Grupo de Atmósferas Planetarias Terrestres (GAPT)

Actualmente, el cambio climático constituye el principal motor para profundizar en la comprensión de la atmósfera terrestre y mejorar la capacidad de predicción del clima.

En este contexto, los principales objetivos científicos son:

• Determinar la influencia del Sol y de las actividades humanas en la composición, dinámica y balance energético de la atmósfera, con el objetivo de mejorar los modelos climáticos.
• Investigar en detalle la alta atmósfera, una región aun escasamente caracterizada. Por ejemplo, hasta la fecha no se ha determinado la abundancia de un compuesto clave: el oxígeno atómico. Un conocimiento más profundo sobre esta región es esencial para mejorar la navegación de satélites en órbita baja y la evolución de los desechos espaciales.

La atmósfera terrestre vista desde el espacio. Crédito: ESA – Thomas Reiter

Para ello, el grupo lleva a cabo un trabajo tanto observacional como teórico.  Por un lado, analiza medidas de las emisiones atmosféricas en el infrarrojo tomadas por instrumentos a bordo de satélites. Mayoritariamente, ha venido empleando datos del instrumento MIPAS a bordo del satélite europeo Envisat, lanzado en 2002, y del instrumento SABER del satélite TIMED de la NASA, lanzado en 2001. En la actualidad, se enfoca más en propuestas de nuevas misiones de la Agencia Espacial Europea para obtener nuevos datos con mayor resolución espaciotemporal que permitan responder a las cuestiones científicas planteadas actualmente. En concreto, para las misiones candidatas CAIRT y KEYSTONE.

Para obtener los datos de temperatura y concentraciones de compuestos de la atmósfera a partir de las observaciones se necesitan códigos sofisticados en los que el grupo es experto. Así, ha desarrollado códigos de transferencia radiativa, como KOPRA y NEMESIS; de inversión, como RCP; así como modelos de no LTE, como GRANADA, que permiten obtener los parámetros atmosféricos, principalmente de las capas más altas, con gran exactitud. 

Por otro lado, también usa modelos climáticos 3D, como el The Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM) del Centro Nacional de Investigación Atmosférica (NCAR) de Estados Unidos.

Sus resultados científicos sirven para mejorar los modelos climáticos y asesorar al Grupo Intergubernamental de Expertos sobre Cambio Climático (IPCC). También forman parte del proyecto europeo EXPECT, que busca abordar deficiencias críticas en la comprensión y predicción de los cambios climáticos regionales y los fenómenos meteorológicos extremos.

Venus es conocido como el planeta gemelo de la Tierra por su tamaño similar, aunque presenta características muy distintas. La escasa inclinación de su eje hace que no existan estaciones. Su atmósfera, compuesta principalmente por CO₂, es mucho más densa que la de la Tierra, y genera un intenso efecto invernadero que eleva la temperatura superficial hasta unos 465 °C de media. Además, Venus está cubierto por una espesa capa de nubes formadas principalmente por ácido sulfúrico situada en la atmósfera media.

Los objetivos científicos en torno a Venus son:

• Caracterizar su alta atmósfera, su composición, temperatura y dinámica para investigar en profundidad el funcionamiento de su sistema climático.
• Aplicar los conocimientos sobre su atmósfera para la caracterización de exoplanetas rocosos calientes potencialmente similares a Venus (exo-Venus).

Imagen compuesta de Venus en infrarrojo y ultravioleta. Crédito: ESA/MPS/DLR/IDA y ESA/VIRTIS/INAF-IASF/Obs. de París-LESIA

Para ello, el grupo ha trabajado con datos de la misión Venus Express (VEx), de la Agencia Espacial Europea (ESA), y actualmente centra su actividad científica en estudios teóricos, utilizando y desarrollando modelos de circulación general (GCM), capaces de realizar simulaciones tridimensionales detalladas del estado de su atmósfera. Los resultados obtenidos permiten interpretar las observaciones de Venus registradas mediante satélites (p. ej. Pioneer Venus, Magellan, VEx) y telescopios terrestres, además de contribuir a la preparación de futuras misiones espaciales, como EnVision, en la que el grupo participa activamente.

Los modelos de circulación general de Venus, Marte y exoplanetas rocosos utilizados por el grupo fueron adaptados con éxito a partir del modelo terrestre desarrollado por el Laboratorio de Meteorología Dinámica (LMD) de París y continúan perfeccionándose de manera constante mediante actividades de vaildación con cada nueva misión planetaria.

Marte posee una atmósfera más tenue y mucho más variable que la atmósfera terrestre, con fuertes gradientes térmicos entre bandas de latitud y con la hora local. Está compuesta principalmente por dióxido de carbono (95%) y en ella se forman frecuentes y aún impredecibles tormentas de polvo (algunas de escala global). Su capa superior destaca por la ausencia de magnetosfera propia y un gran impacto del viento solar, lo que contribuye a una pérdida gradual de gases al espacio, un proceso que habría transformado una atmósfera densa, cálida y húmeda en su pasado a la atmósfera fría y seca actual.

En este contexto, los objetivos científicos en torno a Marte son, entre otros:

• Determinar observacionalmente la abundancia de gases minoritarios en su atmósfera y mejorar la comprensión de sus fuentes, así como de su transporte y distribución mediante procesos químicos y dinámicos.
• Profundizar en la distribución y comportamiento de los aerosoles (polvo y hielo de agua), que controlan gran parte del clima marciano.
• Comprender los acontecimientos climáticos que provocaron la pérdida parcial de la atmósfera de Marte al espacio.

Imagen de una red de valles secos en Marte, tomada por la sonda Mars Express de la ESA. Crédito: ESA/DLR/FU Berlin

Para ello, realizan un trabajo observacional y teórico. Desde la perspectiva observacional, el grupo analiza datos procedentes de diversas misiones espaciales y telescopios terrestres. Destaca especialmente su contribución al análisis de medidas de los instrumentos NOMAD y ACS de la misión ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) de la Agencia Espacial Europea (ESA), donde lidera algunas de las investigaciones científicas de mayor impacto del orbitador. También participa oficialmente en el orbitador Mars Express de la ESA y la misión Martian Moons Exploration (MMX) de la JAXA. Además, trabajan en la propuesta de nuevas misiones (M-MATISSE y LIGHTSHIP) de la ESA que aporten nuevos datos sobre la atmósfera del planeta rojo y su evolución. 

Desde la perspectiva teórica, el grupo está altamente involucrado en el desarrollo de modelos climáticos de la atmósfera marciana, destacando el Mars Planetary Climate Model en colaboración con el Laboratorio de Meteorología Dinámica (LMD) de París, donde GAPT lidera los modelos de la alta atmósfera y su escape al espacio.

El grupo se centra en estudiar los sub-Neptunos y las súper-Tierras, exoplanetas con tamaños intermedios entre la Tierra y Neptuno que constituyen la población más abundante de la galaxia, aunque no están presentes en el sistema solar. Estos cuentan con una gran diversidad de estructuras internas y atmósferas que pueden ayudar a esclarecer los procesos de evolución planetaria. Actualmente, la mejor forma de investigar la naturaleza de los exoplanetas es a través de su atmósfera.

En este contexto, el principal objetivo científico del grupo es:

• Investigar los procesos de formación, la trayectoria evolutiva, y la potencial habitabilidad de estos exoplanetas mediante la caracterización de las propiedades fisicoquímicas de sus atmósferas.

Comparación de TOI-421 b y GJ 1214 b con la Tierra y Neptuno. Crédito: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Para ello, llevan a cabo un trabajo observacional y teórico. Puesto que las nubes y brumas están presentes en prácticamente cualquier atmósfera exoplanetaria y pueden enmascarar las señales de moléculas clave (agua, metano o dióxido de carbono), emplean técnicas observacionales como la espectroscopía de alta resolución desde tierra, que permite resolver líneas espectrales individuales de la exo-atmósfera y separar la señal del exoplaneta de otras contribuciones espectrales.

Por otra parte, el grupo realiza simulaciones con modelos de circulación global y de escape hidrodinámico con objeto de entender mejor los procesos que controlan la evolución atmosférica.

Los datos observacionales con los que trabajan actualmente proceden principalmente de los instrumentos CARMENES, instalado en el Observatorio de Calar Alto (Almería), y CRIRES⁺, instalado en el Observatorio de Paranal (Chile). Además, están haciendo estudios preparatorios para observar los exoplanetas a alta resolución desde tierra con el espectrógrafo ANDES, el cual será instalado en el Extremely Large Telescope (ELT) del Observatorio Europeo Austral (ESO) en el Cerro Armazones (Chile); y una moderada resolución desde el espacio, con el telescopio espacial James Webb.

En menor medida, en el grupo también se investigan las atmósferas de otros cuerpos del sistema Solar, como la de Titán, el mayor satélite de Saturno, o la de Júpiter, el mayor gigante gaseoso del sistema solar. El principal objetivo científico es:

• Conocer mejor la composición, estructura térmica y dinámica de estas atmósferas, que son muy diferentes a las de las otras líneas de investigación.

Saturno y Titán. Crédito: NASA/JPL/Space Science Institute

Su actividad investigadora, tanto observacional como teórica, se centra en la adaptación y aplicación de herramientas de transporte radiativo y modelos de no equilibrio termodinámico local (no-ETL) a estos cuerpos, así como en el análisis de los datos obtenidos por la misión Cassini-Huygens (NASA-ESA-ASI) y de las observaciones más recientes proporcionadas por el telescopio espacial James Webb (NASA-ESA-CSA).