Los relojes avanzan más despacio si la velocidad aumenta, más rápido si la gravedad disminuye. Foto: W. Tiller/iStockphoto

La teoría de Einstein dice que el tiempo que transcurre entre dos eventos depende del camino a través del cual viaja en el Cosmos. En particular, éste puede depender de la curvatura del espacio-tiempo a lo largo de su trayectoria. Es resabido que la teoría es muy útil para explicar muchos fenómenos físicos (literalmente) muy lejanos de la realidad, como el cálculo de las órbitas de los planetas del Sistema Solar con una precisión extraordinaria o para averiguar cómo la luz es desviada por el espacio-tiempo deformado que se crea alrededor de las estrellas o de los planetas.

Asimismo, aplicando este mismo concepto a un escenario más terrenal, se podría demostrar que un reloj inmerso en un campo gravitatorio avanza más lentamente que otro posicionado lejos de cualquier efecto de la gravedad. En la década de los ’70, unos científicos demostraron el efecto de la Relatividad utilizando dos relojes atómicos sincronizados y posicionándolos separadamente a bordo de dos aviones jumbo alrededor de la Tierra: el primero volando en dirección hacia el este, el otro hacia el oeste. El experimento demostró que este último, que viajaba en dirección contraria a la de rotación de la Tierra, ganó tiempo con respecto a un reloj de referencia fijo en la Tierra.

Ahora, un grupo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés) en Boulder, Colorado, ha demostrado las teorías de Einstein – tanto el de la Relatividad Especial como la General – a escalas “más humanas”, demostrando que no se limitan a los experimentos en régimen de velocidades y distancias enormes. El equipo del NIST ha mostrado que el tiempo se acelera tan solo subiendo el peldaño de una escalera, y que se ralentiza si viajamos a una velocidad de 36 kilómetros por hora. Sus resultados aparecieron en la revista Science del pasado 24 de setiembre.

El experimento ha medido básicamente la diferencia entre dos relojes que están separados por una altura de 33 centímetros, más o menos equivalente a la altura de un peldaño. Puesto que según la Relatividad General el tiempo se acelera para los objetos con una gravedad “reducida”, el reloj posicionado a una altura más elevada que el otro (y que por tanto “siente” menos el efecto de la gravedad terrestre) avanza más rápido que el otro, experimentando un aumento de aproximadamente 4 × 10^-17 segundos, ganando así 90 millonésimos de segundo en 79 años!

Por otro lado, teniendo en cuenta que la Relatividad Especial afirma que el tiempo avanza más lentamente para objetos en movimiento, los investigadores demostraron que excitando los átomos de un reloj atómico estos oscilan con una velocidad relativa de menos de 10 metros por segundo o, que es lo mismo, de 36 kilómetros por hora. Es decir, las señales del reloj se revelaban con un retraso de unos 6 × 10^-16 segundos.

A pesar de que el experimento no represente ningún hallazgo novedoso, este resultado tiene una componente casi filosófica, pues demuestra que la Relatividad es algo tangible. Además, la capacidad de detectar pequeños cambios en la gravedad podría tener aplicaciones en geofísica y en hidrología. Según los expertos, esto podría ayudar a medir la cantidad de masa – por ejemplo, en forma de agua – que se redistribuye en la Tierra debido al cambio climático, construyendo una red que analice en tiempo real el nivel de gravedad de todo el planeta.

Este post participa en la XII Edición del Carnaval de la Física, acogida en este mes de octubre por el blog La Ciencia de la Mula Francis.

Un parasol espacial sobre la Tierra. Foto: Victor Habbick Visions/Science

Desde que el problema del cambio climático se ha convertido en uno de los temas científicos más cotizados por la prensa mundial, la geoingeniería - la ciencia que se dedica a la aplicación de la tecnología con el propósito de influenciar en las propiedades globales de nuestro planeta – se ha convertido en el “Plan B” de muchos políticos y empresarios, con el objetivo de no tener que reducir las emisiones de dióxido de carbono como residuo de la actividad humana. No obstante, manipular el planeta no es la solución para el calentamiento global.

Hasta la fecha varios proyectos de geoingeniería han sido propuestos para dar soluciones al problema del cambio climático, pero todos ellos se han revelado inviables desde un punto de vista tanto económico como tecnológico. Un ejemplo consiste en poner en órita alrededor de la Tierra una especie de “parasol espacial” capaz de crear zonas de sombras y reducir así la cantidad de fotones transportados por la luz solar hasta el suelo terrestre.

Este escenario recuerda mucho un capítulo de los Simpsons (con título Quién disparó al Sr. Burns) en el que el malo de la serie animada conseguía bloquear, precisamente gracias a un escudo gigante, la cantidad de luz solar sobre la ciudad de Springfield para que sus habitantes consumiesen más electricidad que él mismo producía. Y como ocurre a menudo, la imaginación de los creadores de la serie animada no se aleja mucho de la realidad, pues esta opción es a día de hoy una de las más aceptadas en la comunidad de científicos.

El Sr. Burns oscurece el Sol sobre Springfield. Foto: Simpsons

Un propuesta similar prevé esparcer partículas de sulfatos en la atmósfera superior para crear una niebla capaz de reflejar parte de la radiación solar, sin que ésta llegue a la Tierra con toda su intensidad.

Sin embargo, estos y otros enfoques de la geoingeniería actual se han revelado insuficiente para luchar, por ejemplo, contra la subida del nivel del mar. Tan solo adoptando uno de estos sistemas podríamos reducir la energía solar entrante en cerca de 4.1 vatios por metro cuadrado de superficie, algo insuficiente para compensar el calentamiento de la atmósfera causado por la acumulación de dióxido de carbono en los próximos 60 años.

Uno de los problemas fundamentales es que los niveles del mar responden lentamente a los cambios en la temperatura de la Tierra, por lo cual es prácticamente imposible frenar al instante estos desequilibrios naturales. Y aunque fueramos capaces de reducir la incidencia de hasta 4 vatios con un parasol en el espacio, asumiendo el modelo de consumos y emisiones de gases actual solamente conseguirí amos que en lugar de subir 100 centimetros el nivel del mar aumentaría de unos 39 centímetros, algo igualmente insostenible para el equilibrio de nuestro planeta.

Esto apunta a que la geoingeniería tiene simplemente un efecto  menor sobre la elevación del nivel del mar y que reducir las emisiones de gases de efecto invernadero seguramente tendrá un impacto mucho mayor. Cualquier medida que no reduzca la cantidad de dióxido de carbono presente en la atmósfera tendría el mismo efecto que esconder en vez de realmente resolver el problema. Y aunque suponiendo que estas obras puedan ser consideradas como una opción válida para los problemas climáticos actuales, análisis económicos han demostrado que la geoingeniería representa una de las tantas métodos que pronto caerán en el olvido.

En suma, la campaña llevada a cabo por los partidarios de las grandes obras de geoingeniería como solución a los problemas de nuestro planeta en lugar de aplicar una política “agresiva” de reducciones de las emisiones de dióxido de carbono parece definitivamente haber fracasado.

Emision humana de gases de efecto invernadero

Lo primero que me sorprendió fue que nadie dudaba de que la temperatura del planeta está aumentando. El calentamiento global es un hecho científico innegable corroborado con distintos datos recogidos por numerosos grupos científicos. Las temperaturas pueden subir o bajar de año en año en nuestra ciudad o país y con ello influir nuestra perspectiva sobre el cambio climático, pero desde un punto de vista estadístico global en todo el planeta el calentamiento es un hecho.

Por consiguiente el debate se centró en si el cambio climático es influencia del hombre o consecuencia de otros factores externos o más bien cíclicos.

Entre los científicos a favor, se mostró que el calentamiento es consecuencia directa del aumento del CO2 en el planeta en los últimos años como consecuencia de la actividad humana, un gas de efecto invernadero, y que las previsiones de temperatura son de un aumento de 1.2 a 2 grados en los próximos 20 a 30 años, y de 2 a 6 grados para final de siglo. Y a pesar de que en nuestro mundo hay muchos otros problemas para arreglar, los científicos mostraron su preocupación asegurando que el impacto del calentamiento global puede ser mucho peor si se cumplen las peores previsiones de que éste podría producir un cambio abrupto en el clima del planeta, llegando a limitar por ejemplo nuestra capacidad para producir alimentos y obligando a migraciones de miles de millones de personas por la inundación de la mayoría de ciudades costeras.

Peligro CO2

Por otro lado, los científicos en contra mostraron que el Sol también ha sido cada vez más brillante en los últimos años. Estos datos podrían explicar por sí solos hasta 0.8 grados de aumento de las temperaturas hasta la fecha, la mitad de lo que se ha observado que han aumentado recientemente. Y que la otra mitad podría explicarse por parámetros científicos todavía poco conocidos. Además cuestionan el impacto humano en el actual incremento de la temperatura alegando que la temperatura del aire viene aumentando desde los últimos 150 años. Finalmente recordaron que la Tierra siempre ha tenido ciclos de temperatura y que la humanidad siempre se ha adaptado a ellos.

En el tuno de réplica, los científicos a favor del impacto humano en el clima de nuestro planeta avisaron de que a pesar de que los cambios climáticos siempre han ocurrido en la Tierra, el actual índice de población, cerca de 7 mil millones de personas, provocaría una crisis incalculable. Y los científicos en contra argumentaron que los modelos climáticos son muy difíciles de predecir y que el alarmismo que se está produciendo con el cambio climático es exagerado.

En general todos los presentes afirmaron que es necesario obtener más datos científicos, poniendo especial énfasis en conocer otros parámetros hasta ahora poco estudiados, como los efectos hidrológicos en los modelos climáticos. Pero que nunca podremos predecir exactamente el clima y tenemos que tomar decisiones aceptando nuestro grado de incertidumbre.

Además recalcaron que hay otros escenarios igual de preocupantes en el mundo, como el desgaste de las zonas hídricas, provocados por el continuo aumento de la población y el mal aprovechamiento de los recursos.

Mi reflexión final fue que de alguna manera u otra, y por culpa o no de la acción humana, tendremos que afrontar en un futuro bastante cercano, el impacto del cambio climático y otras catastrofes globales en nuestras vidas. Y que para ello es mejor que empecemos a tomar decisiones conjuntas que puedan salvar a nuestro planeta.

Foto: ESA

SMOS es un satélite de Observación de la Tierra destinado a estudiar el ciclo del agua, algo importantísimo para monitorizar el cambio climático. La Agencia Espacial Europea lidera en estos momentos el estudio desde el espacio del clima mundial, con el lanzamiento en marzo pasado de GOCE, el de este domingo SMOS, y el del próximo mes de marzo CRYOSAT-2.

SMOS monitorizará desde el espacio la salinidad en los océanos y la humedad del suelo de los continentes. Si a alguien le preguntáramos como medir los niveles de sal del océano, la primera respuesta sería, sin duda, desplazarse en barco, coger una muestra con alguna probeta y hacer su medición. Sin embargo, conocer la salinidad y la humedad regularmente y a escala mundial para poder apreciar la evolución de estos parámetros en el tiempo es mucho más complicado. La respuesta está en el espacio. Desde allí podemos visitar todas las partes del mundo con un único instrumento. Pero evidentemente no podemos tomar muestras desde el espacio. Para ello debemos utilizar el ingenio. Y ahí aparece SMOS.

El ciclo del agua

Pero, como hacerlo? SMOS utiliza 69 antenas para medir las emisiones electromagnéticas de la superficie de los océanos y del suelo. Dejadme explicarlo mejor: Todo objeto, por estar a cierta temperatura emite radiación electromagnética. Por ejemplo, nosotros mismos emitimos radiación infrarroja, y por eso las cámaras de infrarrojos son capaces de detectarnos en la mas profunda oscuridad, porque la luz infrarroja proviene de nosotros. SMOS pues ‘observa’ la luz emitida por la superficie de nuestro planeta

Además la cantidad de esta radiación electromagnética emitida por la Tierra depende, en parte, del grado de humedad del suelo y/o de la cantidad de sal presente en los océanos. Así pues SMOS es capaz de proporcionar a los científicos toda esta información de todo el planeta cada 3 días. Importantísimo para predecir los cambios climáticos e incluso paliar las consecuencias de grandes desastres climáticos como el Niño.

Estamos listos para lanzar. Pero queda mucho por hacer.

Photo: ESA

El ozono es una capa protectora que se encuentra en la estratosfera a unos 25 km por encima de nosotros, que no se distribuye de forma uniforme y que actúa de filtro contra los rayos ultravioleta dañinos que llegan a la Tierra. La disminución de dicha capa aumenta, entre otras cosas, el riesgo de cáncer de piel, cataratas y daños a la vida marina. La recogida de datos atmosféricos de los satélites europeos ERS-2, Envisat y MetOp–A durante más de una década ha permitido a los científicos dibujar un mapa de la actual situación de la capa de ozono que envuelve el planeta, algo que permite seguir su evolución y cuyos resultados parecen prometedores para el futuro.

En 1987 se introdujo el Protocolo de Montreal para regular y eliminar gradualmente la producción de sustancias químicas responsables de la disminución de ozono. Su efecto es hoy visible en las observaciones realizadas por los satélites de la ESA y cuyos resultados fueron presentados en el congreso Atmospheric Science Conference celebrado en Barcelona, del 7 al 11 de septiembre. El objetivo de la conferencia fue el de proporcionar a los científicos e investigadores la oportunidad de presentar los resultados de su investigación a partir de las aplicaciones basadas en el uso de sensores atmosféricos desde el espacio.

Y lo más destacado ha sido encontrar una tendencia positiva global en el aumento de la capa de ozono de alrededor del 1% por década en los últimos 14 años, un resultado que fue confirmado por las comparaciones con mediciones desde tierra.

Según dijo Jo Urban de la Universidad Politecnica sueca de Chalmers “estos datos muestran una disminución de la capa de ozono desde 1979 hasta 1997, y un pequeño aumento del 0.8-1.4% por década a partir de entonces hasta 2008. Si por un lado son valores estadísticamente no muy significativos, por el otro tenemos la confianza de ver una recuperación importante en los próximos años”.

Impresión artísitica de Venus (ESA)

Pensemos en los planetas como cuerpos dinámicos, evolutivos, que se transforman constantemente: cuya temperatura se altera dramáticamente con la inclinación de su eje, que rejuvenecen su superficie a base de erupciones volcánicas, que cambian la composición química de la atmósfera, incluso que pierden grandes océanos al espacio. Pensemos, además, que los cambios que le ocurren a un planeta pueden ser irreversibles y dramáticos. Y que muchas veces sus condiciones presentes se deben a un débil equilibrio de fuerzas.

 Por eso la comunidad científica está tan interesada en estudiar Venus, como ejemplo de lo que le puede ocurrir a nuestro planeta.

 Venus Express, una misión de la Agencia Espacial Europea (ESA) que lleva estudiando Venus desde finales de 2005, acaba de publicar el primer mapa en la frecuencia del infrarrojo del hemisferio sur venusiano. Como Venus está permanentemente ocultado por nubes su superficie no es visible a simple vista. Por eso la única manera que tenemos de verla es a través de imágenes de radar u observando en el infrarrojo. Este nuevo mapa sugiere la posibilidad que Venus tuviera en un pasado un océano de agua y actividad de placas tectónicas, mucho más parecido a la Tierra hoy. La presencia de granito en las regiones más elevadas del planeta nos sugiere que estas regiones pudieron ser los antiguos continentes venusianos. Pero de haberla habido, el agua en Venus, desapareció al espacio por razones que los científicos de esta misión intentan descubrir.

 Igual éste es el futuro que le espera a la Tierra si no somos capaces de cuidar nuestro planeta.