Rayos cósmicos detectados en las profundidades subterráneas revelan secretos de la atmósfera superior

Los rayos cósmicos detectados a casi un kilómetro en las profundidades de un mina de hierro abandonada de Estados Unidos puede usarse para detectar grandes eventos climáticos que ocurren a 30 kilómetros por encima, en la atmósfera superior de la Tierra, según revela un nuevo estudio.

Publicado en la revista Geophysical Research Letters y liderado por científicos del Centro Nacional de Ciencias Atmosféricas del Reino Unido (NCAS) y del Consejo de Instalaciones Tecnológicas y científicas (STFC), este notable estudio demuestra cómo el número de rayos cósmicos de alta energía que alcanzan un detector situado profundamente bajo tierra, encaja muy de cerca con las medidas de temperatura en la atmósfera superior (conocida como estratosfera).

Por primera vez, los científicos han demostrado cómo puede usarse esta relación para identificar eventos climáticos que tienen lugar muy súbitamente en la estratosfera durante el invierno del Hemisferio Norte. Estos eventos pueden tener un efecto significativo en la severidad de los inviernos que experimentamos, y también en la cantidad de ozono sobre los polos – ser capaz de identificarlos y comprender su frecuencia es crucial para informar a nuestro actuales modelos climáticos y de predicción del clima para mejorar las predicciones.

Trabajando en colaboración con un gran experimento de física de partículas de los Estados Unidos llamado MINOS (dirigido por en Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de los Estados Unidos), los científicos analizaron un registro de cuatro años de datos de rayos cósmicos detectados en una mina de hierro abandonada en el estado de Minnesota en los Estados Unidos.

Lo que han observado fue una relación asombrosamente cercana entre los rayos cósmicos y la temperatura estratosférica – esto es lo que podrían comprender: los rayos cósmicos, conocidos como muones se producen tras el decaimiento de otros rayos cósmicos, conocidos como mesones. Incrementar la temperatura de la atmósfera expande la misma de tal forma que menos mesones se destruyan o impacten en el aire, dejando que más decaigan naturalmente en muones.

Por consiguiente, si la temperatura se incrementa también lo hace el número de muones detectados.

Lo que sorprendió a los científicos, no obstante, fueron los incrementos súbitos e intermitentes observados en los niveles de los muones durante los meses de invierno. Estos saltos en los datos tuvieron lugar a lo largo de apenas unos pocos días. En la investigación, encontraron que estos cambios coincidían con incrementos muy súbitos en la temperatura de la estratosfera (¡de hasta 40º C en algunos lugares!). Observando los datos meteorológicos de apoyo más de cerca, se dieron cuenta de que estaban observando un gran evento climático, conocido como Calentamiento Estratosférico Súbito. De media, tienen ligar una vez al año y son notablemente impredecibles. Este estudio ha demostrado, por primera vez, que los datos de rayos cósmicos pueden usarse de forma efectiva para identificar estos eventos.

El científico jefe del Centro Nacional de Ciencia Atmosférica, el Dr. Scott Osprey dijo: “Hasta ahora hemos dependido de los globos climáticos y datos de satélite para proporcionar información sobre estos grandes eventos climáticos. Ahora podemos usar potencialmente los registros de datos de rayos cósmicos de los últimos 50 años para que nos den una idea bastante precisa de lo que sucedió con la temperatura en la estratosfera a lo largo de este tiempo. Esperamos que los datos que están siendo recopilados por otros grandes detectores subterráneos de todo el mundo, también puedan usarse para estudiar este fenómeno”.

El Dr. Giles Barr, coautor del estudio de la Universidad de Oxford añade: “Es divertido sentarse a casi un kilómetro por debajo del suelo y hacer física de partículas. Es incluso mejor saber que desde allí abajo, podemos también monitorizar una parte de la atmósfera que de otro modo sería difícil de medir “.

Es interesante apuntar que el conjunto de datos de rayos cósmicos de muones usado en este estudio fue recopilado por un producto derivado del experimento MINOS, el cual se diseñó para investigar las propiedades de los neutrinos, pero el cual también mide los muones originados en la atmósfera, como ruido de fondo del detector. Tener acceso a estos datos ha llevado a la producción de un valioso conjunto de datos de gran beneficio para los investigadores climáticos.

La Profesora Jenny Thomas, vice-portavoz de MINOS del University College de Londres dijo que “La cuestión que queremos responder con MINOS está relacionada con las propiedades de partículas fundamentales llamadas neutrinos los cuales son un ingrediente crucial en nuestro modelo actual del universo, pero como sucede a menudo, manteniendo una mente abierta sobre los datos recopilados, el equipo científicos ha sido capaz de encontrar otro beneficio no esperado que ayuda a nuestra comprensión del clima y los fenómenos climaticos”.

El Dr. Osprey comentó que: “Este estudio es un gran ejemplo de lo que puede hacerse gracias a asociaciones internacionales e investigación interdisciplinaria. Sólo podemos imaginar qué otros secretos esperan ser revelados”.