Cómo los científicos están utilizando la Estación Espacial Internacional para estudiar el clima de la Tierra

En la Tierra, a menudo miramos hacia el cielo deseando saber qué reside en el resto del universo. Mientras tanto, a 250 millas sobre nuestro planeta, la Estación Espacial Internacional mira hacia el pasado.

Sobre nosotros, varios instrumentos de observación de la Tierra están montados en el exterior de varios de los módulos de la estación, incluyendo una extremidad llena de cámaras, cajas y herramientas que cuelgan del borde del Módulo Experimental Japonés (JEM) de la estación. Los CubeSats de observación de la Tierra se despliegan regularmente desde la esclusa de aire de la estación. Los astronautas toman fotos del planeta desde las ventanas del laboratorio en órbita. La estación incluso realiza experimentos de ciencias de la Tierra. Todo este trabajo proporciona información sobre el clima de nuestro hogar y cómo podemos prepararnos para los cambios venideros.

"Si no tiene una buena comprensión de cómo pueden cambiar las cosas, está en una posición muy pobre para poder manejarlo cuando lo hagan", dice William Stefanov, gerente de la Oficina de Ciencias de la Exploración en el Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston.

Las condiciones del tiempo reflejan las condiciones de la atmósfera durante un corto período de tiempo, y el clima es la forma en que la atmósfera se "comporta" durante décadas, cientos de años o incluso períodos de tiempo geológico, dice Stefanov.

Eso significa que los factores que influyen en nuestro clima deben rastrearse durante largos períodos. Sus más de 20 años en órbita hacen de la estación espacial un gran lugar para recopilar estos datos a largo plazo. La información combinada crea un conjunto de datos único que nos ayuda a informar las decisiones climáticas y potencialmente desarrollar soluciones a los problemas ambientales.

Ojos en la tierra

La estación espacial ofrece una perspectiva planetaria única con una trayectoria orbital que pasa por más del 90 por ciento de la población de la Tierra. Sus aproximadamente 52 grados de inclinación orbital permiten que los astronautas y las cargas útiles de observación de la Tierra vean salir y ponerse el sol 16 veces al día en todo el mundo.

“Esa órbita permite que la estación espacial pase sobre diferentes puntos de la Tierra en diferentes momentos del día o de la noche y recopile datos. Es un conjunto de datos fundamentalmente diferente al que la mayoría de los otros instrumentos de detección remota recopilan en satélites en vuelo libre,” dice Stefanov.

Montadas en el exterior del laboratorio en órbita, las cargas útiles internacionales como ECOSTRESS, GEDI, OCO-3, DESIS, TSIS (también conocido como TSIS-1) e HISUI recopilan individualmente datos relacionados con el clima. En combinación, proporcionan un conjunto único de medidas que podrían impulsar la vanguardia de la investigación ambiental.

“El equipo de OCO-3 quiere comprender las plantas y su papel en el ciclo del carbono”, dice Annmarie Eldering, científica del proyecto OCO-3, del Jet Propulsion Lab de la NASA en el sur de California. “Resulta que nuestro vecino de la estación espacial, ECOSTRESS, está analizando cómo responden las plantas al estrés. Y luego está GEDI, que analiza la cantidad de material vegetal que hay en el suelo. Los científicos que están pensando en las plantas y su papel en el ciclo del carbono están muy emocionados. Hemos escuchado muchas discusiones sobre cómo podemos usar todos los datos juntos para comprender mejor las plantas ".

El sensor OCO-3 utiliza reflejos de la luz solar a través de la atmósfera para medir variaciones en el dióxido de carbono atmosférico, observando cambios de menos de una parte por millón.

“La mayoría de los gases como el ozono, el monóxido de carbono o el vapor de agua duplican o triplican su concentración atmosférica cuando están contaminados, por lo que es bastante fácil de detectar. Pero para el dióxido de carbono, es excepcionalmente difícil ver los cambios”, dice Eldering.

Medir esos pequeños cambios podría ser clave para responder preguntas de muchos años sobre el dióxido de carbono atmosférico.

“Afortunadamente para nosotros, las plantas y el océano absorben aproximadamente la mitad de las emisiones de dióxido de carbono generadas por el hombre cada año. Pero todavía existen misterios en torno a cómo lo hacen, por qué la cantidad es diferente cada año y cómo se producirá la absorción en el futuro”, dice Eldering. "Nuestros datos están destinados a ayudar a responder ese tipo de preguntas".

El almacenamiento y la eliminación de carbono también se ha investigado tanto dentro como fuera de la estación. El fotobiorreactor examinó si las microalgas podrían ayudar a cerrar el ciclo de carbono en los sistemas de soporte vital, y el Experimento de Kuwait: E. coli C5 estudió el efecto de la microgravedad en las bacterias E. coli que fueron modificadas para consumir dióxido de carbono como fuente de alimento. Las imágenes tomadas por la antigua carga útil HICO de la estación espacial incluso ayudaron a desarrollar un algoritmo para detectar floraciones de algas nocivas. Las algas juegan un papel importante en el ciclo global del carbono y las floraciones son responsables de gran parte de la absorción de carbono del océano.

Con otros dispositivos como SAGE-III que rastrea el ozono, ISS-LIS e ASIM que monitorean los rayos y TSIS que rastrea la energía total que fluye hacia la Tierra desde el Sol, los experimentos de la estación avanzan en numerosos registros y modelos climáticos.

"El cambio climático presenta lo que quizás sea el mayor desafío ambiental de la humanidad", dice el ex investigador principal de TSIS y profesor de la Universidad de Colorado Boulder, Peter Pilewskie. “Monitorear la energía que fluye hacia adentro, dentro y fuera del sistema respalda nuestra capacidad para comprender cómo funciona el sistema climático, reconocer que está cambiando e identificar los mecanismos responsables del cambio climático”.

La Estación ofrece una plataforma estandarizada y capaz para albergar experimentos de observación de la Tierra como TSIS. Del tamaño de un campo de fútbol y equipada con numerosos puntos de conexión, gran capacidad de datos y una gran fuente de alimentación (programada para ser aún más grande con la próxima instalación de los paneles solares iROSA), la estación espacial puede albergar una amplia variedad de instrumentos simultáneamente.

La disponibilidad de estos recursos hizo de la estación una excelente opción de último momento para que el equipo de TSIS pusiera rápidamente su carga útil en órbita. Después de algunos retrasos, el equipo se enfrentaba a posibles fallas de los instrumentos de rastreo previos antes de que TSIS pudiera lanzarse.

“Comenzó a ser bastante terrible, porque la precisión del registro climático se mantiene en su nivel más alto posible cuando el registro de datos es continuo”, dice Pilewskie. "Gracias a la estación espacial, pudimos continuar con este récord".

Una vez que los investigadores aprenden los conceptos básicos de la creación de una carga útil para la estación espacial, pueden aplicar ese conocimiento a futuros proyectos de la estación. Pilewskie ya está trabajando en su próximo experimento, CLARREO Pathfinder, cuyo lanzamiento está previsto para los próximos años.

“El valor que obtuvimos al operar un instrumento en la estación que necesitaba apuntar con mucha precisión no puede subestimarse”, dice Pilewskie. "Tenemos que hacer lo mismo con CLARREO Pathfinder, por lo que estamos usando algunos de los mismos motores que usamos para impulsar los instrumentos TSIS".

CLARREO planea estudiar el clima de la Tierra tomando medidas de la luz solar reflejada por la Tierra y la Luna con una incertidumbre de cinco a diez veces menor que las medidas de los sensores existentes.

El elemento humano

No se trata solo de sensores que monitorean nuestro planeta desde las alturas. La gente también lo hace.

Las ventanas de la estación espacial brindan una oportunidad para la fotografía de astronautas y la recopilación manual de datos climáticos. Los astronautas han tomado más de 4 millones de imágenes de la Tierra desde el espacio (más de 3,5 millones desde la estación espacial), lo que contribuye a uno de los registros más antiguos de cómo ha cambiado la Tierra a lo largo del tiempo. Las Observaciones de la Tierra por la triplicación actualmente respalda una serie de estudios de iluminación nocturna urbana, monitoreo de glaciares y volcanes, y estudios de procesos atmosféricos afectados por poderosas erupciones volcánicas. Las imágenes también se utilizan en investigaciones ecológicas, incluyendo un proyecto colaborativo llamado AMASS, que rastreó las rutas de migración de las aves y los efectos de los cambios que ocurren a lo largo de esas rutas.

Estas imágenes también apoyan los esfuerzos de socorro en casos de desastre para eventos como huracanes e incendios forestales. Después de recibir la notificación de que ocurrió un desastre natural, los científicos en tierra determinan si la tripulación podrá ver esa área mientras orbita por encima. Si es así, la tripulación captura y envía imágenes a la Tierra. Luego, las imágenes se georreferencian para que las utilicen los equipos de peligro en el suelo. Las imágenes de astronautas han sido útiles para eventos de incendios forestales, por ejemplo, mostrando a los socorristas hacia dónde se dirige la columna de humo.

Despliegue más allá de la estación

La Estación extiende su impacto en la ciencia climática al desplegar CubeSats en órbita terrestre baja. Estos dispositivos del tamaño de una caja de zapatos, que contienen demostraciones de tecnología o prueban nuevos tipos de ciencia climática, se lanzan a la estación junto con miles de libras de otras investigaciones de investigación y suministros de carga. Los astronautas los descargan y los preparan en la estación y luego los despliegan fuera de la esclusa de aire de la estación.

“Muchos de nuestros satélites más pequeños, CubeSats, están siendo transportados debido a la estación espacial. Ese ha sido un gran recurso para programas pequeños, especialmente universidades o centros de la NASA que intentan poner en marcha algunos proyectos pequeños. CubeSats podría ser su primer trampolín hacia cosas más grandes ”, dice el investigador principal de TSIS y NanoRacks-MinXSS, Tom Woods. "La estación espacial ofrece muchas oportunidades para llevar estas cosas más pequeñas al espacio".

Se han lanzado más de 250 CubeSats desde la estación, incluyendo muchas cargas útiles centradas en el clima. Por ejemplo:

• El NanoRacks-MinXSS CubeSat diseñado por estudiantes tenía como objetivo una mejor comprensión de la energía de los rayos X solares y cómo afecta a las capas de la atmósfera superior de la Tierra.

• El satélite DIWATA-1 proporciona información de teledetección a Filipinas mediante la observación de desastres meteorológicos como tifones y lluvias intensas localizadas.

• El HARP CubeSat nos ayuda a comprender mejor cómo las nubes y los aerosoles impactan el tiempo, el clima y la calidad del aire.

A medida que cambia el clima de la Tierra, la Estación Espacial Internacional estará observando desde las alturas, lo que ayudará a proporcionar información única necesaria para mantener nuestro planeta seguro.

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Erin Winick Anthony

Oficina de Investigación de la Estación Espacial Internacional

Centro Espacial Johnson