Un estudio de la composición de la atmósfera superior ha medido con éxito una mayor presencia de 18 O, un isótopo de oxígeno más pesado con 10 en lugar de ocho neutrones.
por Norbert Junkes, Sociedad Max Planck
Helmut Wiesemeyer (MPIfR Bonn) y sus colegas midieron la fracción de 18 O de la mesosfera superior/termosfera inferior por primera vez, usando el instrumento GREAT a bordo de SOFIA y descubrieron que la atmósfera superior tiene una fracción de 18 O cercana a la de la inferior . atmósfera.
Una mejor comprensión de hasta qué punto los efectos biológicos impregnan la atmósfera de la Tierra podría algún día ayudar a los investigadores a refinar su búsqueda de signos potenciales de vida en otros planetas.
¿Dónde está el límite entre la atmósfera terrestre y el espacio? Una pregunta aparentemente simple, pero que no tiene una respuesta directa. Las aplicaciones aeroespaciales se refieren a la llamada línea Kármán, definida a una altitud de 100 km sobre el nivel del mar. Es una altitud en la que la sustentación hidrodinámica cesa definitivamente, o en la que los satélites no pueden completar una sola órbita alrededor de la Tierra, debido a la fricción con el aire en la atmósfera superior .
Por otro lado, solo recientemente se ha descubierto un viento magnetosférico que viaja desde la ionosfera de la Tierra hasta la Luna, donde contamina la composición isotópica del suelo, expuesto al viento solar .
Esta huella dactilar terrestre podría considerarse única en el sistema solar porque potencialmente lleva una firma del metabolismo respiratorio. El efecto Dole describe una desigualdad en la relación entre el isótopo pesado 18 O y el más ligero 16 O, medido en la atmósfera y en el agua de mar. La razón es la siguiente: el oxígeno, producido como producto de desecho de la fotosíntesis, hereda principalmente su composición isotópica de la del suministro de agua, mientras que la respiración destruye preferentemente la versión más ligera del oxígeno.
La mezcla vertical eficiente lleva esta firma biológica bien estudiada hasta la estratosfera. Hace una década se evidenció una mayor mezcla de aire en las capas atmosféricas superiores (la mesosfera y la termosfera). La termosfera es el punto base para el viento de iones de oxígeno que emergen en la capa de plasma de la Tierra, pero aún se desconoce su composición isotópica de oxígeno.
«En nuestro intento de medir de forma remota la composición isotópica del oxígeno en la mesosfera y la termosfera inferior de la Tierra, utilizamos un efecto relativista, gracias al cual el estado básico electrónico del oxígeno atómico se divide en tres niveles de estructura fina», dice Helmut Wiesemeyer de el Instituto Max Planck de Radioastronomía MPIfR), autor principal de la publicación.
«Las transiciones radiativas de un estado cuántico a otro generan líneas espectrales infrarrojas . Se dividen aún más cuando se agregan uno o dos neutrones al núcleo: el centro de gravedad del átomo se desplaza, lo que resulta en un ligero cambio de las frecuencias de línea de estructura fina características. .»
Con origen en la mesosfera y la termosfera inferior de la Tierra, estas líneas espectrales aparecen en fuerte absorción frente a fuentes de fondo de luz infrarroja brillante y, por lo tanto, proporcionan valiosas huellas dactilares de la química en esta región.
«Por primera vez, pudimos identificar la firma espectroscópica de este cambio de isótopos en las líneas espectrales del oxígeno atómico en la naturaleza. Se encuentra en un entorno alejado de los laboratorios terrestres y de difícil acceso para estudios in situ: demasiado alto para globos, y demasiado bajo para los satélites en órbita terrestre», explica Rolf Güsten, también de MPIfR, quien fue, hasta 2018, el investigador principal del instrumento GREAT a bordo de SOFIA que hizo posible la detección.
«Nuestras observaciones permiten identificar la línea espectral de 18 O en el régimen de Terahercios en absorción frente a la luna».
«Aquí hemos cerrado el círculo: la fuerza de la línea espectral del 18 O pesado, con respecto a su equivalente del isótopo principal 16 O, nos permite medir de forma remota la abundancia relativa de ambas especies», añade Jürgen Stutzki de la Universidad de Colonia. , quien asumió como PI del GRAN instrumento en octubre de 2018.
«Con base en las mediciones de un observatorio estratosférico, deducimos valores que son representativos de la atmósfera inferior, en lugar del viento solar que domina donde el campo magnético interplanetario reemplaza al de la Tierra«.
Sin embargo, el jurado aún está deliberando: con la sensibilidad alcanzada hasta ahora, no se puede decidir aún si se rastrea la proporción de isótopos biogénicos que caracteriza el oxígeno molecular que domina la atmósfera inferior o la del ozono estratosférico. Se necesitan más mediciones para lograr una mayor sensibilidad. Un esfuerzo gratificante, también porque el origen del registro isotópico del ozono aún no se comprende completamente; se cree que surge de una clase de reacciones químicas rápidas que intercambian isótopos entre sus socios.
«Mostramos que en la mesosfera y la termosfera inferior estas reacciones compiten con colisiones inelásticas que excitan estados cuánticos sin cambiar la carga eléctrica ni los enlaces químicos. Esta competencia implica una población en desequilibrio de los estados cuánticos a nivel del suelo de 18 O, no considerado por estudios previos, y en contraste con el equilibrio termodinámico encontrado en 16 O», dice Heinz-Wilhelm Hübers del Instituto DLR de Sistemas de Sensores Ópticos en Berlín.
«Las fuerzas relativas de las líneas espectroscópicas medidas son cruciales para evidenciar las diferentes distribuciones de población. Junto con los datos empíricos de las concentraciones de oxígeno atómico y molecular en la atmósfera superior , esto es suficiente para corregir nuestra determinación del fraccionamiento isotópico. Nuestras observaciones con el globo experimento OSAS-B van en esa dirección».
A primera vista, la necesidad de tal corrección parece añadir una complejidad no deseada al análisis. A primera vista, proporciona una herramienta para estudiar el impacto de las reacciones de intercambio isotópico entre el oxígeno atómico y molecular que ocurren antes de que se forme el ozono mediante una química bien conocida. Esto requiere un tercer cuerpo que sirva como catalizador, abundante en la estratosfera pero cada vez más raro en las altitudes más altas objetivo tanto en la mesosfera como en la termosfera.
Por último, pero no menos importante, las reglas de selección impuestas por la teoría cuántica implican una fuerte dependencia de la velocidad de excitación por colisión con la temperatura, compitiendo con el intercambio de isótopos. Este efecto podría usarse en última instancia como complemento para corroborar los modelos empíricos de la atmósfera superior.
«Al momento de escribir estas líneas, aún no estamos listos: se necesitarán experimentos futuros para llegar a un resultado final, monitorear el cielo infrarrojo, como continuación de los exitosos programas de observación aérea», concluye Helmut Wiesemeyer.
El estudio se publica en la revista Physical Review Research .
Más información: Helmut Wiesemeyer et al, Primera detección del isótopo atómico O18 en la mesosfera y la termosfera inferior de la Tierra, Physical Review Research (2023). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.013072
