Sobre el experimento: «Misión a la estratosfera»

El proyecto «Misión la Estratosfera» del Colegio Internacional de Granada reúne a alumnos desde 2º de Bachillerato a 2º de primaria, junto a un equipo de 5 profesores de distintas especialidades.

Inspirados por la experiencia en Servet VIII, buscan explorar el cambio de color del cielo con la altitud y su relación con la composición atmosférica.

El proyecto multidisciplinar aprovecha las horas de proyectos y laboratorio para su realización en horas lectivas. Planea usar una sonda con cámaras y sensores para estudiar el color del cielo y el contenido de gases. También enviarán semillas para observar su desarrollo post-estratosférico.

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Su experimento: «Misión estratosfera: Color y vida»

Con nuestros experimentos pretendemos hacer un análisis del color del cielo y estudiar los cambios a medida que la sonda asciende por la troposfera, y la estratosfera. El diseño experimental incluye una cámara que registrará periódicamente fotografías a distintas alturas a medida que asciende la sonda, para su posterior análisis. El estudio será interesante para concienciar sobre la fragilidad de la atmósfera de nuestro planeta (la mitad de la masa atmosférica está en los primeros 5500 m) y su manifestación en el color del cielo. También se estudiará cómo se comportan la cianobacteria Arthrospira platensis (spirulina) en un viaje a la estratosfera y si resistiría un viaje a Marte. A los cultivos, se les realizará pruebas de viabilidad para comprobar la supervivencia de las cianobacterias bajo estas condiciones. Aprenderemos técnicas de microbiología básica y sobre la importancia que tuvieron estas bacterias en el desarrollo de vida en el planeta tierra. 

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Si quieres conocer los avances de los centros participantes en el proyecto de ciencia ciudadana en el aula #SERVETVIII, así como la fecha de lanzamiento de los globos sonda a la estratosfera, visita https://servet.ibercivis.es. Servet en un proyecto coordinado por la Fundación Ibercivis y que cuenta con el apoyo de la FECYT – Ministero de Ciencia e Innovación.

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En nuestro proyecto hemos diseñado dos experimentos, uno está más relacionado con
la Física y Química y el otro con la Biología.

EXPERIMENTO 1: Partimos de la pregunta ¿Por qué el cielo es azul?
Pretendemos hacer un análisis del color del cielo y estudiar los cambios a medida que la
sonda asciende por la troposfera, y la estratosfera.

Diseño del experimento
El diseño experimental incluye una cámara de fotos Sunstech-4k configurada para
registrar periódicamente imágenes. Se adquirirán fotografías a distintas alturas a
medida que asciende la sonda, para su posterior análisis de la colorimetría del cielo.
La cámara irá alojada en una cápsula y como soportará temperaturas exteriores muy
bajas, una de las dificultades con las que nos hemos encontrado es aislar bien la cápsula
y conseguir que su interior no alcance temperaturas que hagan que la batería de la
cámara deje de funcionar. Para ello hemos hecho un estudio tanto del aislamiento de
las paredes de la cápsula como de la forma de mantener una temperatura interior por
encima de -5 grados centígrado durante el tiempo que dura su viaje a la estratosfera.
Para cumplir los dos objetivos marcados, el aislamiento y mantener la temperatura
interna de la cápsula, hemos investigado diferentes posibilidades.
En cuanto al aislamiento térmico hemos hecho varios prototipos de cápsula con
planchas de espuma de poliuretano y con una ventana para el objetivo de la cámara.
Para mantener la temperatura de la cápsula, hemos pensado en dos soluciones. Una es
introducir en la cápsula una fuente de calor, consistente en una batería con un calefactor
(o resistencia) y otra posibilidad es introducir en la cápsula depósitos de agua caliente
que aumenten la inercia térmica (la oposición al cambio de temperatura). Para ver la
viabilidad de ambas soluciones, hemos decidido hacer experimentos con los diferentes
prototipos de cápsulas y someterlas a bajas temperaturas en un frigorífico y registrar la
evolución de la temperatura durante al menos dos horas. Con estos experimentos
podremos simular el efecto que la baja temperatura de la estratosfera producirá en el
interior de la cápsula. Antes de llevar a cabo estos experimentos hemos hecho un
estudio termodinámico, determinando la energía que sería necesaria aportar al interior
de la cápsula. Registraremos el descenso de la temperatura con el tiempo y
analizaremos si es necesario mejorar las condiciones internas de la cápsula y hacer
ajustes para conseguir nuestro objetivo.

Plan de análisis de datos obtenidos
Las fotografías adquiridas contarán con una marca de tiempo, que se cruzará con los
registros de altitud de la sonda, de modo que a cada imagen se le podrá asignar una
altitud.
Las fotos adquiridas se analizarán buscando las coordenadas de color RGB y HSL de
regiones correspondientes a distintas elevaciones angulares sobre el horizonte, y
distintas distancias angulares con respecto al sol, para cada altitud. El software es diseño
propio donde hemos creado scripts en Octave para analizar los colores de los píxeles
seleccionando regiones de cada imagen.
Una imagen es una matriz de pixeles y cada pixel tiene 3 colores Red, Green, Blue, (RGB),
con niveles que van del 0 al 255. La cantidad de cada uno de los colores RGB cambia en
función de la altitud, elevación sobre el horizonte y distancia angular con respecto al sol.
Con estos datos no pretendemos hacer un modelo físico, sino hacer una descripción
estadística del color del cielo y sus cambios en función de la altitud. Estos colores están
asociados a las diferentes concentraciones de los gases en la atmósfera y su distribución
en altura. El cielo es luminoso debido a la dispersión de la luz que cambiará con la altura.
Uno de los retos planteados es comprobar si es posible ver estrellas en las imágenes,
cuando la sonda alcance las altitudes mayores (a 30 km la masa atmosférica que queda
por encima es inferior al 2%).
En caso de la presencia de nubes, podemos tener un efecto diferente, pero siempre por
debajo de la capa de inversión y, en cualquier caso, en la troposfera.
Previo al experimento con la sonda hemos realizado un trabajo de campo a pequeña
escala haciendo fotos a diferentes altitudes en el entorno de Granada, desde el nivel del
mar en la costa de Motril, hasta las cumbres más altas de Sierra Nevada, a unos 3400
metros. Para ello tenemos resultados del análisis sobre las fotografías adquiridas en
estos experimentos preliminares.

Plan de futuro
Si nuestro experimento tiene éxito y podemos analizar el color del cielo con las
imágenes tomadas por nuestra cámara, nos planteamos la posibilidad, en futuras
convocatorias, de introducir en la cápsula instrumentos que registren indicadores que
nos permitan medir los parámetros necesarios para poder responder a otras
preguntas: ¿De qué depende que se vea de diferentes colores?, ¿el color tiene relación
con algunos compuestos atmosféricos?, ¿Cuáles?, ¿El cielo también es azul en otros
planetas?

EXPERIMENTO 2: Partimos de la pregunta: ¿Cómo vivirán las bacterias en la
estratosfera?
Las bacterias son parte de nuestra vida, tanto para lo bueno como para lo no tan bueno.
Dentro de las bacterias existen unas peculiarmente interesantes para nuestra vida, las
cianobacterias. Estas bacterias son las responsables de que hace aproximadamente
4300 millones de años la atmósfera cambiara a una atmósfera rica en oxígeno. Este
hecho es probable que pueda replicarse en otros planetas mediante lo que se conoce
como terraformación. Así, estos planetas podrían tener una atmósfera similar a la tierra
con cielos azules como el nuestro. Es por su importancia por la que nos preguntamos
cómo podrían sobrevivir estas bacterias a un viaje por la estratosfera teniendo en cuenta
las bajas temperaturas y condiciones de presión cambiantes que se dan en el ascenso
del globo sonda. Los alumnos aislarán la cianobacteria Arthrospira platensis (spirulina)
usando medios de crecimiento diferenciales. Posteriormente el cultivo será introducido
en la sonda junto con un termómetro digital que irá registrando la temperatura en cada
momento. El cultivo, una vez realice el viaje, será analizado junto con un cultivo control
que permanecerá en tierra para comprobar cómo se ha visto afectada la viabilidad de
las células estudiadas. Los alumnos aprenderán técnicas de microbiología básica y
aprenderán sobre la importancia que tuvieron estas en el desarrollo de vida en el
planeta tierra.
A los dos cultivos (control y experimento) se les realizará pruebas de viabilidad para
comprobar la supervivencia de las cianobacterias bajo las condiciones. Estas pruebas de
viabilidad consistirán en un recuento de colonias tanto del cultivo problema como del
cultivo control. Además, se procederá a realizar una tinción vital mediante el uso de
colorantes específicos. Estos colorantes pueden teñir células que tienen su membrana
deteriorada (células muertas) mientras que las células vivas no se teñirán con el
colorante. Los datos obtenidos podrán correlacionarse con la temperatura y las
condiciones ambientales registradas.

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