La sombra de la Luna borra la mayor parte del Sol durante una etapa casi total del Gran Eclipse estadounidense del 21 de agosto de 2017. Crédito: Andrew Hancox , CC BY-NC 2.0.
Las mediciones realizadas por una red de monitoreo meteorológico nacional automatizada durante el eclipse solar total de 2017 iluminan cómo la tierra y la atmósfera responden a una pérdida repentina de luz solar.
Hace un año, los cielos de los Estados Unidos se oscurecieron cuando la Luna pasó frente al Sol. El evento celestial del 21 de Agosto de 2017, bautizado como el Gran Eclipse Estadounidense, fue el primer eclipse solar total desde 1918 en atravesar todo el ancho del territorio continental de los Estados Unidos.
Mientras millones de espectadores presenciaban la extraordinaria oscuridad del mediodía y la quietud provocada por la sombra de la Luna, una red nacional de observación meteorológica estaba haciendo lo que siempre hace. En 114 estaciones automatizadas en los 50 estados de EE. UU., La Red de referencia climática de los EE. UU. (USCRN) tomó lecturas precisas cada 5 minutos de temperatura de la superficie, temperatura del aire, humedad y otras condiciones ambientales [ Diamond et al. , 2013].
Aunque tomar esas lecturas fue solo un trabajo de rutina para la red, nuestro equipo previó que la coincidencia de la recopilación de datos ordinarios de la USCRN con este notable eclipse podría arrojar algo extremadamente útil. Esto se debe a que muchos fenómenos, desde la configuración diaria del Sol hasta eventos fugaces, como tormentas de polvo y nubes que pasan, de repente desconectan una parte del sistema tierra-atmósfera de su principal fuente de energía, el Sol.
Muchos modelos informáticos desarrollados para simular y predecir el comportamiento del sistema tierra-atmósfera -en particular, el pronóstico del tiempo y los modelos climáticos- tienen dificultades para reproducir con precisión la respuesta del sistema a tales desconexiones y reconexiones cuando ocurren de manera rápida o local. En otras palabras, surgen problemas cuando se simulan tales eventos en una escala de unos pocos minutos a unas pocas horas o cuando ocurren en pequeños sectores de una región más amplia.
Aunque los eclipses pueden parecer no relacionados con el clima y demasiado raros para tener implicaciones para el pronóstico del tiempo, tienen el mismo efecto de reducir rápidamente la cantidad de luz solar entrante que otros eventos pasajeros que ocurren con frecuencia y afectan el clima. El uso de datos de los efectos meteorológicos del “Great American Eclipse” nos permite identificar las deficiencias en los modelos de pronóstico del tiempo y hacer mejoras en ellos. Estas mejoras ayudan a generar mejores pronósticos meteorológicos.
Laboratorio de costa a costa
Para nosotros, el “Great American Eclipse” fue un gran experimento controlado en un laboratorio del tamaño de un continente. Al igual que los resultados de cualquier experimento controlado de laboratorio, las mediciones del USCRN durante el eclipse, desde estaciones equipadas con conjuntos uniformes de instrumentos, capturaron un conjunto revelador de respuestas a un tipo de cambio en el sistema. El eclipse produjo ese cambio en una amplia gama de regiones geográficas, tipos de clima y porcentajes de totalidad.
A lo largo de todo el USCRN, el oscurecimiento total, o la oscuridad, ocurrió en nueve estaciones durante el eclipse. La totalidad entre esas estaciones varió de 0.52 minutos en Lincoln, Nebraska, a 2.55 minutos en Crossville, Tenn. Cincuenta y cuatro estaciones más tenían al menos un 75% de oscurecimiento, y todas menos una tenían al menos un 50% (Figura 1).
Fig. 1. Estaciones de USCRN en la trayectoria del eclipse solar total del 21 de agosto de 2017 (círculos azules). Tenga en cuenta que el sexto círculo azul de la izquierda (en el sureste de Nebraska) representa dos estaciones cercanas.
Para recopilar las mediciones relevantes del “Great American Eclipse” de la base de datos de USCRN (todas gratuitas y disponibles públicamente), extrajimos los datos recopilados cada 5 minutos por cada estación, 2 horas antes del momento en que se produjo el mayor oscurecimiento del disco del Sol en esa ubicación, hasta 2 horas después de ese momento. Luego calculamos los cambios en las variables meteorológicas seleccionadas (es decir, la temperatura del aire, la temperatura de la superficie y la humedad relativa) durante ese período.
Este conjunto de datos único ahora está ayudando a los meteorólogos, climatólogos y científicos ambientales a comprender y caracterizar mejor las retroalimentaciones entre la superficie de la tierra y la atmósfera que la cubre, durante las interrupciones breves y / o localizadas de la radiación solar. Esas interrupciones incluyen una amplia gama de eventos, como cuando la niebla densa cubre una zona, llega una tormenta de polvo, se producen incendios prolongados o la nube de cenizas de un volcán oscurece temporalmente al Sol.
Del mismo modo, se están realizando esfuerzos para utilizar los datos para mejorar los modelos del sistema tierra-atmósfera. Por ejemplo, algunos de nuestros colegas en los laboratorios de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) en Boulder, Colorado, están utilizando nuestros datos de eclipses para ayudar a evaluar modelos de pronóstico del tiempo de alta resolución, como el llamado Rapid Refresh de alta resolución ( Modelo HRRR). Siendo un modelo de pronóstico del clima de próxima generación, HRRR asimila datos de radar cada 15 minutos y genera un pronóstico actualizado cada hora. Por el contrario, el Sistema Global de Pronósticos y otros modelos más tradicionales de pronóstico del tiempo, utilizados ampliamente en los Estados Unidos por el Servicio Meteorológico Nacional, ramas militares, meteorólogos de televisión y otros, producen nuevos pronósticos típicamente cada 6 horas.
Respuestas amplias
¿Qué efectos realmente reveló este gran experimento a partir del “apagado y encendido” de la luz solar local del eclipse? Los hallazgos en sí no son destacables porque los efectos observados, como la temperatura del aire y la superficie decrece (Figuras 2a y 2b, respectivamente) y la humedad relativa aumenta (Figura 3) cuando la Luna oscureció el disco del Sol, eran bien conocidos y esperados. Por el contrario, la captura en ubicaciones múltiples y variadas precisa la cantidad de cambio que tuvo lugar y en qué tasas es el resultado clave.
Fig. 2. Disminuye en (a) la temperatura del aire y (b) la temperatura infrarroja de la superficie entre la temperatura máxima dentro de las 2 horas anteriores al acercamiento máximo a la totalidad y la temperatura mínima durante el evento del eclipse en las estaciones USCRN en los Estados Unidos contiguos .
Fig. 3. Aumentos en la humedad relativa entre, la humedad relativa mínima dentro de las 2 horas anteriores al acercamiento máximo a la totalidad y la humedad relativa máxima durante el evento del eclipse en las estaciones USCRN en los Estados Unidos limítrofes.
Como se esperaba, los mayores impactos del eclipse se encontraron a lo largo de su línea central. Otros factores como la nubosidad y la cobertura vegetal también afectaron las respuestas tierra-atmósfera. Afortunadamente para este intento de medir exactamente los impactos del oscurecimiento solar , la Luna bloqueó el Sol a una hora del día cuando la radiación solar era fuerte y la mayoría de los Estados Unidos tenían poca cobertura de nubes.
Los efectos también fueron más fuertes en la parte oriental del país, donde el calentamiento diurno había progresado aún más y las masas de aire tenían mayor contenido de humedad que en los estados occidentales.
En general, el enfriamiento máximo en las estaciones USCRN varió de 2 ° C a 5 ° C cerca de la línea central (Figura 2a). Las temperaturas de la superficie, que a menudo experimentan mayores variaciones que las temperaturas del aire porque el suelo hace un mejor trabajo irradiando calor que el aire, cayeron en 109 sitios, con disminuciones que van de 5 ° C a 15 ° C (Figura 2b).
Para ilustrar los cambios en la radiación solar y la temperatura y el ritmo rápido en el que se produjeron esas variaciones debido al eclipse, nuestro equipo creó un mapa animado. El mapa usa colores para representar la intensidad de la radiación solar y las diferencias de temperatura registradas por las estaciones de USCRN cada 5 minutos durante el “Great American Eclipse”. Míralo aquí (para iniciar o detener la animación, haz clic en el ícono deslizador de tiempo en la esquina superior izquierda). Además, la descarga gratuita disponible en los sitios FTP en línea es el conjunto completo de datos cada 5 minutos del eclipse, así como el mapa animado mencionado anteriormente y otras animaciones relacionadas con el eclipse .
Una perspectiva diferente
Para validar de forma independiente los hallazgos del experimento USCRN, nuestro equipo también monitoreó el eclipse con otro conjunto de instrumentos desplegados cerca de la ciudad de Ten Mile, Tennessee, que se encuentra a 75 kilómetros al suroeste de Knoxville y en el camino de la totalidad. Este sitio fue ideal porque la totalidad duró 2,63 minutos, y las condiciones climáticas favorables permitieron maximizar los efectos del eclipse.
Allí, científicos de NOAA de la División de Difusión y Turbulencia Atmosférica (ATDD) del Laboratorio de Recursos del Aire (ARL) en Oak Ridge, Tennessee, instalaron instrumentos, incluidos algunos montados en un dron, para medir la superficie del suelo y la temperatura del aire (también medidos en todos los sitios de USCRN ) y la radiación de onda corta entrante y saliente (del Sol) y la radiación de onda larga (de la Tierra). Los vientos horizontales y verticales también se midieron para estudiar las interacciones tierra-atmósfera durante el eclipse. Los cambios en todas las condiciones meteorológicas anteriores en Ten Mile demostraron ser consistentes con los hallazgos de USCRN (ver Figura 4 para la temperatura de Ten Mile y datos de radiación solar).
Fig. 4. Encontramos que de acuerdo con los sitios de USCRN en el camino de la totalidad, las temperaturas en Ten Mile, Tennessee, durante el día del 21 de agosto de 2017 disminuyeron rápidamente durante y poco después de la totalidad del eclipse. Las temperaturas de la superficie (rojo) disminuyeron casi 12 ° C y la temperatura del aire (azul) disminuyó 5 ° C. Siguiendo estos mínimos de temperatura, tanto la temperatura de la superficie como la del aire volvieron a valores cercanos al preeclipse. La línea negra representa la radiación solar entrante (en vatios por metro cuadrado) en el sitio. Los tiempos están en la hora estándar local (LST).
Otras mediciones proporcionaron información adicional sobre los rápidos cambios en la energía cercana a la superficie durante el eclipse. El flujo de calor sensible, o la transferencia de calor de la superficie de la Tierra a la atmósfera, disminuyó a casi 0 vatios por metro cuadrado alrededor de la totalidad, pero aumentó hacia el final de la fase parcial.
También encontramos patrones similares en la energía cinética turbulenta, o cuánto varía el movimiento del aire, durante el eclipse. Estos patrones a gran escala impulsados por el eclipse sugieren que los cambios a pequeña escala que ocurren cada vez que la energía superficial se elimina rápidamente -por ejemplo, nubes gruesas o cargas pesadas de aerosoles que oscurecen el Sol- también podrían disminuir la cantidad de turbulencia en la atmósfera inferior. Esta disminución podría conducir a un menor intercambio de energía entre la superficie y la atmósfera, lo que reduciría aún más la turbulencia.
Avanzando
Mientras que el conjunto de datos a escala continental que recopilamos de USCRN nos ofrece una forma de estudiar las retroalimentaciones entre la superficie terrestre y la atmósfera, los estudios de campo regionales específicos proporcionan otras.
Por ejemplo, varios autores de este estudio del eclipse están involucrados en el Experimento de Retroalimentación Tierra – Atmósfera (LAFE) [ Wulfmeyer et al. , 2018], un experimento de un mes, el año pasado en el norte de Oklahoma en Agosto, que utilizó una densa red de observaciones meteorológicas sofisticadas cercanas a la superficie, para buscar formas de representar mejor las interacciones muy complejas entre la superficie terrestre y la atmósfera. Aunque el eclipse no fue el foco de LAFE, el sitio experimentó 89% de oscurecimiento, proporcionando así otro conjunto de datos enriquecido sobre los cambios rápidos, cerca de la superficie que ocurrieron durante el Gran Eclipse estadounidense [ Turner et al. , 2018]
Combinando tales observaciones del trabajo de campo en escalas relativamente pequeñas con observaciones a escala continental como las de USCRN, esperamos obtener nuevas perspectivas sobre las interacciones y procesos que ocurren dentro de la parte más baja de nuestra atmósfera. Aumentar nuestro conocimiento sobre estos procesos y aprender cómo representarlos mejor mejorará en última instancia los modelos de pronóstico del tiempo en los que todos confiamos para nuestras actividades cotidianas.
Expresiones de gratitud
Agradecemos el trabajo arduo de los técnicos de USCRN de NOAA / ARL / ATDD para instalar y mantener la red. Agradecemos a Mark Heuer de NOAA / ARL / ATDD por ensamblar los instrumentos utilizados en la torre de Ten Mile y Kym, Tom y Jerry Swanks, quienes nos permitieron instalar la torre. Agradecemos a Devin Thomas de ERT, Inc., en los Centros Nacionales de Información Ambiental de NOAA por su ayuda con los gráficos. Agradecemos a Michael Potter y Rick Saylor de NOAA / ARL / ATDD por desarrollar las páginas web de eclipse. Reconocemos a Rick Saylor y a un revisor anónimo, cuyas sugerencias ayudaron a mejorar la calidad del manuscrito. Finalmente, observamos que los resultados y conclusiones, así como también cualquier punto de vista expresado aquí, son los de los autores y no reflejan necesariamente los de NOAA o del Departamento de Comercio.
Cita: Lee, TR, M. Buban, MA Palecki, RD Leeper, HJ Diamante, E. Dumas, TP Meyers y CB Baker (2018), Great American Eclipse Data May Fine-Tune Weather Forecasts, Eos, 99, https: //doi.org/10.1029/2018EO103931 . Publicado el 16 de Agosto de 2018.
Texto no sujeto a derechos de autor .
Material relacionado:
El conjunto de estudios meteorológicos realizados a partir de los datos recabados durante el Gran Eclipse de Norteamérica, fueron presentados en la 15ª Conferencia sobre Tiempo Espacial durante la Reunión Anual nº98 de la Sociedad Americana de Meteorología, celebrada en Enero de 2018 en Austin, Texas:
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Results from the Great American Solar Eclipse. 15th Conference on Space Weather, Monday, 8 January 2018.
Toda la información, ya se trate de artículos, sitios, libros, videos de meetings, conferencias y charlas públicas, sobre el Gran Eclipse de Norteamérica la encuentra en el apartado ” Material relacionado” del artículo:
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Los astrónomos se preparan para el espectáculo del eclipse solar 2017. Carlos Costa. Asociación de Aficionados a la Astronomía de Uruguay. 14 de Agosto de 2017.
Las impresionantes imágenes comentadas del Gran Eclipse en Astronomy Picture of the Day” (APOD):
Comenzamos con la que llevó un trabajo enorme de elaboración digital, que recién se dio a conocer este año:
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Total Solar Eclipse Corona in HDR . APOD, April 30, 2018.
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Eclipsosaurus Rex . October 7, 2017.
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A First Glimpse of the Great American Eclipse . APOD, Sep. 1, 2017.
La galería de imágenes de Time and Date:
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Total Solar Eclipse Aug, 21, 2017. timeanddate.com
El eclipse desde una perspectiva diferente:
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The Most Amazing 2017 Total Solar Eclipse Photos Taken From Space. Joseph Castro / Space.com /
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Here’s what the 2017 solar eclipse looked like from space. Sean O’Kane. The Verge, Aug. 21, 2017.
Nota del editor sobre el Gran Eclipse de Norteamérica del 2017 y lo que sigue.
El Gran Eclipse de Norteamérica, fue por lejos, sin lugar a dudas, el evento astronómico más importante del año 2017. Desde varios años antes se había comenzado a trabajar tanto a nivel profesional como a nivel de maestros y profesores, para concientizar al público norteamericano, desde la escuela a la universidad y al público general, del extraordinario evento que tendría lugar, siendo tal vez la campaña de divulgación astronómica y científica más importante de la que se tenga conocimiento.
Se organizaron varias reuniones (Meetings) y Talleres de trabajo (Workshops), se visitaron todas las escuelas y centros de estudio, se diseñaron proyectos para la participación de aficionados y otros que involucraron a estudiantes tanto de secundaria como de la universidad, se produjeron videos y cursos en línea, podcast webcasts, webinars y presentaciones, se imprimieron varios folletos y libros,mapas y calculadores, se crearon sitios web y se involucró a todos los medios de difusión de una forma efectiva.
El objetivo se logró.
¿Por qué todo este esfuerzo?
Porque fue una oportunidad única para acercar nuevas voluntades al ámbito científico, cosa muy dificil de lograr en las sociedades de hoy y en particular en la norteamericana.
En ocasión del eclipse anular de Sol en La Patagonia en Febrero de 2017, se celebró el 2º Workshop Argentino de Educación y Difusión de la Astronomía (WDEA II) en Esquel, Provincia de Chubut, Argentina, en donde tuve la oportunidad de conocer y escuchar de primera mano a tres de los grandes protagonistas de esa monumental campaña:
_el legendario Astrofísico Fred Espenak que fue responsable durante su carrera, del área de eclipses de la NASA en el Centro Goddard de Vuelos Espaciales y editor del conocido sitio “Mr. Eclipse“, hoy retirado pero que igual sigue colaborando con la NASA, divulgador y autor de importantes publicaciones,
_el Dr. Prof. Jay Pasachoff del William College, Massachusetts, Heliofísico y docente especializado, siendo además Presidente del Grupo de Trabajo de Eclipses de la Unión Astronómica Internacional y autor de conocidos libros.
_Los acompañaba Charles Fulco, “Embajador” de la NASA especializado en preparar a los maestros de escuela en cómo enseñarle a los niños, de la manera más sencilla, qué es un eclipse, siendo un conocido divulgador, fue además el coordinador nacional de educación para la Fuerza de Tarea del Eclipse Solar Total 2017, de la American Astronomical Society.
En reconocimiento al enorme esfuerzo e impulso en esta campaña de divulgación del Dr. Jay Pasachoff y a sus destacadas contribuciónes a la Física y a la comunicación de ellas a los educadores, la Asociación Norteamericana de Profesores de Física lo galardonó con ” The 2017 Richtmyer Memorial Lecture Award”.
En el pasado mes de Julio, el Dr. Richard Tresch Fienberg, Oficial de Prensa de la Sociedad Americana de Astronomía (AAS) recibió la Medalla al Logro Público Excepcional de la NASA “por un servicio excepcional a la nación por sus incansables esfuerzos para lograr la observación solar segura por parte del público durante el eclipse total de Sol del 21 de Agosto de 2017.
¿Qué es lo que sigue?
Lo que viene es el próximo eclipse total de Sol del 2 de Julio de 2019 cuyo camino de totalidad cruzará el territorio Argentino y el Chileno. Ya hay instituido un comité científico a cargo de la organización del WDEA III, el Tercer Worlshop Argentino de Educaión y Difusión de la Astronomía que tendrá lugar el año que viene en la ciudad de San Juan a continuación del eclipse.
Todas las enseñanzas recogidas tanto de los WDEA I y II, como del trabajo hecho por los norteamericanos para el Gran Eclipse de 2017, serán factores a favor determinantes para asegurar el éxito del futuro Workshop. Se organizarán relevamientos fotográficos por parte de asociaciones astronómicas locales amateur y profesionales a lo largo del camino de totalidad, que serán expuestos a continuación durante el evento, para luego elaborar conclusiones sobre ellos.
Junto a los distinguidos investigadores argentinos que participaron en ediciones anteriores de los Workshops, ojalá pueda contarse con la presencia de las figuras internacionales mencionadas más arriba.
