mesosfera superior ( enfriamiento ascendente y adiabático ) y calentamiento en invierno ( calentamiento descendente y adiabático ). Por lo tanto, no se pueden observar (incluso si están presentes) dentro de los círculos polares porque el Sol nunca está lo suficientemente bajo bajo el horizonte en esta estación en estas latitudes. [15] Las nubes noctilucentes se forman principalmente cerca de las regiones polares, [8] porque la mesosfera es más fría allí. [15] Las nubes en el hemisferio sur son aproximadamente 1 km (3300 pies) más altas que las del hemisferio norte. [8]
La radiación ultravioleta del Sol rompe las moléculas de agua, lo que reduce la cantidad de agua disponible para formar nubes noctilucentes. Se sabe que la radiación varía cíclicamente con el ciclo solar y los satélites han estado rastreando la disminución del brillo de las nubes con el aumento de la radiación ultravioleta durante los dos últimos ciclos solares. Se ha descubierto que los cambios en las nubes siguen a los cambios en la intensidad de los rayos ultravioleta aproximadamente un año después, pero aún se desconoce la razón de este largo desfase. [16]
Se sabe que las nubes noctilucentes exhiben una alta reflectividad de radar , [17] en un rango de frecuencia de 50 MHz a 1,3 GHz. [18] Este comportamiento no se entiende bien, pero una posible explicación es que los granos de hielo se recubren con una fina película metálica compuesta de sodio y hierro , lo que hace que la nube sea mucho más reflectante al radar, [17] aunque esta explicación sigue siendo controvertida. [19] Los átomos de sodio y hierro son despojados de los micrometeoros entrantes y se depositan en una capa justo por encima de la altitud de las nubes noctilucentes, y las mediciones han demostrado que estos elementos se agotan severamente cuando las nubes están presentes. Otros experimentos han demostrado que, a las temperaturas extremadamente frías de una nube noctilucente, el vapor de sodio puede depositarse rápidamente sobre una superficie de hielo. [20]
Las nubes noctilucentes se observaron por primera vez en 1885, dos años después de la erupción del Krakatoa en 1883. [ 8] [21] No está claro si su aparición tuvo algo que ver con la erupción volcánica o si su descubrimiento se debió a que más personas observaron las espectaculares puestas de sol causadas por los restos volcánicos en la atmósfera. Los estudios han demostrado que las nubes noctilucentes no son causadas únicamente por la actividad volcánica, aunque el polvo y el vapor de agua podrían inyectarse en la atmósfera superior por las erupciones y contribuir a su formación. [15] Los científicos de la época asumieron que las nubes eran otra manifestación de ceniza volcánica, pero después de que la ceniza se hubiera asentado fuera de la atmósfera, las nubes noctilucentes persistieron. [14] Finalmente, la teoría de que las nubes estaban compuestas de polvo volcánico fue refutada por Malzev en 1926. [21] En los años posteriores a su descubrimiento, las nubes fueron estudiadas extensamente por Otto Jesse de Alemania , quien fue el primero en fotografiarlas, en 1887, y parece haber sido quien acuñó el término "nube noctilucente". [22] [4] Sus notas proporcionan evidencia de que las nubes noctilucentes aparecieron por primera vez en 1885. Había estado haciendo observaciones detalladas de las inusuales puestas de sol causadas por la erupción del Krakatoa el año anterior y creía firmemente que, si las nubes hubieran sido visibles entonces, sin duda las habría notado. [23] Las observaciones fotográficas sistemáticas de las nubes fueron organizadas en 1887 por Jesse, Foerster y Stolze y, después de ese año, se llevaron a cabo observaciones continuas en el Observatorio de Berlín . [24] Durante esta investigación, la altura de las nubes se determinó por primera vez, mediante triangulación . [25] Ese proyecto se interrumpió en 1896. [ cita requerida ]
En las décadas posteriores a la muerte de Otto Jesse en 1901, hubo pocos nuevos conocimientos sobre la naturaleza de las nubes noctilucentes. La conjetura de Wegener de que estaban compuestas de hielo de agua se demostró más tarde como correcta. [26] El estudio se limitó a observaciones terrestres y los científicos tenían muy poco conocimiento de la mesosfera hasta la década de 1960, cuando comenzaron las mediciones directas con cohetes. Estas mostraron por primera vez que la aparición de las nubes coincidía con temperaturas muy bajas en la mesosfera. [27]
Las nubes noctilucentes fueron detectadas por primera vez desde el espacio por un instrumento en el satélite OGO -6 en 1972. Las observaciones del OGO-6 de una capa brillante de dispersión sobre los casquetes polares fueron identificadas como extensiones hacia los polos de estas nubes. [28] Un satélite posterior, el Solar Mesosphere Explorer , cartografió la distribución de las nubes entre 1981 y 1986 con su espectrómetro ultravioleta. [28] Las nubes fueron detectadas con un lidar en 1995 en la Universidad Estatal de Utah , incluso cuando no eran visibles a simple vista. [29] La primera confirmación física de que el hielo de agua es de hecho el componente principal de las nubes noctilucentes provino del instrumento HALOE en el Satélite de Investigación de la Alta Atmósfera en 2001. [30]
En 2001, el satélite sueco Odin realizó análisis espectrales de las nubes y produjo mapas globales diarios que revelaron grandes patrones en su distribución. [31]
El satélite AIM ( Aeronomía del hielo en la mesosfera ) fue lanzado el 25 de abril de 2007. [32] Fue el primer satélite dedicado al estudio de las nubes noctilucentes, [33] y realizó sus primeras observaciones un mes después (25 de mayo). [34] Las imágenes tomadas por el satélite muestran formas en las nubes que son similares a las formas de las nubes troposféricas, lo que sugiere similitudes en su dinámica. [4]
El año anterior, los científicos de la misión Mars Express habían anunciado el descubrimiento de nubes de cristales de dióxido de carbono en Marte que se extendían hasta 100 km (330.000 pies) por encima de la superficie del planeta. Se trata de las nubes más altas descubiertas sobre la superficie de un planeta rocoso. Al igual que las nubes noctilucentes de la Tierra, sólo se pueden observar cuando el Sol está por debajo del horizonte. [35]
Una investigación publicada en la revista Geophysical Research Letters en junio de 2009 sugiere que las nubes noctilucentes observadas después del Evento de Tunguska de 1908 son evidencia de que el impacto fue causado por un cometa. [36] [37]
El Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos (NRL) y el Programa de Pruebas Espaciales del Departamento de Defensa de los Estados Unidos (STP) llevaron a cabo el Experimento de Liberación de Aerosol Cargado (CARE) el 19 de septiembre de 2009, utilizando partículas de escape de un cohete de sondeo suborbital Black Brant XII lanzado desde la Instalación de Vuelo Wallops de la NASA para crear una nube noctilucente artificial. La nube debía ser observada durante un período de semanas o meses mediante instrumentos terrestres y el instrumento Spatial Heterodyne IMager for MEsospheric Radicals (SHIMMER) en la nave espacial STPSat-1 del NRL/STP. [38] La columna de humo de escape del cohete fue observada y reportada a organizaciones de noticias en los Estados Unidos desde Nueva Jersey hasta Massachusetts . [39]
Un experimento de 2018 creó brevemente nubes noctilucentes sobre Alaska, lo que permitió realizar mediciones terrestres y experimentos destinados a verificar simulaciones por computadora del fenómeno. El 26 de enero de 2018, el profesor de la Universidad de Alaska Richard Collins lanzó un cohete suborbital de la NASA. Llevaba botes llenos de agua, que se liberaron a unos 85 km (53 mi) sobre la Tierra. Dado que las nubes naturales solo aparecen en verano, este experimento se realizó a mediados del invierno para garantizar que sus resultados no se mezclaran con un evento natural. [40]
Observado desde la Tierra, este fenómeno se conoce como nubes noctilucentes. Desde los satélites, las PMC se observan con mayor frecuencia por encima de los 70–75° de latitud y tienen una temporada de 60 a 80 días de duración centrada en un pico que ocurre unos 20 días después del solsticio de verano . Esto es válido para ambos hemisferios. Se observa una gran variabilidad en la dispersión de un día a otro y de un año a otro, pero el promedio en grandes escalas de tiempo y espacio revela una simetría y un patrón subyacentes básicos. Se ha descubierto que el comportamiento a largo plazo de la frecuencia de las nubes mesosféricas polares varía inversamente con la actividad solar.
Las nubes cirrocúmulos tienen cuatro tipos principales según su estructura física y apariencia. Los velos de tipo I son muy tenues y carecen de una estructura bien definida, algo así como los cirroestratos o cirros mal definidos. [41] Las bandas de tipo II son rayas largas que a menudo se presentan en grupos dispuestos aproximadamente en paralelo entre sí. Suelen estar más espaciadas que las bandas o elementos que se ven en las nubes cirrocúmulos. [42] Las nubes de tipo III son conjuntos de rayas cortas aproximadamente paralelas y muy espaciadas que en su mayoría se parecen a los cirros. [43] Los remolinos de tipo IV son anillos de nubes parciales o, más raramente, completos con centros oscuros. [44]
Cuando se observan las nubes mesósfericas por encima de la atmósfera, las limitaciones geométricas de la observación desde el suelo se reducen significativamente. Se pueden observar "de canto" contra el fondo del cielo relativamente oscuro, incluso a plena luz del día. El campo de visión del fotómetro debe estar bien aislado para evitar la interferencia de la Tierra, que es muy brillante y se encuentra aproximadamente un grado por debajo de la capa de nubes. Es una tarea mucho más difícil observar las nubes contra el fondo brillante de la Tierra iluminada, aunque esto se ha logrado en el ultravioleta en la región espectral de 200 a 300 nm, debido al albedo muy pequeño de la Tierra en esta parte del espectro.
Los astronautas estadounidenses y soviéticos observaron el fenómeno desde el espacio ya en 1970. La mayoría de las observaciones se realizan desde el lado nocturno de la órbita y el observador mira hacia el sector crepuscular. En ese momento, el ojo del observador está adaptado a la oscuridad y las nubes mesosféricas polares aparecen con el máximo contraste sobre un fondo comparativamente oscuro. Los astronautas soviéticos han informado de avistamientos de nubes mesosféricas incluso cuando el Sol está sobre el horizonte.
Las observaciones por satélite permiten observar las partes más frías de la mesosfera polar, hasta el polo geográfico. A principios de la década de 1970, los fotómetros de resplandor atmosférico visible exploraron por primera vez el horizonte atmosférico a lo largo de la región de la mesospausa polar de verano. [45] Este experimento, que voló en el satélite OGO-6, fue el primero en rastrear capas de nubes de tipo noctilucente a lo largo del casquete polar. La capa de dispersión muy brillante se vio en condiciones de plena luz del día y se identificó como la extensión hacia los polos de las nubes noctilucentes. A principios de la década de 1980, la capa se observó nuevamente desde un satélite, el Solar Mesospheric Explorer (SME). A bordo de este satélite había un espectrómetro ultravioleta, que cartografió las distribuciones de nubes durante el período de tiempo de 1981 a 1986. El experimento midió el perfil de altitud de la dispersión de las nubes en dos canales espectrales (principalmente) 265 nm y 296 nm. [46] Este fenómeno se conoce ahora como Nubes Mesosféricas Polares.
Las características estacionales generales de las nubes mesosféricas polares están bien establecidas a partir de los cinco años de datos continuos de SME. Durante ese período, se registraron datos de cuatro "estaciones" de nubes en el norte y cinco "estaciones" en el sur. En ambos hemisferios, la estación comienza aproximadamente un mes antes del solsticio de verano y termina aproximadamente dos meses después. Dado que no hay sesgos debido a factores como el cambio en el número de horas de visibilidad, las condiciones climáticas, etc., este es un comportamiento "real". Se cree que es el resultado del hecho de que la región de la mesopausia en verano se vuelve más fría durante este período, lo que provoca la formación de hielo de agua, en contraste con la mayoría de las demás regiones de la atmósfera que son más cálidas en verano. Las temperaturas en latitudes ecuatoriales más allá del límite de detección nunca bajan lo suficiente como para que se forme hielo de agua.
Las nubes mesosféricas polares generalmente aumentan en brillo y frecuencia de aparición con el aumento de la latitud, desde aproximadamente 60 grados hasta las latitudes más altas observadas (85 grados). Hasta ahora, no se ha encontrado una dependencia aparente de la longitud, ni hay evidencia de una dependencia de la actividad auroral. [47] Esto indica que el control de las nubes mesosféricas polares está determinado por factores geográficos en lugar de geomagnéticos. El brillo de las nubes mesosféricas polares y las nubes noctilucentes parece ser consistente en las latitudes donde se observan ambas, pero las nubes mesosféricas polares cerca del polo son mucho más brillantes que las nubes noctilucentes, incluso teniendo en cuenta el fondo de cielo más bajo visto desde el espacio. Las observaciones de las nubes mesosféricas polares han revelado que el conocido fenómeno del desplazamiento hacia el norte con la latitud de la fecha de máxima aparición de nubes noctilucentes se debe en parte al aumento del número de horas de visibilidad de las nubes noctilucentes con la latitud y en parte a un retroceso real hacia el norte del límite hacia el final de la temporada.
El 8 de julio de 2018, la NASA lanzó un globo gigante desde Esrange , Suecia , que viajó a través de la estratosfera a través del Ártico hasta Nunavut occidental , Canadá , en cinco días. El globo gigante estaba cargado con cámaras, que capturaron seis millones de imágenes de alta resolución que llenaron 120 terabytes de almacenamiento de datos, con el objetivo de estudiar las PMC que se ven afectadas por las ondas de gravedad atmosféricas , resultantes del aire que es empujado hacia arriba por las cadenas montañosas hasta la mesosfera. Estas imágenes ayudarían a estudiar la turbulencia en la atmósfera y, en consecuencia, a una mejor previsión meteorológica . [48] [49]
La NASA utiliza el satélite AIM para estudiar estas nubes noctilucentes, que siempre aparecen durante la temporada de verano cerca de los polos. Sin embargo, los análisis tomográficos del satélite AIM indican que existe una correlación espacial negativa entre el albedo y la altitud inducida por las olas. [50]
Las nubes noctilucentes son generalmente incoloras o de color azul pálido, [51] aunque ocasionalmente se han observado otros colores, incluyendo rojo y verde. [52] El color azul característico proviene de la absorción por ozono en el camino de la luz solar que ilumina la nube noctilucente. [53] Pueden aparecer como bandas sin rasgos distintivos, [51] pero con frecuencia muestran patrones distintivos como rayas, ondulaciones en forma de onda y remolinos. [54] Se consideran un "bello fenómeno natural". [55] Las nubes noctilucentes pueden confundirse con los cirros , pero aparecen más nítidas bajo aumento. [51] Las causadas por escapes de cohetes tienden a mostrar colores distintos al plateado o al azul, [52] debido a la iridiscencia causada por el tamaño uniforme de las gotas de agua producidas. [56]
Las nubes noctilucentes se pueden ver en latitudes de 50° a 65°. [57] Rara vez ocurren en latitudes más bajas (aunque ha habido avistamientos tan al sur como París , Utah , Italia , Turquía y España ), [51] [58] [59] [60] y más cerca de los polos no oscurece lo suficiente para que las nubes se vuelvan visibles. [61] Ocurren durante el verano, desde mediados de mayo hasta mediados de agosto en el hemisferio norte y entre mediados de noviembre y mediados de febrero en el hemisferio sur. [51] Son muy débiles y tenues, y pueden observarse solo en el crepúsculo alrededor del amanecer y el atardecer cuando las nubes de la atmósfera inferior están en sombra, pero la nube noctilucente está iluminada por el Sol . [61] Se ven mejor cuando el Sol está entre 6° y 16° por debajo del horizonte. [62] Aunque las nubes noctilucentes se producen en ambos hemisferios, se han observado miles de veces en el hemisferio norte, pero menos de 100 veces en el sur. Las nubes noctilucentes del hemisferio sur son más tenues y se producen con menos frecuencia; además, el hemisferio sur tiene una población menor y menos superficie terrestre desde la que hacer observaciones. [15] [63]
Estas nubes pueden estudiarse desde el suelo, desde el espacio y directamente mediante cohetes sonda . Además, algunas nubes noctilucentes están formadas por cristales más pequeños, de 30 nm o menos, que son invisibles para los observadores en tierra porque no dispersan suficiente luz. [4]
Las nubes pueden presentar una gran variedad de patrones y formas diferentes. En 1970, Fogle desarrolló un sistema de identificación que clasificaba cinco formas diferentes. Desde entonces, estas clasificaciones se han modificado y subdividido. [64] Como resultado de investigaciones recientes, la Organización Meteorológica Mundial reconoce ahora cuatro formas principales que pueden subdividirse.
