Portar la monitorització del clima al futur amb quàntica

Probablement, la majoria de nosaltres normalment no associaríem el camp de gravetat de la Terra amb el clima; el pensaríem com la força fonamental de la natura que manté el nostre planeta en òrbita al voltant del Sol i el que manté unit el nostre món. No obstant això, la força del nostre camp de gravetat varia d’un lloc a un altre, i algunes d’aquestes petites variacions estan realment relacionades amb aspectes del nostre planeta que estan connectats amb el canvi climàtic.

Les variacions en el camp de gravetat es deuen a una sèrie de factors com ara la rotació de la Terra, la posició de les muntanyes i les fosses oceàniques i les variacions en la densitat de l’interior de la Terra. Però les variacions més petites en el temps i la ubicació es deuen a altres factors com les fluctuacions en els dipòsits d’aigua subterrànies i els canvis en la massa de gel. Per tant, tenir un model realment precís del camp de gravetat i poder mostrar el canvi al llarg del temps és important per entendre qüestions com la disminució dels recursos d’aigua dolça, la pèrdua de massa de gel de les capes de gel i les glaceres i el canvi del nivell del mar, que són símptomes de la crisi climàtica.

Entre el 2009 i el 2013, la missió de satèl·lit GOCE de l’ESA va cartografiar el camp de gravetat amb detall. Això va donar lloc a un model únic del geoide, que és la superfície d’igual potencial gravitatori definida pel camp de gravetat. El model ha estat la base de molts articles de recerca publicats sobre les complexitats de l’interior de la Terra. Però el geoide GOCE també ha estat clau per accedir al canvi del nivell del mar i als patrons de circulació oceànica, per exemple.

L’any 2002, es va llançar la missió de satèl·lit en tàndem GRACE entre els Estats Units i l’Alemanya per mesurar l’atracció local de la gravetat a mesura que l’aigua es desplaça al voltant de la Terra a causa dels canvis de les estacions, el temps i els processos climàtics. També es va utilitzar per controlar la pèrdua de massa de gel de les plaques de gel i va oferir informació sobre els recursos d’aigua subterrània. El 2018 es va posar en marxa la missió de seguiment GRACE per ampliar aquestes mesures.

Sens dubte, aquestes tres missions han revolucionat la nostra comprensió del camp gravitatori i dels processos dinàmics relacionats amb el transport de masses i els seus mecanismes d’acoblament.

Tornant al repte mediambiental més gran al qual s’enfronta la societat, el canvi climàtic, tot indica que la crisi climàtica s’està agreujant i, fins i tot si aconseguim l’objectiu de limitar l’augment de la temperatura global a 1,5 °C, els efectes perjudicials seran. llarga durada.

Els satèl·lits en òrbita avui i els previstos per al futur són fonamentals per proporcionar dades globals per entendre com funciona la Terra i com es veu afectada pel canvi climàtic, i per avaluar si les polítiques climàtiques són efectives. Amb tant en joc, és igualment crític desenvolupar tecnologies espacials completament noves per a més endavant, per a missions de satèl·lit que es podrien llançar durant la propera dècada.

Les tecnologies emergents d’àtoms freds que exploten la naturalesa ondulatòria de la matèria mostren un potencial real per millorar la manera com es fan les mesures des de l’espai, especialment per mesurar la gravetat, que va ser objecte de sessions en profunditat avui al Simposi Planeta Vivent de l’ESA.

A més, explotar la “revolució quàntica” amb missions quàntiques per al clima és un dels components clau de Accelerador de l’ESA: espai per a un futur verd, que impulsa dades avançades, ciència, tecnologia, aplicacions i serveis per a una vida sostenible a la Terra. L’Accelerator proporcionarà als decisors europeus, a la indústria i a la societat el suport que necessiten per ajudar a aconseguir la neutralitat de carboni l’any 2050.

La idea és que els futurs sensors quàntics combinarien els principis de les mesures de gravimetria actuals amb la “interferometria d’àtoms freds”.

Això implica utilitzar làsers per congelar els àtoms de l’instrument fins a gairebé zero absolut, que és -273,15 °C. Aleshores, els làsers s’apaguen perquè els àtoms es puguin moure lliurement en resposta a la força del camp de gravetat. Mesurar la diferència de fase mitjançant interferometria a mesura que els àtoms “cauen” segons l’atracció de la gravetat proporcionarà mesures del camp de gravetat a mesura que el satèl·lit orbita al voltant de la Terra.

De manera similar a un rellotge atòmic que proporciona una mesura absoluta del temps, l’interferometria d’àtoms freds proporcionaria una mesura absoluta de les variacions de les forces gravitatòries detectades pels satèl·lits, particularment la del camp de gravetat de la Terra.

Oliver Carraz, un físic quàntic que treballa a l’ESA, va dir: “La teoria ja s’ha demostrat durant les últimes dècades als laboratoris i també hi ha hagut una gran empenta per provar el concepte fora del laboratori. L’ESA ha dut a terme una campanya de gravetat aerotransportada a Islàndia i hi ha hagut experiments sobre França que han arribat a l’última generació de gravimetria aerotransportada. També ara hi ha alguns gravimetres quàntics comercials a terra. A més, la NASA té un laboratori d’àtoms freds a l’Estació Espacial Internacional des de fa uns anys. Aquest laboratori, que s’ha encunyat com el “lloc més fred de l’Univers”, està donant resultats molt encoratjadors”.

El professor Jürgen Kusche, de la Universitat de Bonn, va dir: “La teoria de l’ús de sensors de gravetat quàntica a l’espai per mesurar la gravetat és en realitat relativament simple. No obstant això, el repte és desenvolupar la robusta tecnologia de satèl·lit que proporcioni la vida útil de la missió i la cobertura d’alta resolució que necessitem.

“Tot i que encara estem uns anys sense que la tecnologia estigui prou avançada perquè l’ESA i els seus socis puguin construir una missió de satèl·lit dedicada que utilitzi la tecnologia d’àtoms freds per mesurar la gravetat, els científics estan treballant dur per fer-ho realitat en el futur. El Simposi Planeta Viu ha estat una oportunitat brillant per compartir els darrers desenvolupaments amb la comunitat científica, polítics, entitats comercials i molt més”.

Ilias Daras, de l’ESA, va assenyalar: “A més curt termini, com a part del seu programa FutureEO, l’ESA juntament amb la NASA també estan treballant ara en la realització de la constel·lació de gravetat MAGIC, que mesurarà els processos de transport massiu amb una precisió més alta, a un espai i un temps molt superiors. resolució, que les missions actuals d’última generació.

“MAGIC millorarà les observacions del canvi massiu de l’emmagatzematge d’aigües subterrànies, la circulació oceànica, el nivell del mar, les capes de gel i les glaceres utilitzant la tecnologia actual per respondre a la necessitat actual de més mesures de gravetat i millorades.

“No obstant això, també és important mirar més endavant en el futur, de manera que el desenvolupament de sensors quàntics d’àtoms freds per al clima és un tema candent i esperem que sigui una realitat d’aquí a 15 anys aproximadament”.