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Índice

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Descripción general

Esta lección presenta los conceptos y principios básicos de la extracción de información importante sobre las propiedades de la superficie terrestre y oceánica a partir de las observaciones remotas realizadas con los instrumentos de microondas de los satélites en órbita polar. La primera sección explica las ventajas de la teledetección por microondas desde una plataforma en órbita polar y describe brevemente algunas de las exclusivas características espectrales que permiten diferenciar los varios tipos de superficies y sus propiedades. Las secciones posteriores explican más a fondo cómo se generan y se aplican cuatros productos de microondas que cuantifican ciertas propiedades de la superficie terrestre y oceánica y sus características: manto de nieve y equivalente en agua de la nieve; hielo marino; humedad de la superficie y del suelo; temperatura de la superficie del mar. La lección describe misiones satelitales del pasado y actuales, así como algunas misiones de continuación, como JPSS, GPM y GCOM. Tardará entre dos y tres horas en estudiar esta lección.

Objetivos de aprendizaje

Cuando termine de estudiar la lección, podrá:

  • describir los beneficios de la teledetección por microondas para las observaciones de distintas propiedades de la superficie en comparación con técnicas en el visible e infrarrojo;
  • describir las áreas clave de aplicación y los grupos de usuarios que se beneficiarán de la caracterización del manto de nieve, hielo marino, temperatura de la superficie del mar y humedad de la superficie y del suelo;
  • comprender los principios básicos que permiten la teledetección por microondas de las propiedades de la superficie que se describen en la lección;
  • describir las limitaciones comunes de la extracción de las propiedades de la superficie que se describen en la lección;
  • describir algunas de las limitaciones particulares de cada una de las cuatro propiedades de la superficie que se describen en la lección;
  • nombrar los sistemas satelitales en órbita polar que están disponibles en la actualidad y cuya implementación está programada para el futuro.

Descripción general » Observación de las superficies oceánicas y terrestres con microondas

La teledetección satelital es una herramienta importante que nos permite observar, caracterizar y vigilar los cambios que ocurren en las superficies marinas y terrestres del planeta, especialmente en aquellos lugares donde las observaciones in-situ son escasas o inexistentes.

Representación de la red mundial de observación sinóptica en superficie, que comprende unas 4000 estaciones de observación terrestre.

La teledetección por microondas juega un papel especial en la observación de las superficies terrestres y oceánicas, por varios motivos. La capacidad de los satélites de realizar observaciones tanto de día como de noche permite detectar variaciones en las emisiones terrestres de microondas independientemente de las condiciones de iluminación.

Mosaico mundial de productos de microondas AMSU de NOAA-19 derivados de las órbitas ascendentes (temprano por la tarde) válido a aproximadamente las 1330 hora local 7 de febrero de 2014.

Es más, a ciertas frecuencias la radiación de microondas puede penetrar la mayoría de las nubes y permite observar las estructuras de superficie en la gran mayoría de condiciones atmosféricas.

Promedio de tres días de manto de nieve y hielo sobre Norteamérica captado por el canal de 89 GHz de Aqua AMSR-E el 26 de abril de 2006.

Esto resulta particularmente importante sobre los océanos, ya que en promedio las nubes ocultan el 70 % de su superficie.

Cantidad de nubes promedio para dos años.

Descripción general » Emisiones de microondas

La cantidad de radiación de microondas emitida por la superficie terrestre depende de las interacciones entre la energía y los diversos elementos y estructuras que componen la superficie.

Representación de una zona de tierra firme con montañas cubiertas de nieve, un litoral, una zona con suelo desnudo y suelo húmedo junto a la nieve.

Las dos propiedades que afectan en medida considerable a la cantidad de radiación de microondas emitida son la polarización y el efecto dieléctrico. Ambas propiedades varían según la longitud de onda y las características físicas del material reflector o emisor. Esto permite distinguir los elementos sólidos de los líquidos y congelados, tanto sobre tierra firme como en las superficies oceánicas. Encontrará información más detallada sobre la polarización y el efecto dieléctrico en la lección Teledetección por microondas: recursos de microondas (en inglés).

Emisividad de microondas para varios tipos de superficies, como tierra firme, nieve, hielo marino y agua marina.

Descripción general » Esta lección

En esta lección estudiaremos cuatro estructuras de superficie específicas: el manto o capa de nieve y el equivalente en agua de la nieve; el hielo marino; la humedad del suelo; y la temperatura de la superficie del mar.

Representación de una zona de tierra firme con montañas cubiertas de nieve, un litoral, una zona con suelo desnudo y suelo húmedo junto a la nieve.

La capacidad de caracterizar estos parámetros es esencial para una amplia gama de campos y actividades, como meteorología, climatología, hidrología, agricultura, observación de condiciones ambientales y comercio, para mencionar solo algunas. El viento cerca de la superficie del mar es otro tema importante que se cubre en la lección Advances in Microwave Remote Sensing: Ocean Wind Speed and Direction (en inglés).

Humedad del suelo y humedad de superficie

Humedad del suelo y humedad de superficie » ¿Por qué medir la humedad del suelo en forma remota?

Humedad del suelo y humedad de superficie » ¿Por qué medir la humedad del suelo en forma remota? »     Necesidad de datos de humedad del suelo

La humedad del suelo juega un papel fundamental en las condiciones de las superficies de tierra firme de nuestro planeta, y afecta directamente a nuestra salud y seguridad, a sectores tales como transporte, agricultura y actividades militares, y a la economía de todos los países del mundo. La humedad del suelo es un aspecto esencial para comprender, modelizar y predecir la hidrología, los ecosistemas, el tiempo y el clima en tierra firme.

Es imprescindible conocer el contenido de humedad de la capa superior del suelo para poder vigilar las condiciones de los cultivos. Es asimismo importante estar al tanto del contenido de humedad de las capas del subsuelo a mayor profundidad para poder planear las actividades agrícolas y administrar los recursos hídricos.

Índice de severidad de sequía de la NOAA por división climática de EE.UU., válido para el período semanal que termina el 23 de junio de 2007

Un bajo contenido de humedad del suelo puede provocar sequías y crear las condiciones propicias para los incendios forestales,

Incendios en los estados de Idaho y Montana detectados por el instrumento AVHRR NOAA-12 en un realce RGB compuesto de imágenes VIS e IR del 8 de agosto de 2000.

mientras que las precipitaciones que se suman a un contenido de humedad excesivo pueden aumentar el peligro de inundación.

Foto de una granja inundada durante la gran inundación de los ríos Misisipi y Misuri de 1993.

Estas posibilidades destacan la gran importancia de observar las condiciones de humedad del suelo de forma eficaz y continua.

Análisis compuesto diario de amenazas generado por el NWS para el territorio contiguo de los EE.UU. y Alaska que muestra el potencial de peligros naturales relacionados con las condiciones atmosféricas para el período del 12 al 16 de septiembre de 2013.

Humedad del suelo y humedad de superficie » ¿Por qué medir la humedad del suelo en forma remota? »     La humedad del suelo y la predicción meteorológica

La humedad del suelo tiene importantes implicaciones para las predicciones meteorológicas. Los modelos de predicción meteorológica necesitan información exacta sobre la transferencia de humedad y energía del suelo a la atmósfera inferior para poder pronosticar con exactitud el momento, el lugar y la intensidad de las circulaciones locales del viento y el desarrollo de las nubes. La adquisición de datos más específicos sobre las variaciones regionales de los patrones de humedad de superficie puede ayudarnos a pronosticar la posición de líneas secas, tormentas, temperaturas máximas y mínimas, y condiciones de visibilidad limitada provocadas por calima, esmog y niebla. El caso aquí ilustrado de la inundación repentina de Buffalo Creek (Colorado) que ocurrió en julio de 1996...

Impacto de la humedad del suelo en la modelización numérica de mesoescala de un evento de lluvias fuertes e inundaciones ocurrido en la zona quemada de la cuenca de Buffalo Creek, Colorado (EE.UU.) el 13 de julio de 1996.

...ofrece un ejemplo de la gran mejora que se obtiene en el pronóstico de lluvia del modelo al incorporar una representación exacta de la humedad del suelo a las condiciones iniciales del modelo.

Impacto de la humedad del suelo en la modelización numérica de mesoescala de un evento de lluvias fuertes e inundaciones ocurrido en la zona quemada de la cuenca de Buffalo Creek, Colorado (EE.UU.) el 13 de julio de 1996.

Las tendencias de humedad del suelo, tal como se representan en este mapa de anomalía de la humedad del suelo, están relacionadas con los patrones y cambios en los climas locales y regionales.

Cambio en la anomalía de la humedad del suelo en los EE.UU. entre el 30 de junio y el 11 de septiembre de 2006 según los cálculos de NOAA, NWS y NCEP.

El trabajo de investigación, modelización y predicción climática debe contar con evaluaciones exactas de la humedad del suelo para poder describir y predecir con exactitud los balances hídricos y energéticos.

Mapa de perspectivas de sequía estacional para los EE.UU. válido entre el 21 de septiembre hasta diciembre de 2006.

Humedad del suelo y humedad de superficie » ¿Por qué medir la humedad del suelo en forma remota? »     Aplicaciones y usuarios

La información sobre la humedad del suelo se utiliza en el ámbito de planificación tanto civil como militar para formular políticas, realizar predicciones y conducir investigaciones en varios campos, como hidrología, agronomía y meteorología. Dicha información tiene una amplia gama de aplicaciones, como la administración de los recursos hídricos y usos del suelo, la planificación agrícola, los pronósticos hidrometeorológicos, las predicciones de transitabilidad en tierra firme y las investigaciones climáticas.

Usos y usuarios actuales de datos de humedad del suelo.

Humedad del suelo y humedad de superficie » ¿Por qué medir la humedad del suelo en forma remota? »     ¿Por qué medir la humedad del suelo desde el espacio?

La ventaja de medir la humedad del suelo en el lugar consiste en permitir mediciones frecuentes, pero en general las mediciones directas son escasas y en muchas partes del mundo son inexistentes. Mucha información importante nunca se detecta.

Las observaciones realizadas por los satélites en órbita polar contribuyen a aliviar este problema gracias a la cobertura reiterada de grandes zonas con una resolución casi uniforme, algo ideal para los mapas de distribución y para el trabajo de observación y modelización.

Muchos satélites en órbita polar emplean sistemas de teledetección por microondas que brindan una cobertura global, independientemente de las condiciones atmosféricas. La radiación de microondas, especialmente la de menor frecuencia, es muy sensible a los cambios de humedad en la superficie y penetra todas las capas nubosas salvo las más densas y las que producen precipitación.

Mosaico diario mundial AMSR-E de la humedad del suelo para el 2 de septiembre de 2006.

Humedad del suelo y humedad de superficie » ¿Por qué medir la humedad del suelo en forma remota? »     Técnicas de percepción de la humedad del suelo pasivas y activas

El enfoque tradicional para la extracción de datos de humedad del suelo aún depende del uso de instrumentos satelitales con sistemas de microondas pasivos, como:

  • el sensor especial y generador de imágenes de microondas SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager, 1987 a 2006) y el sensor especial y sonda atmosférica/generador de imágenes de microondas SSMIS (Special Sensor Microwave Imager/Sounder, 2003 al presente) a bordo de los satélites meteorológicos polares del Departamento de Defensa DMSP (Defense Meteorological Satellite Program) de los EE.UU.;
  • WindSat, un instrumento de investigación y desarrollo (2003 al presente) a bordo de Coriolis;
  • AMSR-E (2002 a 2011) a bordo de EOS Aqua y
  • AMSR-2 (el sucesor de AMSR-E, de 2012 al presente), a bordo de los satélites polares japoneses GCOM-W1, W2 y W3.
Ilustración del satélite DMSP en órbita, bloque 5D-2.

Esta parte de la lección examina los conceptos de teledetección fundamentales para comprender cómo las tecnologías de microondas pasivas observan y cuantifican la humedad del suelo.

Ilustración de un satélite GCOM-W. La serie tiene previstos tres satélites.

Cabe notar que las aplicaciones basadas en las observaciones realizadas con instrumentos que emplean técnicas de microondas activas, como el dispersómetro y el radar de apertura sintética, están recibiendo más atención por parte de las comunidades científica y operativa. Gracias al considerable esfuerzo que a lo largo de la última década se ha dedicado a los algoritmos de extracción de datos de humedad del suelo, los instrumentos activos están proporcionando cada vez más información complementaria sobre la humedad del suelo.

Ilustración de la cobertura del dispersómetro ASCAT de Metop.

Las misiones de satélites polares recientes, como el satélite SMAP (Soil Moisture Active Passive) de la NASA que fue lanzado en enero de 2015, utilizan instrumentos de microondas pasivos y activos para generar observaciones de la humedad del suelo a nivel mundial. Este nuevo enfoque más integrado para detectar la distribución geográfica de la humedad del suelo con los datos de vegetación y tipos de suelo de los instrumentos multiespectrales en el visible e infrarrojo, como el VIIRS (Visible Infrared Imager / Radiometer Suite) de los satélites S-NPP y JPSS, permite mejorar nuestra capacidad de vigilancia de las condiciones de humedad del suelo casi en tiempo real. El acceso oportuno a los datos de humedad es un aspecto importante para mejorar los análisis empleados en los modelos de predicción del tiempo y evaluar las condiciones que pueden conducir a sequías o inundaciones.

Representación del satélite SMAP (Soil Moisture Active Passive) de la NASA que muestra el patrón de barrido de la antena del instrumento y la franja que produce en el suelo.

Humedad del suelo y humedad de superficie » ¿Cómo se ven las superficies húmedas y secas desde el espacio?

Humedad del suelo y humedad de superficie » ¿Cómo se ven las superficies húmedas y secas desde el espacio? »     Comparación de superficies húmedas y secas

En regiones abiertas con vegetación relativamente rala, el contenido de humedad del suelo superficial es el factor predominante en las emisiones de radiación de microondas desde la superficie.

Representación de una zona de tierra firme con montañas cubiertas de nieve, un litoral, una zona con suelo desnudo y suelo húmedo junto a la nieve que muestra las emisiones de microondas para una superficie húmeda y una superficie seca.

Una de las propiedades electromagnéticas más importantes para la observación de las superficies en la región de microondas es el efecto dieléctrico. Dicho efecto, que explica la mayor parte de la reflexión y dispersión producida por la interacción entre la radiación y las moléculas de la superficie, suele cuantificarse con un término matemático conocido como la constante dieléctrica. Encontrará una explicación más detallada del efecto dieléctrico en la lección complementaria Teledetección por microondas: recursos de microondas (en inglés).

Animación conceptual de la diferencia en las emisiones de microondas en condiciones de superficie secas y húmedas que destaca la comparación de las constantes dieléctricas del suelo seco y del agua.

La constante dieléctrica del agua es mucho mayor que la del suelo seco y existe una fuerte correlación entre el efecto dieléctrico...

Animación conceptual de la diferencia en las emisiones de microondas en condiciones de superficie secas y húmedas que destaca la constante dieléctrica del agua.

...y el reflejo (y, por ende, la emisividad). La emisividad es inversamente proporcional al efecto dieléctrico,

Animación conceptual de la diferencia en las emisiones de microondas en condiciones de superficie secas y húmedas que destaca la relación entre la emisividad y la constante dieléctrica.

lo cual significa que conforme el efecto dieléctrico (reflejo) aumenta, la emisividad (o eficiencia de emisión) disminuye.

Animación conceptual de la diferencia en las emisiones de microondas en condiciones de superficie secas y húmedas que destaca los términos de emisividad para superficies secas y húmedas.

La introducción de agua en el suelo produce un aumento drástico en la constante dieléctrica y una correspondiente disminución en la emisividad del suelo. Como veremos más adelante en esta misma sección, esto se puede detectar fácilmente con un sistema de microondas pasivo en términos de temperaturas de brillo relativamente frías.

Humedad del suelo y humedad de superficie » ¿Cómo se ven las superficies húmedas y secas desde el espacio? »     Curvas de emisividad

Esta gráfica muestra los valores de emisividad de microondas de varias superficies oceánicas y terrestres. Dada la relación directa entre las temperaturas de brillo de los canales de ventana atmosférica y la emisividad de la superficie, podemos usar las observaciones satelitales de la temperatura de brillo para cuantificar la emisividad y extraer información sobre varios parámetros de superficie.

Emisividad de microondas para varios tipos de superficies, como tierra firme, nieve, hielo marino y agua marina.

Si aislamos las curvas de suelo seco, suelo húmedo y agua marina, podemos discernir algunas diferencias muy marcadas entre estos tres tipos de superficies. En tierra firme, la emisividad puede variar considerablemente según el tipo de superficie y la frecuencia de las microondas emitidas, entre 10 y 100 GHz. Observe cuánto disminuye la emisividad de las superficies húmedas en comparación con el suelo seco, especialmente a frecuencias menores.

Emisividad de microondas para varios tipos de superficies, como tierra firme, nieve, hielo marino y agua marina.

Esta gráfica muestra la emisividad de la radiación con polarización vertical en función de diferentes magnitudes de humedad de superficie.

Emisividad de microondas para la polarización vertical en función de la cantidad de superficie cubierta de agua

Estas curvas nos permiten ilustrar dos puntos importantes. En primer lugar, a medida que se introduce agua en una superficie, su emisividad va disminuyendo; en segundo lugar, el efecto es más pronunciado a frecuencias menores. Cabe observar que la emisividad aumenta a medida que aumenta la frecuencia y que esta tendencia es especialmente pronunciada para las superficies húmedas. La mayoría de los algoritmos que calculan algún valor de humedad de superficie, como los índices de humedad, aprovechan los cambios en la emisividad de microondas que se observan con la introducción de agua. Esto se logra calculando la diferencia en la temperatura de brillo de las microondas de dos frecuencias, una alta y una baja, o bien comparando la respuesta de una sola frecuencia con una observación de referencia que corresponde a condiciones secas. El proceso de derivar el contenido de humedad del suelo, que es más complicado y normalmente implica el uso de modelos e información climatográfica de la capa de suelo, se describe más en detalle en un apartado posterior de esta lección.

Emisividad de microondas para la polarización vertical en función de la cantidad de superficie cubierta de agua en la cual se destacan las condiciones de suelo de superficie seco o húmedo.

Humedad del suelo y humedad de superficie » ¿Cómo se ven las superficies húmedas y secas desde el espacio? »     Señal característica de la lluvia

La fuerte reducción en la emisividad asociada con la humectación del suelo se puede detectar con instrumentos de microondas pasivos que incorporan canales de frecuencias menores, en la región de 1,2 a 10 GHz, como SSMIS y especialmente los instrumentos WindSat, MIRAS, AMSR-2 y SMAP.

Las dos imágenes de 7 GHz de la figura siguiente ilustran claramente que en las observaciones de un instrumento de microondas pasivo la emisividad más baja asociada a los lagos y al suelo humectado por la lluvia produce temperaturas de brillo más frías. Los valores de emisividad atenuados corresponden a temperaturas de brillo observadas más frías, ya que la temperatura de brillo equivale aproximadamente a la emisividad de un objeto multiplicada por su temperatura física. Comparare las dos imágenes y notará que los lagos son evidentes regiones frías en ambos días. Sin embargo, en la imagen de la derecha, captada algunos días más tarde, uno de los lagos parece haber crecido, pero en realidad la señal fría se debe a la humectación del suelo causada por un evento de lluvia reciente.

Humedad del suelo detectada por microondas, señales características de lagos e interferencia de radio observadas con el componente de banda C de 6-8 GHz del radiómetro generador de imágenes NOAA PSR/CX.

Humedad del suelo y humedad de superficie » ¿Cómo se ven las superficies húmedas y secas desde el espacio? »     Interferencias de radiofrecuencia

Los canales de microondas de menor frecuencia, como el canal de 6,9 GHz del antiguo AMSR-E y del AMSR-2 actual a bordo del satélite GCOM-W1, se prefieren para la extracción de datos de humedad del suelo por su sensibilidad al agua y su capacidad de penetrar el suelo a mayor profundidad.

Humedad del suelo detectada por microondas, señales características de lagos e interferencia de radio observadas con el componente de banda C de 6-8 GHz del radiómetro generador de imágenes NOAA PSR/CX. El óvalo encierra una señal característica de suelos húmedos.

No obstante, algunas de estas mismas bandas de frecuencia de microondas también se utilizan ampliamente para otros fines, como las comunicaciones por microondas que permiten la telefonía celular o móvil. Este efecto, denominado interferencia de radiofrecuencia o RFI (por las siglas del inglés radio frequency interference), es aparente en las temperaturas de brillo de 6 a 7 GHz. Las zonas de fuerte interferencia de radiofrecuencia aparecen casi siempre sobre tierra firme y a menudo en lugares próximos a ciudades grandes y carreteras importantes. Estas interferencias contaminan fuertemente los datos empleados para generar ciertos tipos de productos satelitales de microondas, como los de humedad del suelo.

En la parte inferior de ambas imágenes se nota que una fuente de RFI aumenta artificialmente la temperatura de brillo detectada por el radiómetro de microondas a bordo de la aeronave de investigación de la NOAA.

Humedad del suelo detectada por microondas, señales características de lagos e interferencia de radio observadas con el componente de banda C de 6-8 GHz del radiómetro generador de imágenes NOAA PSR/CX. El rectángulo encierra señales característica de interferencia radio.

La imagen siguiente, captada con el canal de polarización vertical de 6,9 GHz de AMSR-E, muestra claramente varias «zonas calientes» de comunicaciones que se correlacionan con las áreas metropolitanas y los corredores de transporte principales junto a la costa del noreste de los Estados Unidos.

Imagen AMSR-E del canal de 6 GHz con polarización vertical tomada sobre el noreste de los Estados Unidos que muestra la contaminación provocada por interferencias o zonas calientes de radiofrecuencia.

Para mitigar este problema, la comunidad científica está trabajando con los que toman las decisiones a fin de reservar ciertas frecuencias de microondas para uso exclusivo en el trabajo de detección satelital y se están diseñando sistemas de detección capaces de minimizar el impacto de las interferencias de microondas existentes. El radiómetro AMSR-2 a bordo del satélite M-W1 se modificó con la adición de un canal de baja frecuencia de 7,3 GHz destinado a mitigar las interferencias de radiofrecuencia que se habían experimentado con el canal de 6,9 GHz. Compare estas dos imágenes para ver la disminución en dichas interferencias que se logró con el nuevo canal de 7,3 GHz, particularmente notable en el este de los Estados Unidos (la región encerrada en el óvalo azul).

before after
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Humedad del suelo y humedad de superficie » ¿Cómo se ven las superficies húmedas y secas desde el espacio? »     Profundidad de penetración en el suelo en función de la frecuencia

Otra consideración importante para las observaciones del suelo con microondas es la profundidad de penetración de las distintas longitudes de onda, que se define como la capa superior del suelo en la cual se origina el 63 % de la radiación terrestre emitida a una frecuencia o longitud de onda dada.

Los canales de microondas de menor frecuencia (1 a 10 GHz, por ejemplo) logran profundidades de penetración mayores, porque el suelo absorbe y dispersa las longitudes de onda más largas en menor medida. En contraste, la penetración es considerablemente menor a frecuencias más altas (de 85 a 89 GHz, por ejemplo), motivo por el cual la información de estos canales solo refleja una capa superior del suelo de pocos milímetros de espesor.

Como regla general, podemos decir que para las observaciones de suelos relativamente secos con sistemas de microondas pasivos, la profundidad de penetración equivale aproximadamente a la longitud de onda de la radiación. Esta tabla muestra la profundidad de penetración aproximada para las frecuencias de uso común en varios sensores de microondas actuales.

Tabla de la profundidad de penetración en el suelo de las frecuencias de microondas comunes de varios sistemas de radiómetro de microondas pasivo.

Humedad del suelo y humedad de superficie » ¿Cómo se ven las superficies húmedas y secas desde el espacio? »     Profundidad de penetración en el suelo en función del contenido de humedad

Otro factor que influye en la profundidad de penetración de microondas en el suelo —y la limita— es el contenido de humedad del suelo.

Ilustración conceptual de la profundidad de penetración en el suelo en función de la frecuencia de microondas y el contenido de humedad del suelo.

Como muestra esta figura, cuando aumenta el contenido de humedad del suelo, la profundidad de penetración disminuye. Recuerde que una capa de suelo relativamente húmeda dispersa y refleja más energía, de modo que su emisividad es menor en comparación con un suelo seco. Este mayor grado de dispersión y reflexión bloquea parte de las radiaciones e impide que alcancen la superficie, de modo que el satélite percibe menos energía proveniente de las capas más profundas.

Ilustración conceptual de la profundidad de penetración en el suelo en función de la frecuencia de microondas y el contenido de humedad del suelo, con indicaciones de suelo húmedo y seco.

La gráfica también subraya la ventaja de usar las frecuencias más bajas (longitudes de onda mayores), por su capacidad de penetrar a mayor profundidad en el suelo.

Ilustración conceptual de la profundidad de penetración en el suelo en función de la frecuencia de microondas y el contenido de humedad del suelo, con la región húmeda (lado derecho) resaltada.

Humedad del suelo y humedad de superficie » De la observación a los productos

Humedad del suelo y humedad de superficie » De la observación a los productos »     Extracción de los datos de humedad del suelo

La extracción de información cuantitativa sobre la humedad del suelo es un proceso relativamente complejo que toma en cuenta una serie de factores y limitaciones y luego combina las observaciones satelitales y convencionales con información previa dentro del marco de un modelo de suelo. Podemos citar como ejemplos de información previa el tipo de superficie, la composición y la estructura del suelo, y los perfiles climatológicos de temperatura y humedad.

Este diagrama de flujo ilustra los varios componentes y el flujo de información de un proceso general de extracción de un producto humedad del suelo. El producto de este ejemplo fue generado con el sistema SMOPS (Soil Moisture Operational Products System) de productos operativos de humedad del suelo de la NOAA. El sistema SMOPS combina los datos de humedad del suelo obtenidos con los instrumentos de varios satélites, tanto de tipo activo como pasivo, para generar mapas mundiales de la humedad del suelo con una frecuencia diurna y de 6 horas para uso en los modelos de predicción numérica del tiempo y el clima.

Diagrama de flujo que describe un proceso de extracción general para generar productos humedad del suelo por microondas.

Puesto que en la actualidad ninguno de los satélites capaces de vigilar la humedad del suelo puede producir una cobertura mundial diaria completa, un enfoque que combina los datos de varios satélites ofrece claras ventajas en términos de una mejor cobertura espacial y temporal. A principios de 2015, el sistema de extracción SMOPS incluía las mediciones realizadas con los instrumentos ASCAT (Metop), MIRAS (SMOS), WindSat (Coriolis) y AMSR-2, el sucesor de AMSR-E. También se incorporarán al sistema las observaciones de las misiones futuras, como ocurrió con el satélite polar SMAP (Soil Moisture Active Passive), que se lanzó en la primera mitad de 2015. La combinación exclusiva de observaciones de radar y radiómetro pasivo del satélite SMAP, que son capaces de penetrar zonas de vegetación moderadamente densa y capas de nubes sin precipitaciones, ha mejorado la exactitud de las mediciones de la humedad del suelo. La popularidad de los productos satelitales combinados sigue aumentando, especialmente en el ámbito operativo, porque contribuyen a disminuir las regiones sin cobertura, lo que tradicionalmente ha limitado la utilidad de los productos de los satélites individuales en aplicaciones en tiempo real.

Humedad del suelo y humedad de superficie » De la observación a los productos »     Factores que complican la extracción de datos

Dada una superficie plana, nivelada y desnuda con un suelo de composición conocida, el procedimiento para extraer la humedad de superficie a partir de la temperatura de brillo de microondas es relativamente sencillo y exacto.

Desgraciadamente, a menudo la teledetección de los parámetros del suelo a través del mundo presenta retos considerables. La vegetación dificulta las mediciones y el suelo suele ser accidentado y de composición poco homogénea.

Animación de la radiación de microondas emitida por tres tipos de superficies terrestres: suelo desnudo, suelo húmedo y suelo húmedo de topografía compleja con vegetación.

La vegetación y la rugosidad de la superficie interfieren con la señal emitida por la superficie terrestre. La vegetación emite su propia radiación de microondas, que puede confundirse con las emisiones del suelo que queremos captar. Como muestra la figura, la vegetación aumenta la emisividad de una superficie que en realidad está húmeda. Esto aumenta la temperatura de brillo de microondas observada y da a la superficie una apariencia más seca de lo que es.

Humedad del suelo y humedad de superficie » De la observación a los productos »     Minimización de los impactos y estimación de la temperatura de superficie

Afortunadamente, la vegetación y la rugosidad de la superficie producen efectos de polarización muy específicos en la señal de microondas, lo cual significa que podemos comparar la radiación según la frecuencia y la polarización vertical u horizontal para distinguir los efectos de la vegetación y la rugosidad de la superficie de los de la humedad de la superficie. A medida que una superficie se humedece, el grado de polarización se acentúa, especialmente a frecuencias menores.

before after
before after

Estas gráficas resaltan las diferencias en la emisividad de una superficie húmeda con polarización vertical y horizontal.

Espectros de emisividad de microondas, polarización vertical y horizontal, para diferentes tipos de superficie terrestre

Cuando el suelo está cubierto por un dosel vegetal, se nota cierto grado de polarización a frecuencias menores,...

Espectros de emisividad de microondas, polarización vertical y horizontal, para diferentes tipos de superficie terrestre que resaltan la diferencia en la polarización de una superficie con vegetación.

...pero el grado de polarización es menor en comparación con el suelo desnudo húmedo. Observe además que la emisividad del dosel vegetal es mayor.

Espectros de emisividad de microondas, polarización vertical y horizontal, para diferentes tipos de superficie terrestre que resaltan la diferencia en la polarización de una superficie húmeda sin vegetación.

Para estimar la emisividad de la superficie a partir de las temperaturas de brillo detectadas por un satélite necesitamos información previa sobre la temperatura de superficie. La temperatura de la superficie se puede estimar a partir de varias fuentes, incluidos los datos obtenidos in situ y otras mediciones satelitales realizadas con microondas e infrarrojos.

Expresión de la emisividad de superficie en función de la temperatura de brillo observada por el satélite y la temperatura de superficie real (medida).

La exactitud no es el aspecto más importante, porque el cambio en la constante dieléctrica debido al contenido de agua es el efecto predominante.

Expresión del cambio en la emisividad de superficie en función del cambio en la constante dieléctrica para una superficie con un contenido de agua variable (humedad).

Humedad del suelo y humedad de superficie » De la observación a los productos »     Selección de canales

En la mayoría de los casos, la extracción de los datos de humedad del suelo emplea una estrategia común para seleccionar los canales de frecuencia de microondas empleados en sus algoritmos. Por una serie de motivos, las frecuencias de microondas más bajas producen la evaluación más exacta de la humedad de superficie.

En primer lugar, y como ya vimos, la radiación de menor frecuencia penetra a mayor profundidad en el suelo y devuelve una señal de «humedad del suelo» más representativa. En segundo lugar, las frecuencias más bajas se ven afectadas en menor medida por la vegetación y la rugosidad de la superficie. Finalmente, el efecto dieléctrico es mayor a frecuencias más bajas (es decir, la emisividad del suelo húmedo es menor), lo cual nos ayuda a estimar mejor el nivel de humedad presente en el suelo.

Emisividad de microondas para la polarización vertical en función de la cantidad de superficie cubierta de agua en el cual se destaca la porción de frecuencias más bajas del espectro.

Sin embargo, las frecuencias más bajas tienen varias limitaciones, y la principal está relacionada con su resolución espacial, que es intrínsecamente inferior, de modo que estos canales requieren una huella más grande para detectar las mismas estructuras. Encontrará material pertinente a esta explicación en las secciones 6.5 y 3.6 de la lección sobre recursos de microondas: Microwave Remote Sensing Resources (en inglés).

Forma y tamaño de la huella de cada canal por su frecuencia en el sistema pasivo de generación de imágenes por microondas WindSat del satélite Coriolis.

Las frecuencias más bajas son también vulnerables a interferencias de radiofrecuencia en la región cerca de 7 GHz. Esto es particularmente común sobre Norteamérica, debido al uso de ciertas frecuencias de microondas en redes de teléfonos móviles.

Imagen AMSR-2 del canal de 6,9 GHz con polarización vertical tomada sobre el noreste de los Estados Unidos que muestra la contaminación provocada por interferencias o zonas calientes de radiofrecuencia.

Recurrimos a varias estrategias para minimizar el impacto de estas limitaciones. Las frecuencias intermedias, principalmente de 18 a 37 GHz, se emplean como parte de un enfoque multicanal para maximizar la exactitud y la resolución. Además de la mayor resolución espacial que ofrecen, los canales de frecuencia más alta son más sensibles a los efectos de la vegetación, la topografía compleja y las precipitaciones, motivo por el cual resultan de utilidad en el proceso de identificación de los aspectos que podrían alterar las estamaciones de la humedad en el suelo.

Espectros de emisividad de microondas (polarización vertical) para diferentes tipos de superficies terrestres en los cuales se destacan las frecuencias más bajas.

Los canales de microondas de los instrumentos pasivos (como SSMIS, WindSat, MIRAS, AMSR-2, GMI y SMAP) más usados para caracterizar las estructuras de superficie están centrados en estas longitudes de onda: 1,4 GHz; 6,9 GHz; 7,3 GHz; 10,6 GHz; 18,7 a 23 GHz; y 85 a 89 GHz.

Espectros de emisividad de microondas (polarización vertical) para diferentes tipos de superficies terrestres en los cuales se destacan las frecuencias usadas para caracterizar las características de superficie.

Humedad del suelo y humedad de superficie » Instrumentos y ejemplos de productos

Humedad del suelo y humedad de superficie » Instrumentos y ejemplos de productos »     SSM/I y SSMIS

Juntos, los instrumentos SSM/I y SSMIS han creado el registro histórico de mediciones obtenidas con sistemas de microondas pasivos de mayor duración; a partir de estos datos podemos extraer gran variedad de productos, como la humedad del suelo. El primer ejemplo muestra un mapa de la humedad del suelo para Norteamérica. Este tipo de producto se genera gracias a un programa de procesamiento de datos compartidos llamado Shared Processing Program a través del cual varias agencias de los Estados Unidos, como la Fuerza Aérea, la Armada y la NOAA, comparten sus datos y algoritmos de generación de productos para generar mosaicos de microondas diarios de cobertura mundial.

Producto humedad del suelo para Norteamérica del instrumento SSMIS a bordo del satélite en órbita polar DMSP F-17 para el 10 de octubre de 2014.

Este producto brinda una indicación del grado de humedad del suelo. Los valores que exceden el 70 % se consideran erróneos. El producto —del cual se filtran los lagos, ríos y litorales, así como las zonas cubiertas por un manto de nieve o una capa de hielo— se actualiza todos los días a las 08:00 UTC.

Producto mundial humedad del suelo del instrumento SSMIS a bordo del satélite en órbita polar DMSP F-17 para el 10 de octubre de 2014.

Humedad del suelo y humedad de superficie » Instrumentos y ejemplos de productos »     AMSR-E y AMSR-2, página 1

El instrumento AMSR-E, lanzado en 2002, dejó de generar sus productos en octubre de 2011, cuando la antena del sistema perdió la capacidad de giro. Varios meses después se lanzó el AMSR-2 —un instrumento de detección pasiva por microondas similar y mejorado— a bordo del satélite japonés GCOM-W1 en órbita polar, cuyas observaciones comenzaron en 2012. La misión de continuación AMSR-2 es una fuente importante de datos para la continuidad de nuestras observaciones de las tendencias de humedad del suelo de superficie. El proceso de extracción de este producto es relativamente complejo, ya que implica el uso de un modelo de suelo, observaciones auxiliares de la condiciones del suelo y una base de datos climatológica que también contribuye a separar los aspectos contaminantes, como vegetación, selva densa, terreno complejo y rugosidad de la superficie.

Este producto humedad del suelo consiste en una imagen mundial compuesta diaria generada por la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) a partir de las órbitas diurnas y nocturnas del satélite.

Mosaico AMSRE-E diario mundial de la humedad del suelo para el 1 de octubre de 2012.

La técnica que genera las estimaciones de humedad del suelo depende de dos índices, el índice de polarización y el índice de humedad del suelo, y de las observaciones de la temperatura de brillo de los canales de 10 y 37 GHz. El algoritmo utiliza la información de estas dos frecuencias para representar la humedad del suelo y el contenido de humedad de la vegetación, ya que ambos afectan a las observaciones de microondas.

El primero de estos índices, el PI, representa la razón de polarización y se forma a partir de la diferencia entre los canales de 10,7 GHz con polarización horizontal y vertical. Luego, esta diferencia se divide entre el promedio de las dos temperaturas de brillo a fin de minimizar los efectos de la temperatura física.

Diferencia de polarización normalizada en 10,7 GHz usada para generar la humedad del suelo a partir de las observaciones del AMSR-2.

Conforme aumenta la humedad del suelo, también aumentan las diferencias de polarización y frecuencia (los numeradores), tornándose más positivas, y las razones correspondientes.

Dos expresiones: diferencia de polarización normalizada en 10,7 GHz (izda.) y diferencia de frecuencia normalizada 37 - 10,7 GHz (dcha.) usadas para generar la humedad del suelo a partir de las observaciones del AMSR-2.

La humedad del suelo y el contenido de agua de la vegetación se obtienen por medio de una tabla de consulta. Este método compara los dos índices de temperatura de brillo observada con valores precalculados que tienen en cuenta las variaciones en la humedad del suelo, el contenido de vegetación, la fracción de cubierta vegetal y las propiedades de temperatura física del suelo y de la vegetación. La fracción de cubierta vegetal se estima a partir de las imágenes del satélite en el visible e infrarrojo cercano captadas por los instrumentos VIIRS de los satélites MODIS o Suomi NPP, mientras que las temperaturas del suelo y de la vegetación se mantienen constantes.

Esta técnica tiene la ventaja de tomar en cuenta los efectos del contenido de humedad de la vegetación, lo cual reduce e incluso llega a eliminar los efectos de la temperatura de superficie y, por tanto, no requiere datos de temperatura auxiliares.

Las regiones relativamente secas adquieren tonos naranja y rojos, mientras que las zonas relativamente húmedas que recientemente recibieron precipitaciones o agua de deshielo se resaltan con tonos verdes y azules.

Mosaico AMSRE-E diario mundial de la humedad del suelo para el 1 de octubre de 2012.

Humedad del suelo y humedad de superficie » Instrumentos y ejemplos de productos »     AMSR-E y AMSR-2, página 2

Esta serie de imágenes de la humedad del suelo generadas a partir de datos AMSR-E ilustra los efectos de un episodio de cuatro días de lluvia entre moderada y fuerte a fines de agosto de 2006 en las condiciones de humedad de superficie en partes de la región central de los EE.UU. El nuevo instrumento AMSR-2 es muy similar al AMSR-E, de modo que el caso del ejemplo original sigue siendo apropiado para ilustrar el impacto de la lluvia en las estimaciones de la humedad del suelo basadas en observaciones de microondas realizadas con métodos pasivos.

Esta secuencia mosaicos de 24 horas generados a partir de datos de radar y pluviométricos muestra una banda concentrada de lluvias fuertes que en un comienzo —el día 25 de agosto— atraviesa los estados de las planicies del norte y luego migra lentamente hacia el sur y el este en el transcurso de los días sucesivos.

El producto AMSR-E de humedad del suelo muestra la respuesta de las condiciones de superficie a la lluvia y al nivel de humedad elevado.

Mosaico humedad del suelo sobre Norteamérica generado con datos del instrumento AMSR-E (Aqua) obtenidos temprano por la tarde hora local el 25 de agosto de 2006.

Fíjese en la región de humedad alta (los tonos de color naranja) que marca el sudeste del estado de Kansas el día 26.

Mosaico de humedad del suelo sobre Norteamérica generado con datos del instrumento AMSR-E (Aqua) obtenidos temprano por la tarde hora local del 26 de agosto de 2006

Para el día 28, esa región se ha ampliado y se ha formado otro foco localizado de máxima de humedad del suelo más al norte, a través de una zona de considerable extensión en las planicies del norte.

Mosaico humedad del suelo para Norteamérica del generador de imágenes de microondas Aqua AMSR-E obtenido temprano por la tarde hora local del 28 de agosto de 2006.

Cabe notar que este período de lluvias fuertes y las lluvias adicionales que cayeron sobre la región a comienzos de septiembre contribuyeron a mitigar las condiciones de sequía que persistían desde mediados del verano.

Mapa de perspectivas de sequía estacional para los EE.UU. válido entre el 21 de septiembre hasta diciembre de 2006.

Humedad del suelo y humedad de superficie » Instrumentos y ejemplos de productos »     Dispersómetros, ERS y Metop ASCAT

En la década de 1990, los satélites polares ERS-1 y ERS-2 fueron los primeros en usar un dispersómetro para estimar la humedad del suelo desde el espacio. Desde aquel entonces, la actividad de investigación ha revelado varias aplicaciones emergentes basadas en los datos de dispersometría que van más allá de la derivación «clásica» del vector viento sobre la superficie del mar. Los dispersómetros avanzados ASCAT a bordo de los satélites operativos Metop en órbita polar comenzaron a observar las superficies terrestres y oceánicas de nuestro planeta en el año 2006. ASCAT, el sucesor del dispersómetro ERS, genera mapas compuestos de la humedad del suelo con frecuencia diaria y mensual y resoluciones de 25 y 50 km.

Los dos productos humedad del suelo que se muestran continuación —correspondiente al mes de enero de dos años diferentes— son típicos de los que se derivan de los datos del instrumento ERS. Estas imágenes permiten apreciar las enormes diferencias en el contenido de humedad del suelo que pueden existir a través de Europa en un mismo mes y, además, el gran contraste entre las condiciones en 1996 y 2000. El índice de agua en el suelo (Soil Water Index, SWI) estima el contenido de humedad de una capa del suelo de 5 a 100 cm de profundidad y lo expresa como un porcentaje de saturación (la cantidad máxima de agua que la capa superficial del suelo es capaz de absorber).

Use el control deslizante para examinar los cambios en la humedad del suelo entre esos dos años.

before after
before after

Estas dos imágenes comparan los productos humedad del suelo compuestos de 5 días derivados a partir de las observaciones ASCAT realizada sobre Norteamérica durante los meses de julio y septiembre del verano de 2013. Aunque el índice de agua en el suelo (izquierda) muestra condiciones generalmente secas a través de los dos tercios del territorio de los Estados Unidos al oeste, el producto anomalía (derecha) destaca las áreas anormalmente áridas durante las condiciones de sequía severa que persistieron a través de los estados del Medio Oeste y las planicies centrales durante casi todo el año 2013.

Use el control deslizante para examinar los cambios en la humedad del suelo.

beforeafter
beforeafter

Los mismos dos productos generados dos meses más tarde, a mediados de septiembre, muestran que grandes regiones a través de centro del país siguen siendo secas, pero en ciertas partes de los estados de las montañas Rocosas centrales y del sur se notan extensas zonas donde los tonos naranja ahora son azules, una indicación de que las condiciones son considerablemente más húmedas. De hecho, la semana precedente algunos de los lugares que se tornaron azules experimentaron lluvias históricas que provocaron inundaciones generalizadas.

En la actualidad, hay dispersómetros ASCAT a bordo de los satélites en órbita polar Metop-A y Metop-B. El tercero, cuyo lanzamiento a bordo de Metop-C está previsto para 2018, extenderá la cobertura de ASCAT a media mañana y a media tarde (hora local) al menos hasta el año 2024.

Humedad del suelo y humedad de superficie » Prestaciones de los instrumentos y características de los productos

Humedad del suelo y humedad de superficie » Prestaciones de los instrumentos y características de los productos »     Generadores de imágenes de microondas pasivos

Esta tabla presenta un resumen de los sistemas con instrumentos de microondas pasivos utilizados para generar distintos productos del contenido de humedad del suelo. Tenga presente que por lo general los productos humedad en superficie derivados por satélite solo son válidos para los 2 o 3 centímetros superiores del suelo, que es la profundidad de penetración típica de las microondas. Para inferir las condiciones de humedad del suelo a mayor profundidad, es preciso recurrir a una combinación de climatografía, observaciones in situ y un modelo de suelo.

Resumen de las prestaciones de los sistemas de microondas pasivos y las características de los productos humedad del suelo.

Humedad del suelo y humedad de superficie » Prestaciones de los instrumentos y características de los productos »     Instrumentos de microondas activos: dispersómetros y SAR

Originalmente, la función de los dispersómetros consistía en estimar el viento sobre el océano, pero ahora también utilizamos estas mediciones para estimar la humedad del suelo. Se han desarrollado productos operativos de la humedad del suelo que utilizan las mediciones de los dispersómetros ASCAT de los satélites Metop.

También existe la posibilidad de aprovechar la sensibilidad del radar de apertura sintética (Synthetic Aperture Radar, SAR) a la humedad del suelo: los resultados de los primeros intentos de extraer productos operativos de los datos de las misiones previas Envisat y RADARSAT son prometedores. Sin embargo, varios factores han limitado su implementación operativa, como las complicaciones relacionadas con la rugosidad de la superficie y la vegetación, así como el costo y la potencia de cómputo que exige trabajar con conjuntos de datos que normalmente son de muy alta resolución. Varios operadores de satélites internacionales tienen prevista la implementación de otras constelaciones de radar de apertura sintética en el transcurso de la próxima década. Los futuros avances en la tecnología y el procesamiento de datos radar mejorarán la cobertura temporal y la exactitud de los productos extraídos, y aportarán beneficios considerables a las comunidades de posibles usuarios.

Resumen de las prestaciones de los sistemas de microondas activos y las características de productos humedad del suelo.

Humedad del suelo y humedad de superficie » Prestaciones de los instrumentos y características de los productos »     Pregunta

Pregunta

¿Cuáles de los siguientes instrumentos de microondas generan estimaciones diarias de la humedad del suelo o de superficie? Escoja todas las opciones pertinentes.

Explicación: Las respuestas a), b), c) y e) son correctas; la opción d) es incorrecta.

Los datos de los instrumentos pasivos SSM/I, SSMIS y WindSat y los dispersómetros Metop de ASCAT permiten generar productos que estiman las condiciones de humedad del suelo o de la superficie. El lanzamiento del dispersómetro activo OSCAT a bordo del satélite OceanSat-3 de la India —previsto para 2018— implica la disponibilidad de productos adicionales. Los instrumentos de sondeo AMSU, MHS y ATMS no generan productos de este tipo debido a la falta de canales de polarización y a la complejidad adicional inherente a la extracción de la humedad del suelo a partir de los datos obtenidos con instrumentos de barrido transversal. La misión SMAP combina las mediciones de un generador de imágenes de microondas de exploración cónica y un radar de apertura sintética, ambos los cuales emplean frecuencias de microondas en banda L entre 1,26 y 1,41 GHz, para producir estimaciones de la humedad del suelo más exactas con una resolución más alta.

Escoja al menos una opción.

Humedad del suelo y humedad de superficie » Prestaciones de los instrumentos y características de los productos »     Pregunta: comparación de instrumentos de microondas activos y pasivos

Pregunta

Si comparamos los instrumentos de microondas activos y pasivos, ¿cuáles son algunas de las diferencias importantes que afectan a la teledetección de la humedad del suelo y otras propiedades de superficie? Escoja todas las opciones pertinentes.

Explicación: Las respuestas b) y d) son correctas; las opciones a) y c) son incorrectas.

Los instrumentos activos se ven relativamente poco afectados por la capa nubosa y el vapor de agua, porque utilizan frecuencias más bajas. La opción a) es incorrecta, porque los instrumentos pasivos observan una franja más ancha. La opción c) es incorrecta porque son los instrumentos activos (y no los pasivos) los que observan con una resolución espacial más alta. Esto se debe a la dificultad de construir antenas espaciales de suficiente envergadura para captar las cantidades relativamente escasas de energía de microondas que emiten la superficie terrestre y la atmósfera.

Escoja al menos una opción.

Humedad del suelo y humedad de superficie » Prestaciones de los instrumentos y características de los productos »     Limitaciones de los productos

Al examinar los productos humedad del suelo o de la superficie, cabe tener presente que presentan ciertas limitaciones.

El terreno montañoso, las capas de nieve y de hielo, las zonas arboladas y con vegetación densa y las precipitaciones imponen las limitaciones más grandes en cuanto a la generación de productos humedad, y sus efectos se pueden separar o marcar durante el proceso de extracción.

Aunque en menor medida, la presencia de estas condiciones afecta a la calidad de los productos: litorales, áreas con lagos, ríos, estuarios y humedales, montañas, zonas urbanas y otras regiones que comprenden tipos de superficies muy variables.

Estas son algunas limitaciones de los productos:

  • La mayoría de los productos representan la humedad en la capa superior del suelo (0 a ~3 cm). Es posible derivar valores de humedad del suelo a mayor profundidad utilizando un modelo de suelo y datos climatográficos.
  • La calidad del producto se degrada en zonas de vegetación o selva densa. Algunos productos quitan estas áreas.
  • La extracción de la humedad del suelo es problemática y los resultados se degradan en zonas de terreno complejo y con tipos de superficies muy variables.
  • La calidad de los productos se degrada a lo largo de litorales y en áreas con lagos, ríos, estuarios y humedales.
  • La extracción satelital de la humedad del suelo es problemática cuando hay precipitación.
  • Algunos productos humedad del suelo no incluyen ningún valor cuando la huella del instrumento contiene condiciones de nieve o hielo.

Humedad del suelo y humedad de superficie » Prestaciones de los instrumentos y características de los productos »     Pregunta

Pregunta

¿En cuáles de las siguientes condiciones podemos anticipar que las estimaciones de la humedad del suelo por microondas sean relativamente confiables? Escoja todas las opciones pertinentes.

Explicación: Las respuestas c) y e) son correctas; las opciones a), b) y d) son incorrectas.

Las respuestas a), b) y d) son incorrectas porque representan condiciones de superficie que complican, limitan o incluso impiden considerablemente una evaluación confiable de la humedad del suelo con las observaciones de microondas.

Escoja al menos una opción.

Manto de nieve y equivalente en agua

Manto de nieve y equivalente en agua » ¿Por qué usar técnicas de teledetección del manto de nieve?

Manto de nieve y equivalente en agua » ¿Por qué usar técnicas de teledetección del manto de nieve? »     La necesidad de datos de manto de nieve, página 1

Para realizar muchas tareas —como pronosticar inundaciones, administrar recursos hídricos, producir energía hidroeléctrica, modelizar incendios forestales, observar el clima y otras— es esencial conocer las propiedades del manto de nieve y estar al tanto de las condiciones a través de regiones extensas.

Análisis del NWS del equivalente en agua de la nieve en EE.UU. para el 22 de marzo de 2006

Además, la profundidad y la extensión del manto de nieve afectan en medida considerable al estilo de vida y la economía de muchas comunidades.

Análisis del NWS de la profundidad de la nieve acumulada sobre EE.UU. válido a las 06 UTC del 22 de marzo de 2006

La teledetección del manto de nieve brinda una serie de ventajas frente a las técnicas tradicionales de medición directa in situ. Las observaciones satelitales cubren vastas áreas con una resolución casi uniforme, algo ideal para los mapas de distribución y modelización. Los satélites también pueden extraer datos para las regiones remotas del globo, donde obtener mediciones directas puede llevar mucho tiempo e incluso resultar prácticamente imposible.

Mosaico del equivalente en agua de la nieve del sistema integrado de extracción de datos de microondas (Microwave Integrated Retrieval System, MIRS) generado para el 11 de febrero de 2014, que incluye las observaciones de los instrumentos de microondas AMSU de los satélites NOAA y Metop, SSMIS de los satélites DMSP y ATMS de los satélites S-NPP.

Manto de nieve y equivalente en agua » ¿Por qué usar técnicas de teledetección del manto de nieve? »     La necesidad de datos de manto de nieve, página 2

Para la observación del manto de nieve, la capacidad de teledetección por microondas desde una órbita polar brinda muchas ventajas frente a las observaciones convencionales en el visible e infrarrojo.

Mosaico de imágenes de los canales visibles del GOES Este y Oeste captadas a las 1830 UTC del 20 de enero de 2006.

La energía de microondas emitida por la capa de nieve penetra la mayoría de las nubes y se puede observar tanto de día como de noche.

Análisis del equivalente en agua de la nieve para Norteamérica del generador de imágenes por microondas Aqua AMSR-E para el 22 de enero de 2006.

En comparación con la radiación visible e infrarroja, la energía de microondas emitida no proviene únicamente de la superficie de la capa de nieve, sino de puntos a mayor profundidad en su seno y es sensible a parámetros tales como profundidad, equivalente en agua de la nieve, temperatura del manto de nieve, estado de la nieve (seca o húmeda) y condiciones del suelo debajo de la capa de nieve. Haga clic en las pestañas para ver los diferentes productos manto de nieve.

Profundidad de la nieve

Análisis del NWS de la profundidad de la nieve acumulada sobre los EE.UU. para el 21 de enero de 2006

Equivalente en agua de la nieve

Análisis del NWS del equivalente en agua de la nieve sobre los EE.UU. para el 21 de enero de 2006

Temperatura de la capa de nieve

Análisis del NWS de la temperatura de la capa de nieve sobre los EE.UU. para el período de 24 horas hasta las 6 UTC del 21 de enero de 2006

Manto de nieve y equivalente en agua » ¿Por qué usar técnicas de teledetección del manto de nieve? »     Aplicaciones y usuarios

Es esencial contar con cierta información sobre las propiedades de la capa o manto de nieve para varios tipos de trabajo científico y de observación. Además del potencial de mejorar los resultados de predicción numérica del tiempo (PNT) y las observaciones climáticas, los datos de nieve obtenidos por satélite se utilizan en pronósticos meteorológicos a corto plazo de temperatura, formación de nubes bajas y condiciones peligrosas tales como ventiscas y deshielo rápido que pueden provocar crecidas.

Usos y usuarios actuales de los datos de nieve acumulada.

Los parámetros de nieve basados en microondas son importantes para pronosticar el potencial de inundaciones muchas semanas antes del comienzo de la temporada de deshielo en cuencas y áreas de escorrentía. También podemos evaluar el peligro de sequía y el potencial de incendios forestales y en zonas despobladas sobre la base de una perspectiva amplia de la cantidad de agua disponible. Esta misma información es importante en agricultura y administración de recursos hídricos, especialmente en regiones semiáridas.

Usos y usuarios actuales de los datos de manto de nieve; se resaltan las aplicaciones a escalas de semanas.

La extensión del manto de nieve y las propiedades de la nieve son factores importantes del sistema climático mundial. La cobertura mundial que brindan los satélites en órbita polar se usa ampliamente en investigaciones climáticas para comprender más cabalmente el comportamiento del clima, los mecanismos de retroalimentación y los posibles efectos del cambio climático. En la actualidad, la teledetección con los instrumentos de microondas a bordo de satélites en órbita polar es la única forma de obtener mediciones mundiales de los parámetros de nieve esenciales para analizar y modelizar el clima variable de la Tierra.

Usos y usuarios actuales de los datos de manto de nieve; se resaltan las aplicaciones a escalas de años.

Manto de nieve y equivalente en agua » Interacciones entre el manto de nieve y la radiación de microondas

Manto de nieve y equivalente en agua » Interacciones entre el manto de nieve y la radiación de microondas »     Emisiones de microondas: interacción entre la superficie terrestre y el manto de nieve

La cantidad de radiación de microondas emitida por la superficie terrestre se ve fuertemente afectada por la existencia de un manto de nieve y las propiedades del mismo. La capacidad de los instrumentos de microondas de penetrar la capa nubosa y operar tanto de día como de noche permite detectar variaciones en las condiciones de la capa de nieve en cualquier momento.

Representación de tierra firme y montañas cubiertas de nieve con un litoral, una zona con suelo desnudo y suelo húmedo junto a la nieve; la radiación de microondas emitida (flechas) atraviesa todas la nubes salvo las más densas.

Manto de nieve y equivalente en agua » Interacciones entre el manto de nieve y la radiación de microondas »     Atenuación por dispersión

El manto de nieve y sus propiedades influyen fuertemente en la cantidad de radiación de microondas que alcanza el sensor satelital. La estructura del hielo es muy diferente de la del agua líquida y de la mayoría de los suelos y las rocas. Por esta razón, la radiación saliente emitida por la superficie debajo de la nieve se ve alterada considerablemente por los cambios que con el tiempo se producen en la capa de nieve. Nuestra comprensión de la relación entre las emisiones de microondas y la dinámica del manto de nieve nos permite estudiar las propiedades debajo de la superficie.

Esta animación ilustra el efecto de los granos de nieve que se forman a medida que la capa de nieve envejece o aumenta en espesor, los cuales son lo suficientemente grandes para dispersar de manera eficaz la radiación de microondas. Los granos de nieve son cristales de hielo que sufrieron una metamorfosis que transformó los cristales de nieve en partículas más grandes a través de un proceso termodinámico que comienza casi inmediatamente después de que los copos de nieve se acumulen en el suelo. Con el tiempo, la capa de nieve envejece y el efecto de los cristales de nieve disminuye en comparación con el de los granos de nieve, los cuales además crecen en tamaño, con lo cual se tornan dispersores incluso más eficaces. Debido a este efecto de dispersión, el suelo debajo del manto de nieve parece emitir mucha menos energía de microondas (parece más frío, en términos de temperatura de brillo) que el suelo desnudo a la misma temperatura.

Manto de nieve y equivalente en agua » Interacciones entre el manto de nieve y la radiación de microondas »     Atenuación por dispersión: profundidad y densidad de la nieve

Como permite apreciar el ejemplo de la izquierda, cuanto más profunda sea la capa de nieve en la superficie, tanto mayores serán la dispersión y atenuación resultantes. El lado derecho de la animación muestra que a medida que aumenta la densidad de la capa de nieve, también aumenta el grado de dispersión y atenuación de la energía. Por consiguiente, los cambios en la cantidad de nieve acumulada en la superficie detectados por el satélite se pueden interpretar tanto como cambios en la profundidad de la capa de nieve (el ejemplo de la izquierda) o en la densidad de la nieve (el ejemplo de la derecha).

Manto de nieve y equivalente en agua » Interacciones entre el manto de nieve y la radiación de microondas »     Atenuación por dispersión: profundidad de la nieve y tamaño de los granos

La cantidad de radiación de microondas dispersada también depende de la relación entre el tamaño de los granos de las partículas de nieve y la longitud de onda de la radiación de microondas. Las partículas dispersan más radiación conforme su tamaño se aproxima a la longitud de onda de la radiación.

Para entender este efecto, consideremos dos capas de nieve en condiciones diferentes. Supongamos por el momento que la longitud de onda de la energía es igual en ambos casos contemplados. En una capa de nieve fresca y seca (ilustrada a la izquierda), los cristales tienden a ser pequeños en comparación con la longitud de onda de la radiación de microondas, de modo que se dispersan cantidades relativamente pequeñas de energía. Sin embargo, a medida que las partículas crecen y su tamaño se aproxima a la longitud de onda de la radiación, como ocurre con los granos de nieve de una capa de nieve vieja, se dispersa una mayor cantidad de radiación de microondas y la capa de nieve parece más fría, es decir, se observa una temperatura de brillo más baja.

Manto de nieve y equivalente en agua » Interacciones entre el manto de nieve y la radiación de microondas »     Dependencia de la longitud de onda

El grado de dispersión producido por la capa de nieve también depende en gran medida de la longitud de onda de la radiación. Como ya vimos, la longitud de onda de la radiación de mayor frecuencia (10 a 150 GHz, es decir, el rango de microondas) se aproxima al tamaño medio de la mayoría de las partículas de nieve, lo cual aumenta la dispersión de la radiación emitida y produce un enfriamiento aparente. A la inversa, a frecuencias más bajas (longitudes de onda mayores), la longitud de onda excede el tamaño medio de las partículas de nieve y la cantidad de radiación dispersada es menor.

Debido al menor grado de dispersión que sufren las longitudes de onda más largas, la radiación de microondas puede originarse de lugares a mayor profundidad en la capa de nieve y, por lo general, brinda más información sobre propiedades tales como el equivalente en agua de la nieve. Como veremos en un momento, sin embargo, esto tiene un costo.

Manto de nieve y equivalente en agua » Interacciones entre el manto de nieve y la radiación de microondas »     Selección de canales: 37 GHz

Esta gráfica permite ver la fuerte relación de dependencia que existe entre la energía de microondas emitida por la capa de nieve y la longitud de onda. Esta dependencia es el factor principal que nos permite emplear técnicas de diferenciación de canales para recuperar la información sobre las condiciones de la capa de nieve.

Emisividad de microondas para varios tipos de superficies, como tierra firme, nieve, hielo marino y agua marina, con énfasis en los tipos de nieve.

El canal de 37 GHz se utiliza ampliamente en la teledetección de nieve debido a la fuerte caída en la temperatura de brillo de la capa de nieve que registra en comparación con el suelo desnudo.

Emisividad de microondas para varios tipos de superficies, como tierra firme, nieve, hielo marino y agua marina, con énfasis en los tipos de nieve y las diferencias entre suelo seco, nieve seca y nieve recongelada a 37 GHz.

Como muestra la gráfica siguiente, las longitudes de onda más largas (las frecuencias por debajo de 19 GHz) no responden tan bien a las variaciones en el equivalente en agua de la nieve.

Espectros de emisión de microondas entre 4,9 y 150 GHz para 11 tipos de manto de nieve en los cuales se resaltan las frecuencias por debajo de 20 GHz.

Por otra parte, las longitudes de onda más cortas no alcanzan la misma profundidad de penetración en la capa de nieve, de modo que puede perderse parte de la información. Por eso se suelen evitar las bandas más allá de 89 GHz.

Espectros de emisión de microondas entre 4,9 y 150 GHz para 11 tipos de manto de nieve en los cuales se resaltan las frecuencias por encima de 89 GHz.

También se evita el uso del canal de 22 GHz, debido a la fuerte atenuación del vapor de agua. La radiación de superficie emitida a esta frecuencia se ve muy reducida en presencia de vapor de agua atmosférico.

Espectros de emisión de microondas entre 4,9 y 150 GHz para 11 tipos de manto de nieve en los cuales se resalta la banda de frecuencia de 22 GHz.

Manto de nieve y equivalente en agua » Interacciones entre el manto de nieve y la radiación de microondas »     Selección de canales: enfoque multiespectral y diferenciación de canales

Es frecuente comparar los canales de 37 y 19 GHz para distinguir las características de la capa de nieve.

Emisividad de microondas para varios tipos de superficies, como tierra firme, nieve, hielo marino y agua marina, en el cual se destacan los canales de 19 y 37 GHz empleados para analizar las condiciones del manto de nieve.

Los granos y los cristales de nieve dispersan la radiación en mayor o menor medida según la longitud de onda y el tamaño de las partículas. Podemos calcular la diferencia entre estos dos canales para determinar ciertos aspectos del manto de nieve que serían imposibles de discernir utilizando únicamente las observaciones de 37 GHz.

Espectros de emisión de microondas entre 4,9 y 150 GHz para 11 tipos de manto de nieve en los cuales se resaltan las frecuencias de 19 y 37 GHz empleadas para analizar las propiedades del manto de nieve.

Manto de nieve y equivalente en agua » Interacciones entre el manto de nieve y la radiación de microondas »     Obstáculos y limitaciones: vegetación

La teledetección de la nieve no es una ciencia exacta, ni mucho menos. Muchos factores ambientales pueden complicar nuestra capacidad de estimar el equivalente en agua de la nieve, incluso la capa de nieve en sí.

La vegetación emite su propia radiación de microondas. En aquellas zonas donde la vegetación cubre al menos parte de una superficie nevada, la temperatura de brillo detectada por el satélite aumenta. Por lo tanto, las emisiones de las plantas tienden a encubrir la señal del manto de nieve subyacente. Cuanto mayor sea la densidad de la vegetación, tanto menor será la capacidad del satélite de observar el manto de nieve en forma directa. Si aplicamos un enfoque multiespectral al análisis, sin embargo, podemos identificar los efectos de la vegetación y reducir al mínimo la contaminación de los datos.

La vegetación también afecta a la polarización de la energía que llega al sensor del satélite: en general, el dosel de las plantas disminuye la diferencia de polarización entre canales. Típicamente, la diferencia de polarización se cuantifica por medio de observaciones obtenidas con los canales de polarización vertical y horizontal, un técnica de gran ayuda a la hora de identificar las zonas con vegetación en una región nevada.

Manto de nieve y equivalente en agua » Interacciones entre el manto de nieve y la radiación de microondas »     Obstáculos y limitaciones: propiedades del suelo, página 1

Dado que la cantidad de radiación de microondas que alcanza el satélite depende del grado de dispersión y atenuación que produce la capa de nieve, las emisiones de microondas provenientes del suelo debajo de la nieve pueden afectar enormemente a la temperatura de brillo total, que podría interpretarse incorrectamente como un cambio en el manto de nieve. Las propiedades del suelo subyacente se pueden estimar y tomar en cuenta observando las longitudes de onda más largas (frecuencias más bajas) que detectan la energía proveniente del interior del suelo y no se ven afectadas en la misma medida que las longitudes de onda más cortas (frecuencias más altas) por la dispersión del manto de nieve.

Manto de nieve y equivalente en agua » Interacciones entre el manto de nieve y la radiación de microondas »     Obstáculos y limitaciones: propiedades del suelo, página 2

En la región de microondas del espectro electromagnético, las emisiones son proporcionales al producto de la emisividad y la temperatura del cuerpo emisor. Por lo tanto, se precisa un cierto conocimiento de las temperaturas de superficie para interpretar la señal satelital con exactitud en términos de una propiedad física, como el equivalente en agua de la nieve. La temperatura de superficie se puede estimar a partir de observaciones in situ y con otros métodos de extracción de datos satelitales.

Manto de nieve y equivalente en agua » Interacciones entre el manto de nieve y la radiación de microondas »     Obstáculos y limitaciones: propiedades de la nieve: seca/húmeda

La emisividad de la nieve húmeda que se funde es mucho mayor que la de la nieve seca. La introducción de agua líquida en la superficie de los granos de nieve presentes en la capa de nieve aumenta considerablemente el grado de absorción y emisión de la energía de microondas. El proceso de fusión también aumenta el tamaño de las partículas de la capa de nieve respecto de las longitudes de onda de microondas empleadas por los instrumentos de teledetección pasivos, de modo que la cantidad de energía dispersada es menor.

Animación de la energía de microondas que atraviesa una capa de nieve seca en comparación con otra más húmeda de equivalente en agua mayor en la cual se destacan los dos términos de emisividad (nieve seca y nieve húmeda).

Si no se toma en cuenta la combinación de estos dos efectos, el satélite subestima la profundidad de la nieve acumulada.

Manto de nieve y equivalente en agua » Interacciones entre el manto de nieve y la radiación de microondas »     Obstáculos y limitaciones: propiedades de la nieve: estratificación

A medida que la capa de nieve acumulada envejece, tanto la densidad como el tamaño de las partículas de hielo aumentan. Esto tiende a aumentar el grado de dispersión provocado por el manto de nieve, aunque en realidad el equivalente en agua puede mantenerse aproximadamente igual.

Todos estos factores tienden a confundir y complicar las estimaciones del manto de nieve y el equivalente en agua de la nieve. Se están estudiando métodos para extraer los datos de interés con técnicas multiespectrales y de multipolarización.

Manto de nieve y equivalente en agua » Interacciones entre el manto de nieve y la radiación de microondas »     Pregunta

Pregunta

¿Cuáles de las siguientes características de la superficie y la capa de nieve afectan a las mediciones del equivalente en agua de la nieve? Escoja todas las opciones pertinentes.

Explicación: Las respuestas b), c), d) y e) son correctas.

La opción a) es incorrecta. La composición del suelo no afecta en gran medida a la medición del equivalente en agua de la nieve. Nos interesa mucho más la temperatura del suelo, la cual puede afectar en forma directa y considerable a la temperatura de brillo de las observaciones de microondas. La composición del suelo juega un papel mucho más importante en determinar el contenido de humedad del suelo. Hay una explicación más detallada de este tema en la sección sobre la humedad del suelo.

Escoja al menos una opción.

Manto de nieve y equivalente en agua » Instrumentos de microondas

Manto de nieve y equivalente en agua » Instrumentos de microondas »     SSM/I y SSMIS

Tanto el instrumento SSM/I como el SSMIS —el más reciente de los dos— han contribuido de forma significativa a varios esfuerzos de generación de mapas mundiales de las capas de nieve y de hielo. El ejemplo a la izquierda, producto del esfuerzo conjunto del Centro de Hielo Nacional (National Ice Center) y del Centro de Hielo Naval (Naval Ice Center) de los EE.UU., muestra un mosaico del análisis de los datos de capa de nieve y de hielo en 24 horas captados por el SSM/I de un único satélite polar DMSP el 22 de marzo de 2006. El ejemplo a la derecha también muestra el manto de nieve, pero este producto —un mosaico del promedio mensual de los datos del SSM/I para el mes de marzo de 2005— también incluye el equivalente en agua de la nieve.

Dos paneles: mapa de la NOAA del manto de nieve y hielo derivado de los datos de microondas del SSM/I a bordo del satélite polar DMSP-15, válido el 22 de marzo de 2006 (izda.) y el equivalente en agua de la nieve basado en datos en el visible y de microondas pasivos del SSM/I (dcha.) captados en marzo de 2005.

Debido a su capacidad de penetrar la capa nubosa, el sensor de microondas es una importante herramienta de observación complementaria que permite mejorar los análisis del manto de nieve basados en el visible e infrarrojo cercano, especialmente en las regiones de latitudes altas, donde una capa nubosa persistente es común en invierno.

Es importante observar que el SSM/I y el SSMIS son ambos instrumentos de barrido cónico, lo cual significa que la resolución espacial se mantiene constante a través de la totalidad de la franja de barrido.

Ilustración de la geometría de barrido del SSMIS a bordo del satélite polar DMSP.

Esta estrategia de barrido elimina las complicaciones relacionadas con una huella de tamaño variable como las de otros instrumentos, como AMSU, MHS y ATMS, que adoptan una estrategia de barrido transversal.

Ilustración de la geometría de barrido transversal del AMSU a bordo de los satélites NOAA y Metop en órbita polar.

El satélite DMSP realiza sus observaciones en la madrugada y en las horas de la tarde, al final del día. Esto brinda la importante ventaja de poder observar el estado del manto de nieve cuando es menos probable que estén produciéndose cambios rápidos y condiciones de nieve húmeda debido a la fusión. Como recordará, la emisividad de la superficie de una capa de nieve aumenta cuando está húmeda, lo cual encubre las condiciones reales en el interior de la capa de nieve y complica el proceso de extracción de datos.

Gracias a su capacidad de detectar la radiación de microondas en las bandas de 19 y 37 GHz, los instrumentos SSM/I y SSMIS están ambos en condiciones de asistir con el trabajo de generar mapas del manto de nieve y de inferir el equivalente en agua de la nieve. Recuerde que la región de 19 a 37 GHz es particularmente sensible a la dispersión de la radiación de microondas por las partículas de nieve y que en términos generales esta sensibilidad aumenta con la frecuencia.

Ilustración de la cobertura de las franjas de barrido de varios satélites en órbita polar que transportan instrumentos de microondas pasivos.

Manto de nieve y equivalente en agua » Instrumentos de microondas »     AMSR-E y AMSR-2

El sensor de microondas pasivo AMSR-E a bordo del satélite polar EOS Aqua observó las capas de nieve y de hielo entre 2002 y 2011. Su sucesor, el AMSR-2, que se lanzó a bordo del satélite GCOM-W1 en mayo de 2012, observa la nieve y el hielo con un conjunto de canales casi idéntico, aunque con una resolución espacial levemente más alta.

Análisis del equivalente en agua de la nieve en el hemisferio norte del generador de imágenes de microondas AMSR-E a partir de las órbitas descendentes de 24 horas (nocturnas, ~0130 hora local) entre el 1 y el 31 de marzo de 2006.

Al igual que los sistemas complementarios SSM/I y SSMIS en órbita polar, el AMSR-E y ahora el AMSRE-2 son instrumentos de barrido cónico cuya resolución espacial es constante a través de toda la franja de barrido.

Ilustración de la geometría de barrido del AMSR-2 a bordo del satélite polar GCOM-W.

Después del lanzamiento del AMSR-2 en 2012, comenzaron a estar disponibles productos manto de nieve similares a los que proporcionaba el AMSR-E (cobertura, profundidad y equivalente en agua de la nieve, por ejemplo) a través del Centro de Investigaciones de Observación de la Tierra (Earth Observation Research Center, EORC) de la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) y de la NOAA.

Mosaico diario mundial de la cobertura y profundidad (cm) de la nieve de 24 horas generado con el instrumento AMSR-2 a bordo del satélite GCOM-W1 para el 20 de febrero de 2013.

Manto de nieve y equivalente en agua » Instrumentos de microondas »     AMSU, MHS y ATMS

El instrumento de microondas pasivo AMSU vuela a bordo de los satélites polares de las series NOAA (EE.UU.) y Metop (Europa) creadas bajo un acuerdo de cooperación entre la NOAA y EUMETSAT. Pese a que el AMSU a bordo de los satélites NOAA-18 y NOAA-19 se ha retirado oficialmente del servicio operativo, el instrumento AMSU sigue generando mediciones y continuará su misión a bordo de los satélites de la serie Metop primera generación hasta el año 2024.

Ilustración de los satélites polares K, L y M de la serie NOAA.

AMSU comprende dos instrumentos discretos, el AMSU-A y B a bordo de los satélites anteriores al NOAA-18 y Metop, y el AMSU-A y la sonda de humedad por microondas (Microwave Humidity Sounder, MHS) a bordo de los satélites NOAA-18 y 19 y de los satélites de la serie Metop primera generación. Cada suite de instrumentos cuenta con canales de detección que operan a frecuencias entre 23 y 190 GHz.

Ilustración del satélite en órbita polar Metop y sus instrumentos.

En combinación con la nueva sonda atmosférica de microondas de tecnología avanzada (Advanced Technology Microwave Sounder, ATMS) a bordo de los satélites SUOMI NPP y los futuros satélites JPSS, los instrumentos AMSU y MHS aportan datos de observación para los productos manto de nieve y equivalente en agua de la nieve. La combinación de las órbitas de media mañana y temprano por la tarde permite asegurar una cobertura global y actualizaciones diarias.

El ejemplo siguiente es un análisis compuesto nocturno del equivalente en agua de la nieve generado a partir de los datos del satélite NOAA-18 para una tormenta que dejó bajo un manto de nieve fresca una franja a través de las Montañas Rocosas, las Planicies Centrales, el valle central del Misisipí, el valle del Ohio y los estados del Atlántico Medio.

Producto equivalente en agua de la nieve para Norteamérica del AMSU a bordo de NOAA-18, 22 de marzo de 2006

El correspondiente mapa de distribución del manto de nieve ilustra la cobertura global generada cada 12 horas por cada satélite.

Producto manto de nieve para Norteamérica del AMSU/MHS a bordo de NOAA-18, 22 de marzo de 2006.

Manto de nieve y equivalente en agua » Productos

Manto de nieve y equivalente en agua » Productos »     NOAA: manto de nieve combinado

NOAA/NESDIS sintetiza la información sobre el manto de nieve proveniente de las observaciones de microondas, en el visible, infrarrojas y de superficie para producir a diario un producto combinado capa de nieve y hielo para el hemisferio norte.

También se genera a diario un producto complementario que expande la cobertura a todo el globo terrestre. El mapa multisensor diario de las capas de nieve y hielo utiliza las observaciones de superficie y las observaciones remotas de los satélites de estadounidenses y europeos, como Metop y MSG (Meteosat Segunda Generación).

Mapa mundial del manto de nieve y hielo de la NOAA generado con datos multisensor (visible, infrarrojo medio, infrarrojo y microondas) para el 22 de marzo de 2006.

Manto de nieve y equivalente en agua » Productos »     NOAA: equivalente en agua de la nieve

La animación siguiente muestra los productos manto de nieve y equivalente en agua de la nieve derivados a diario por NOAA-NESDIS a partir de las observaciones de AMSU-B correspondientes a un período de una semana en enero de 2007.

La importancia de las observaciones de microondas y su capacidad de detectar debajo de la capa nubosa resultan particularmente evidentes en las latitudes polares, donde en invierno la capa nubosa puede ser bastante extensa y persistente. Estos tipos de productos son útiles para observar los cambios en las condiciones de la capa de nieve y evaluar el almacenamiento de agua y el potencial de deshielo primaveral.

Manto de nieve y equivalente en agua » Productos »     MSC (Servicio Meteorológico de Canadá): equivalente en agua de la nieve, mosaico

El Servicio Meteorológico de Canadá (MSC) emplea las estimaciones de equivalente en agua de la nieve generadas por sistemas de microondas pasivos para producir mosaicos de alta resolución que se utilizan en actividades tales como administración de recursos hídricos, generación de energía hidroeléctrica, pronóstico de inundaciones, agricultura, observación de sequías y modelización de incendios forestales. El producto se utiliza también en meteorología, para pronosticar el potencial de condiciones de ventisca y observar los aumentos en la capa de nieve debido a nieves recientes.

Producto equivalente en agua de la nieve por microondas generado por el Servicio Meteorológico de Canadá, válido el 22 de marzo de 2006.

Manto de nieve y equivalente en agua » Productos »     NSIDC (National Snow and Ice Data Center): mosaicos

Los mosaicos del generador de imágenes de microondas AMSR-E a bordo del satélite Aqua de la NASA reflejan la evaluación del manto de nieve y el equivalente en agua de la nieve a partir de los datos de microondas. La primera imagen es un ejemplo típico de la cobertura para un período de 12 horas. La segunda imagen (visible arrastrando el control deslizante) es el mosaico de manto de nieve y equivalente en agua de 5 días (pentada) para la misma semana de marzo de 2006.

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Observe que en el mosaico las zonas sin cobertura han desaparecido, ya que la mayoría de ellas se rellenan al superponerse las órbitas ascendentes y descendentes de 24 horas y los pocos vacíos que quedan en los trópicos y las latitudes medias se van rellenando con el leve desplazamiento diario hacia el oeste de las órbitas de los satélites.

Los mosaicos de varios días generados para períodos incluso más largos, como el equivalente en agua de la nieve promedio para 30 días que se muestra a continuación, son importantes para observar las tendencias estacionales y a plazos incluso más largos de almacenamiento de la nieve a escalas grandes y globales.

Análisis del equivalente en agua de la nieve en el hemisferio norte del generador de imágenes de microondas AMSR-E a partir de las órbitas descendentes de 24 horas (nocturnas, ~0130 hora local) entre el 1 y el 31 de marzo de 2006.

Se trata de un recurso importante en hidrología y administración de los recursos hídricos, para el trabajo de seguimiento y predicción del cambio climático a nivel regional y global y para las predicciones numéricas del tiempo a largo plazo. Este tipo de producto de teledetección del manto de nieve puede asimismo jugar un papel importante en extender el historial de datos de distribución de nieve que comienza a fines de la década de 1970 con los datos del radiómetro de microondas multicanal de exploración (Scanning Multichannel Microwave Radiometer, SMMR) del Nimbus-7 y continúa hasta el presente con SSMIS, AMSR-E y su sucesor, AMSR-2. La mayor resolución espacial de los instrumentos como AMSR-E y los futuros generadores de imágenes de microondas mejorará los mapas de distribución del manto de nieve en zonas arboladas y terreno montañoso.

Manto de nieve y equivalente en agua » Productos »     NSIDC: climatografías combinadas

El Centro Nacional de Datos sobre Nieve y Hielo (National Snow and Ice Data Center, NSIDC) de la Universidad de Colorado en Boulder, Colorado (EE.UU.) incluye climatografías del manto de nieve y el equivalente en agua de la nieve en la serie de productos que genera sobre hielo y nieve. Para las imágenes que se muestran a continuación, se han combinado los datos extraídos de las observaciones de los instrumentos de microondas pasivos con los datos en la longitud de onda visible para producir un producto más realista, de resolución más alta.

La animación utiliza promedios mensuales de las condiciones de manto de nieve entre marzo de 2004 y marzo de 2005. Si bien los datos históricos de los satélites no abarcan un período tan largo como las observaciones, ese registro brinda información sobre regiones para las cuales de otra forma no habría ninguna medición in situ.

Para seguir extendiendo el registro de datos hacia el futuro, se están diseñando productos que incorporan las observaciones de los instrumentos de microondas y en el visible (como Suomi NPP y VIIRS de JPSS) para aprovechar las prestaciones espectrales mejoradas y las observaciones de mayor resolución a medida que los nuevos sensores entren en funcionamiento.

Manto de nieve y equivalente en agua » Productos »     NWS: análisis de nieve de NOHRSC

A continuación se muestran varios otros ejemplos de productos manto de nieve combinados. El Centro Operativo Nacional de Teledetección Hidrológica (National Operational Hydrologic Remote Sensing Center, NOHRSC) del Servicio Nacional de Meteorología (National Weather Service, NWS) de los EE.UU. asimila los datos de las observaciones satelitales, terrestres y aéreas, así como la salida de los modelos de PNT, en un modelo de nieve basado en la física que produce análisis de manto de nieve y equivalente en agua de la nieve de alta resolución espacial y temporal. Dichos productos, que se consideran operativos, se actualizan con frecuencia horaria. Las zonas sin cobertura y la limitaciones en la cobertura satelital se rellenan modelizando la nieve y asimilando otros conjuntos de datos.

Haga clic en las pestañas para ver los distintos productos manto de nieve.

Equiv. en agua

Análisis del NWS del equivalente en agua de la nieve en EE.UU. a las 06 UTC del 22 de marzo de 2006

Equiv. en agua, cambio 24 h

Análisis del NWS del cambio en 24 h en el equivalente en agua de la nieve en EE.UU. a las 06 UTC del 22 de marzo de 2006

Prof. de la nieve

Análisis del NWS de la profundidad de la nieve en EE.UU. para el período de 24 horas hasta las 6 UTC del 21 de enero de 2006

Temp. del manto de nieve

Análisis del NWS de la temperatura media de la capa de nieve en EE.UU. para el período de 24 horas hasta las 6 UTC del 21 de enero de 2006

Deshielo

Análisis del NWS de la profundidad de la nieve en EE.UU. para el período de 24 horas hasta las 6 UTC del 21 de enero de 2006

Manto de nieve y equivalente en agua » Resumen

Manto de nieve y equivalente en agua » Resumen »     Pregunta

Pregunta

¿Cuáles de los siguientes sistemas con instrumentos de microondas pasivos brindan o brindarán mediciones rutinarias del manto de nieve? Escoja todas las opciones pertinentes.

Explicación: Las respuestas a), b), c) y d) son correctas; la opción e) es incorrecta.

Se pueden conseguir productos manto de nieve generados con datos de microondas de los instrumentos SSMIS a bordo de los satélites DMSP, AMSR-2 a bordo de GCOM-W, de la suite AMSU-MHS a bordo de los satélites NOAA y Metop y de ATMS a bordo del satélite polar Suomi NPP. También hay un instrumento ATMS a bordo de los satélites JPSS de próxima generación de la NOAA. Aunque el TMI a bordo del satélite TRMM cuenta con canales de la frecuencia necesaria para observar el manto de nieve, su órbita casi ecuatorial y su misión de observación de los trópicos apoyan productos principalmente relacionados con las características de la superficie oceánica y la lluvia.

Escoja al menos una opción.

Manto de nieve y equivalente en agua » Resumen »     Prestaciones de los instrumentos y características de los productos

Esta tabla presenta un resumen de algunos de los principales productos manto de nieve que generan los instrumentos de microondas de los satélites NOAA, EUMETSAT, NASA y DMSP. Cada uno de ellos aporta datos de observación importantes que nos permiten continuar el registro histórico de distribución de la nieve para uso en meteorología operativa, hidrología y climatología.

Resumen de las prestaciones de los instrumentos de microondas pasivos y de las características de los productos manto de nieve.

Note que los datos de intervalo y exactitud de los productos indicados en la tabla representan un resumen de los resultados de varias fuentes y, por tanto, no se aplican necesariamente a ningún algoritmo o sistema de extracción en particular. Los algoritmos de extracción de los datos de manto de nieve de los instrumentos más nuevos, como el AMSR-2 y el GMI, son objeto de una constante actividad de investigación y desarrollo. Esto implica que habrá variaciones —a veces considerables— en las características de los productos individuales según la entidad que los desarrolle y que los productos en sí evolucionarán con el tiempo.

Resumen de las prestaciones de los instrumentos de microondas pasivos y de las características de los productos manto de nieve en el cual se resaltan los rangos y la exactitud de los productos.

Manto de nieve y equivalente en agua » Resumen »     Limitaciones de los productos

Al examinar un producto manto de nieve es preciso tener en cuenta sus límites: la topografía montañosa, las zonas arboladas, las extensiones de hielo y las superficies desérticas frías no son viables en el producto equivalente en agua de la nieve y típicamente se filtran o se identifican durante el proceso de extracción.

Hay otros factores que afectan y limitan la calidad de los productos: los litorales, donde el campo de visión del instrumento puede incluir una combinación de superficies terrestres y oceánicas; las zonas urbanas y otras regiones con tipos de superficies muy variables; las precipitaciones líquidas, porque las precipitaciones ocultan la superficie subyacente; y las condiciones del manto de nieve (húmedo, en etapa de fusión), porque el agua altera fuertemente las características de dispersión y emisión de la capa de nieve acumulada.

En resumen, estas son algunas limitaciones de los productos:

  • cuando se extrae para terreno montañoso, el equivalente en agua de la nieve está sujeto a un error más grande debido a la variabilidad y a la geometría compleja;
  • la extracción del equivalente en agua de la nieve es problemática sobre suelos congelados, desiertos fríos y capas de hielo (Groenlandia y Antártida);
  • normalmente, las capas de hielo se eliminan o se identifican como tales;
  • las zonas arboladas de los productos están contaminadas (algunos algoritmos pueden corregir parcialmente la cobertura y densidad);
  • los productos se degradan a lo largo de las costas;
  • los productos se degradan en zonas urbanas y otras regiones con tipos de superficies muy variables;
  • los productos no se extraen donde cae precipitación líquida;
  • los productos no se extraen para capas de nieve húmeda o en etapa de fusión.

Manto de nieve y equivalente en agua » Resumen »     Limitaciones de los productos: Pregunta

Pregunta

¿En cuáles de las siguientes regiones o condiciones se ve reducida la calidad de los productos manto de nieve? Escoja todas las opciones pertinentes.

Explicación: Las respuestas a), c), d) y e) son correctas; las opciones b) y f) son incorrectas.

La opción b) es incorrecta porque la iluminación solar no afecta directamente a las observaciones de microondas del manto de nieve. La opción f) es incorrecta porque no existe ningún obstáculo geográfico que impida la observación del manto de nieve, salvo los intervalos sin cobertura que ocurren entre pasadas consecutivas en la órbita polar en las latitudes medias y bajas.

Escoja al menos una opción.

Hielo marino

Hielo marino » ¿Por qué usar la teledetección de hielo marino?

Hielo marino » ¿Por qué usar la teledetección de hielo marino? »     Necesidad de datos de hielo marino

Es esencial contar con una representación exacta del hielo marino para el trabajo de pronóstico meteorológico, observación de ecosistemas, transporte de mercancías y el bienestar de las economías mundiales.

Ciertas tendencias que se han observado en el hielo marino del océano Ártico también subrayan la importancia de estas observaciones para nuestra comprensión del sistema climático global y para hacer predicciones relacionadas.

Esta animación muestra un ciclo típico de avance y retroceso del hielo marino en invierno a través del hemisferio norte entre fines de 2002 y comienzos de 2003.

Los instrumentos de microondas en órbita polar son una herramienta que permite observar el estado de la superficie del mar en cualquier condición meteorológica. Resultan particularmente eficaces en las regiones polares debido a la gran cantidad de pasadas satelitales que se superponen todos los días. Las nubes, la precipitación y los demás elementos atmosféricos se eliminan y el producto nos permite observar la extensión y evolución del hielo marino, como se aprecia en esta animación de imágenes del instrumento de microondas AMSR-2 a bordo del satélite GCOM-W1 de JAXA.

Hielo marino » ¿Por qué usar la teledetección de hielo marino? »     Aplicaciones y usuarios

Esta tabla presenta un resumen de las aplicaciones y los usuarios de información sobre hielo marino.

Las aplicaciones abarcan una amplia gama de intereses, como transporte y navegación, predicción meteorológica, climatología y observación de ecosistemas y otros. Esta información de usa en navegación, pesca, planificación de transportes, meteorología, investigación climática y otros ámbitos científicos.

Usos y usuarios actuales de datos sobre el hielo marino.

Desde el lanzamiento de los satélites en órbita polar Nimbus-7 en 1978, las observaciones del hielo marino global por microondas se han transformado en un importante conjunto de datos de investigación y operativo, y constituyen una piedra angular del conjunto de datos históricos satelitales.

Hielo marino » ¿Por qué usar la teledetección de hielo marino? »     ¿Por qué observar el hielo marino desde una órbita polar?

Las mediciones del hielo marino desde una órbita polar ofrecen varias ventajas importantes tanto sobre las observaciones satelitales tradicionales en el visible e infrarrojo como sobre las mediciones terrestres.

Durante el invierno polar, la extensión del hielo marino se expande y la capa nubosa estratiforme tiende a ser más extensa. Como las observaciones en el visible e infrarrojo son incapaces de penetrar la mayoría de la nubes,...

...la capacidad de los instrumentos remotos de microondas de penetrar el manto nubosos los convierte en el complemento perfecto de las observaciones satelitales convencionales y las observaciones terrestres del hielo marino.

Concentración de hielo marino, órbitas diurnas de Aqua AMSR-E del 7 de julio de 2007.

Por lo general, contamos con escasas mediciones del hielo marino in situ y la ocurrencia de ciertos fenómenos a menudo pasa desapercibida. Las observaciones satelitales contribuyen a aliviar este problema con la repetición de la cobertura sobre vastas regiones con una resolución prácticamente uniforme, algo ideal para el trabajo de observación, modelización y creación de productos de distribución.

Hielo marino » ¿Cómo se ve el hielo marino desde el espacio?

Hielo marino » ¿Cómo se ve el hielo marino desde el espacio? »     Comparación de agua y capa de hielo

La capa de hielo sobre los océanos, lagos y ríos se distingue fácilmente del agua en las imágenes generadas con frecuencias de microondas menores que 90 GHz.

Debido a su elevada constante dieléctrica, las superficies de agua son emisores relativamente pobres (y buenos reflectores) de la energía de microondas.

Encontrará una discusión más detallada del efecto dieléctrico en la lección complementaria Teledetección por microondas: recursos de microondas (en inglés). Como veremos en un momento, la gran diferencia en las emisiones del agua y del hielo puede producir una diferencia en la temperatura de brillo observada que a veces excede los 40 Kelvin (o grados Celsius), pese a que la temperatura física de las dos superficies sea muy similar.

Representación conceptual de una escena despejada sobre el océano en la cual se muestra la diferencia en las emisiones de microondas entre una superficie de agua y una cubierta por hielo marino

Hielo marino » ¿Cómo se ve el hielo marino desde el espacio? »     Curvas de emisividad

Esta gráfica muestra los espectros de emisividad de microondas de varias estructuras en la superficie terrestre y oceánica.

Emisividad de microondas para varios tipos de superficies, como tierra firme, nieve, hielo marino y agua marina.

Si fijamos en las curvas de emisión del agua marina y las capas de hielo, notamos que la emisividad de microondas a frecuencias más bajas casi duplica en presencia de hielo marino.

Emisividad de microondas para varios tipos de superficies que destaca las curvas de hielo marino y agua marina.

A medida que el hielo envejece, vemos otros cambios en la emisividad en función de la frecuencia. Este comportamiento constituye la base para detectar el hielo marino y determinar la cantidad fraccional y la edad aproximada.

Emisividad de microondas para varios tipos de superficies que destaca las curvas de hielo marino y agua marina.

Hielo marino » ¿Cómo se ve el hielo marino desde el espacio? »     Preguntas de identificación de estructuras

Use la imagen de polarización vertical de 19 GHz para identificar las estructuras indicadas.

Mosaico mundial de la temperatura de brillo del canal de 18,7 GHz con polarización vertical de AMSR-E tomada el 25 de marzo de 2006 en la cual se destacan dos regiones, una sobre agua y la otra sobre hielo marino.

Pregunta 1

La estructura A (esquina superior izda.) es muy probablemente _____. (Elija la mejor respuesta.)

Explicación: La respuesta correcta es d).

Como la superficie terrestre, el manto de nieve y hielo se ve relativamente cálido debido a su emisividad relativamente alta.

Escoja una opción.

Pregunta 2

En la misma imagen de 19 GHz, la estructura B es muy probablemente _____. (Elija la mejor respuesta.)

Explicación: La respuesta correcta es a).

El océano abierto tiene un aspecto relativamente frío para los instrumentos de microondas pasivos debido a la baja emisividad del agua.

Escoja una opción.

Hielo marino » ¿Cómo se ve el hielo marino desde el espacio? »     Impactos de la emisividad en la temperatura de brillo

Estos mosaicos de la temperatura de brillo de 19 GHz con polarización horizontal y vertical captadas con el instrumento de microondas del AMSR-E el 25 de marzo de 2006 muestran los fuertes contrastes de temperatura asociados con la capa de hielo marino en las regiones polares de ambos hemisferios. Esto coincide con lo que cabe esperar dadas las diferencias que vimos al comparar las curvas de emisión del agua y de la capa de hielo.

También vemos que el hielo marino reduce la diferencia en el grado de polarización entre los canales horizontal y vertical en comparación con lo esperado para una superficie de agua abierta.

Deslice el control deslizante para comparar las diferencias de polarización (horizontal y vertical) en zonas de hielo marino y aguas abiertas (como en la región en el rectángulo rojo, por ejemplo).

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Recuerde que la polarización es la orientación de una onda electromagnética sobre un plano perpendicular a su dirección movimiento y es una propiedad importante para las interacciones relacionadas con la radiación de microondas.

Las polarizaciones vertical y horizontal son las orientaciones de las ondas electromagnéticas que observamos más a menudo para caracterizar las propiedades de superficie y atmosféricas. Encontrará una explicación más detallada de la polarización y de cómo esta importante propiedad varía de acuerdo con el tipo y la composición de las superficies en la lección complementaria Teledetección por microondas: recursos de microondas (en inglés).

Observe que si bien las diferencias en la temperatura de brillo entre los canales de polarización vertical y horizontal son considerables sobre las aguas abiertas del océano, se vuelve difícil distinguir las diferencias de temperatura en las áreas cubiertas de hielo marino. Los instrumentos satelitales como AMSR-E, AMSR-2, WindSat, GPM-GMI, SSM/I y SSMIS son capaces de observar estas diferencias de polarización y de proporcionar información adicional que es importante para caracterizar el tipo, la edad y la temperatura de la capa de hielo y la profundidad del manto de nieve.

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Hielo marino » ¿Cómo se ve el hielo marino desde el espacio? »     Impacto de los cambios en el hielo marino con el tiempo

Con el tiempo, en el seno del hielo marino ocurren cambios estructurales importantes que se pueden detectar en forma indirecta a través de las observaciones de los sistemas de microondas pasivos que luego se utilizan, por ejemplo, para calcular la edad aproximada del hielo marino.

Esta animación muestra que conforme el agua se congela, se excluye una salmuera que se concentra en cavidades y orificios, lo cual produce un hielo que se compone principalmente de agua dulce. La emisividad de microondas de esta capa de hielo nueva es relativamente alta, porque su superficie produce relativamente poca dispersión y reflexión de la radiación.

Esta otra animación ilustra el proceso gradual denominado «rechazo de salmuera» que marca la transformación del hielo marino nuevo o de primer año en hielo de varios años. La salmuera que llena las cavidades es relativamente densa y tiene un punto de congelación más bajo, de modo que poco a poco se abre camino hasta el fondo de la capa de hielo, por donde precipita dejando atrás cavidades vacías cuyo efecto consiste en aumentar el grado de dispersión de la radiación de microondas que atraviesa la capa de hielo; en términos prácticos, esto reduce la emisividad del manto de hielo. Desde la perspectiva de un instrumento de microondas pasivo, una capa de hielo más vieja parece más fría en comparación con una capa de hielo más reciente.

Hielo marino » ¿Cómo se ve el hielo marino desde el espacio? »     Hielo marino de uno y varios años, página 1

Esta gráfica presenta un resumen del impacto del transcurso del tiempo en la temperatura de brillo de las emisiones de microondas observadas del hielo marino. Las curvas individuales muestran la variación en la temperatura de brillo de microondas según la frecuencia (longitud de onda) para una superficie oceánica abierta y una capa de hielo acumulada en uno o en varios años, con ambas polarizaciones, vertical y horizontal. Cuanto mayor sea la separación entre las dos curvas de temperatura de brillo correspondientes a cada tipo de superficie, tanto mayor será el grado —o la diferencia— de polarización.

La información de esta gráfica constituye la base para extraer los datos de cobertura y edad del hielo marino por medio de algoritmos operativos.

Temperaturas de brillo de microondas para hielo marino de uno y varios años y aguas oceánicas, observaciones del radiómetro de microondas multicanal (SMMR) de Nimbus-7. Las bandas indican +/- 1 desviación estándar de la media

Hielo marino » ¿Cómo se ve el hielo marino desde el espacio? »     Hielo marino de uno y varios años, página 2

Temperaturas de brillo de microondas para hielo marino de uno y varios años y aguas oceánicas, observaciones del radiómetro de microondas multicanal (SMMR) de Nimbus-7. Las bandas indican +/- 1 desviación estándar de la media

Pregunta

¿A qué conclusiones nos permite llegar un análisis de los tres conjuntos de curvas de temperatura de brillo? Escoja todas las opciones pertinentes.

Explicación: Las respuestas a), c) y d) son correctas; las opciones b) y e) son incorrectas.

La opción b) es incorrecta porque la temperatura de brillo tiende a disminuir a medida que el hielo marino envejece; la opción e) es incorrecta porque la información tanto de pendiente como de polarización puede ser útil para identificar el hielo marino. La información de pendiente es particularmente útil para los instrumentos de microondas como el AMSU que carecen de datos de polarización. Más adelante compararemos los productos hielo marino generados con ambos tipos de instrumentos, los que tienen canales de polarización, como SSM/I, SSMIS, AMSR-E y AMSR-2, y los que no, como AMSU.

Escoja al menos una opción.

Hielo marino » ¿Cómo se ve el hielo marino desde el espacio? »     Hielo marino de uno y varios años, página 3

La comparación de estos tres conjuntos de curvas nos permite observar varios aspectos importantes. En primer lugar, vemos que el grado de polarización siempre es mayor para el agua oceánica que para el hielo de uno o varios años.

Temperaturas de brillo de microondas para hielo marino de uno y varios años y aguas oceánicas, observaciones del radiómetro de microondas multicanal (SMMR) de Nimbus-7. Las bandas indican +/- 1 desviación estándar de la media

También se nota que las tendencias de la temperatura de brillo, de mayor a menor frecuencia, de las aguas oceánicas son exactamente el inverso de las de las capas de hielo.

Estas dos características —las diferencias en las tendencias de polarización y temperatura de brillo— constituyen el aspecto fundamental que nos permite usar los instrumentos de microondas para distinguir entre el agua y las capas de hielo.

Temperaturas de brillo de microondas para hielo marino de uno y varios años y aguas oceánicas, observaciones del radiómetro de microondas multicanal (SMMR) de Nimbus-7. Las bandas indican +/- 1 desviación estándar de la media

Otro aspecto interesante que cabe observar está relacionado con la capacidad de inferir la edad del hielo marino en términos de uno o varios años. Las curvas grises en la parte superior de la gráfica corresponden al hielo de un año, mientras las curvas celestes inmediatamente debajo de ellas representan las observaciones del hielo de varios años.

La comparación de las pendientes de los dos conjuntos de curvas a frecuencias cada vez menores revela que las curvas del hielo de varios años son más inclinadas que las del hielo de un año.

before after
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Podemos además comparar el grado de polarización del hielo de uno y de varios años aplicando una razón de polarización que nos ayude a categorizar los dos tipos de hielo (la expresión al pie de esta gráfica).

Temperaturas de brillo de microondas para hielo marino de uno y varios años y aguas oceánicas, observaciones del radiómetro de microondas multicanal (SMMR) de Nimbus-7. Las bandas indican +/- 1 desviación estándar de la media

La razón de polarización normaliza las diferencias de polarización a una frecuencia dada y se deriva calculando la diferencia entre los canales de temperatura de brillo vertical y horizontal y luego dividiendo el resultado entre la suma de los dos.

La gráfica muestra que la razón de polarización del hielo de un año es relativamente baja (visualmente se trata de una diferencia menos pronunciada entre las curvas de polarización vertical y horizontal) y aumenta a medida que la capa de hielo envejece.

Hielo marino » De la observación a los productos

Hielo marino » De la observación a los productos »     Selección de canales

Debido a las grandes diferencias entre la temperatura de brillo y la polarización del agua y de las capas de hielo, y a los cambios considerables que se observan según la frecuencia, los esquemas de extracción de datos para las capas de hielo emplean los canales de microondas entre 7 y 100 GHz (que corresponden a las longitudes de onda de 4,3 a 0,3 cm).

Temperaturas de brillo de microondas para hielo marino de uno y varios años y aguas oceánicas, observaciones del radiómetro de microondas multicanal (SMMR) de Nimbus-7. Las bandas indican +/- 1 desviación estándar de la media

Debido a su sensibilidad relativamente baja a las nubes y el vapor de agua, las frecuencias entre 10 y 37 GHz producen la mejor información sobre las capas de hielo.

Temperaturas de brillo de microondas para hielo marino de uno y varios años y aguas oceánicas, observaciones del radiómetro de microondas multicanal (SMMR) de Nimbus-7. Las bandas indican +/- 1 desviación estándar de la media

Por otra parte, las frecuencias más altas (entre 50 y aproximadamente 89 GHz) se utilizan para identificar y, en ciertos casos, corregir aquellas áreas que pueden haber sido contaminadas por precipitación. Los instrumentos de microondas con canales de 85 a 89 GHz se utilizan también para tratar de corregir las concentraciones de hielo cuando las condiciones de la capa superficial, como hielo muy fino, una estructura en capas o hielo cubierto por una capa cristalina, pueden distorsionar la percepción de los canales de menor frecuencia y reducir las temperaturas de brillo de polarización horizontal. El resultado es una mayor diferencia de polarización entre los canales vertical y horizontal que aumenta la razón de polarización y, de no corregirse, lleva a subestimar la concentración del hielo.

Temperaturas de brillo de microondas para hielo marino de uno y varios años y aguas oceánicas, observaciones del radiómetro de microondas multicanal (SMMR) de Nimbus-7. Las bandas indican +/- 1 desviación estándar de la media

Hielo marino » De la observación a los productos »     Selección de canales de los instrumentos de microondas pasivos

La tabla siguiente ofrece un resumen de las frecuencias más utilizadas en los algoritmos de extracción del hielo marino organizado por instrumentos de microondas pasivos similares. También incluye algunas observaciones sobre la estrategia de combinación de canales empleada para cada instrumento.

Resumen de los instrumentos y los canales de microondas pasivos más usados en los algoritmos de extracción de datos de hielo marino.

Observe que el AMSU de los satélites NOAA y el ATMS a bordo de Suomi NPP y los futuros satélites JPSS son los únicos instrumentos que no son capaces de distinguir la polarización vertical de la horizontal. Debido a esta diferencia, el algoritmo de extracción de hielo marino de AMSU y ATMS no puede usar la razón de polarización que se emplea con los datos de los instrumentos de barrido cónico, como AMSR-E, AMSR-2, GMI, SSM/I y SSMIS. En su lugar, los algoritmos de AMSU y ATMS suelen estimar la emisividad de la superficie (agua o hielo) a la frecuencia más baja disponible (23 GHz). El algoritmo puede basarse en dicha estimación de la emisividad para distinguir el hielo de una masa de agua y calcular las concentraciones de hielo. Dado que las diferencias de polarización son un factor importante para estimar la edad del hielo marino, AMSU y ATMS se usan principalmente para extraer datos de concentración del hielo y no la edad del hielo.

Sin embargo, los otros instrumentos de microondas, como SSM/I, SSMIS, AMSR-2 y GMI, incluyen canales con ambas polarizaciones, vertical y horizontal, motivo por el cual resultan más adecuados para estimar la edad del hielo marino.

Hielo marino » Instrumentos y ejemplos de productos

Hielo marino » Instrumentos y ejemplos de productos »     SSM/I y SSMIS

Desde 1987, el sensor especial y generador de imágenes de microondas (Special Sensor Microwave/Imager, SSM/I) y su sucesor, el sensor especial sonda atmosférica/generador de imágenes de microondas (Special Sensor Microwave Imager/Sounder, SSMIS), han continuado las observaciones mundiales de las capas de hielo marino con sistemas de microondas pasivo que comenzaron en 1978 con el radiómetro de microondas multicanal SMMR (Scanning Multichannel Microwave Radiometer). Las observaciones de esta serie de instrumentos de microondas de barrido cónico se han combinado y procesado para crear varios tipos de productos y visualizaciones diarios y estacionales, como los que se utilizaron para crear la animación siguiente, la cual resalta la extensión máxima del hielo marino en las regiones polares del norte entre 1979 y 2005. Las observaciones sugieren que durante este período de 26 años vimos una disminución de la capa de hielo marino de aproximadamente el 6 %.

La imagen siguiente es un ejemplo del producto operativo capa de hielo diario de 25 km generado combinando los datos recopilados en las órbitas individuales de los instrumentos SSM/I y SSMIS.

Producto SSM/I concentración mundial del hielo marino para el 8 de febrero de 2008.

Cuando examinamos un mosaico como este, es importante recordar la gran ventaja de las observaciones de microondas, especialmente en las latitudes altas, donde la utilidad de las observaciones convencionales en el visible e infrarrojo se ve limitada por la frecuente presencia de una capa nubosa y condiciones de escasa iluminación en invierno.

Hielo marino » Instrumentos y ejemplos de productos »     AMSR-E y AMSR-2

El instrumento de microondas pasivo AMSR-E que se lanzó en 2002 a bordo de la nave espacial EOS Aqua de la NASA fue diseñado con canales adicionales y una resolución espacial más alta que permitieron mejorar la calidad de varios productos, como el de hielo marino. Aunque la misión del instrumento AMSR-E terminó en 2011, la de AMSR-2, su sucesor, comenzó en 2012. AMSR-E y ahora AMSR-2 aportan importantes contribuciones a las observaciones diarias del hielo marino y al conjunto de datos climáticos de hielo marino.

Estos son algunos ejemplos de los productos concentración del hielo marino que la NASA produce a diario con una resolución de 12,5 km para las regiones polares de los hemisferios norte y sur. El producto AMSR-E abarca las concentraciones de hielo marino del 0 al 100 % con una exactitud aproximada del 10 al 15 %. El Centro de Investigaciones de Observación de la Tierra (Earth Observation Research Center, EORC) de la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) está desarrollando y perfeccionando productos mejorados con las observaciones de AMSR-2.

Las pestañas muestran los productos hielo marino que para las regiones polares árticas y antárticas.

AMSR-E: concentración de hielo marino en el ártico

Imagen multiórbita compuesta diaria AMSR-E (Aqua) de la concentración del hielo marino en las regiones polares antárticas

AMSR-E: concentración de hielo marino en el antártico

Imagen multiórbita compuesta diaria AMSR-E (Aqua) de la concentración del hielo marino en las regiones polares antárticas

Los datos del AMSR-E se utilizan también para dos otros productos hielo marino que se generan regularmente: la profundidad de la nieve acumulada sobre el hielo marino y la temperatura del hielo marino.

La disponibilidad de un canal de 7 GHz en el AMSR-E y ahora en el AMSR-2 permite penetrar el manto de nieve a mayor profundidad y extraer una temperatura representativa del punto de contacto entre la nieve y el hielo. La temperatura del hielo marino es importante para pronosticar el deshielo y las temperaturas frías del hielo son indicativas de capas de hielo más gruesas.

Compare los productos profundidad de la nieve acumulada sobre el hielo marino y temperatura del hielo marino.

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Hielo marino » Instrumentos y ejemplos de productos »     Productos AMSU y ATMS diarios

El instrumento de microondas pasivo AMSU de los satélites polares NOAA y Metop también ha jugado un papel importante en la observación regular del hielo marino desde que el primer instrumento AMSU se lanzó en órbita a bordo del satélite NOAA-15, en 1998. Los satélites NOAA siguen proporcionando valiosas mediciones, pero a comienzos de 2013 el instrumento de microondas ATMS a bordo del satélite Suomi NPP asumió las responsabilidades de observación operativa. Los instrumentos ATMS continuarán volando a bordo de los satélite JPSS al menos hasta la década de 2030. Juntos, los satélites polares europeos (Metop) y estadounidenses forman una constelación que brinda al menos cuatro vistas diarias de cualquier lugar en particular.

La NOAA genera los productos concentración del hielo marino para cada uno de los satélites NOAA, Suomi NPP y Metop. Este ejemplo muestra los mosaicos de 24 horas correspondientes a las órbitas ascendentes y descendentes del instrumento ATMS a bordo del satélite Suomi NPP.

La concentración de hielo marino se genera para valores entre el 12 y el 100 % y cubre las latitudes entre 45 grados norte y sur y el polo correspondiente. Use el control deslizante para comparar los productos de las órbitas ascendentes y descendentes.

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Hielo marino » Instrumentos y ejemplos de productos »     Productos NOAA compuestos

La NOAA también genera promedios de los datos orbitales diarios para producir un producto compuesto de cinco días (una pentada) que se actualiza a intervalos de 5 días y se presenta en una proyección mundial como la siguiente. Estos compuestos de cinco días son menos susceptibles a los efectos de los fenómenos meteorológicos transitorios y de la falta de datos que a veces marcan los productos de una órbita individual.

NOAA-19, concentración de hielo marino por microondas, promedio de 5 días del 5 al 9 de febrero de 2014.

Además del producto hielo marino específico, la NOAA genera mosaicos multiproducto de 24 horas. Estas imágenes combinan varios productos de microondas del AMSU [temperatura en la superficie, hielo marino, manto de nieve, agua precipitable total (Total Precipitable Water, TPW), agua líquida en las nubes (Cloud Liquid Water, CLW), recorrido agua-hielo (Ice Water Path, IWP) y tasa de lluvia] en distintas proyecciones (mundial, polar) que presentan los elementos de superficie y atmosféricos de forma conveniente en un contexto meteorológico más amplio.

Use el control deslizante para comparar los mosaicos de dos proyecciones distintas.

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Se genera un producto compuesto similar fusionando varios productos AMSU en un producto compuesto de cinco días que elimina las zonas sin cobertura y es mejor para seguir la evolución de las estructuras meteorológicas y de superficie de mayor duración.

Haga clic en las pestañas para ver las diferentes proyecciones del producto compuesto de cinco días.

Mundial

Producto de microondas del satélite NOAA-19, mosaico del promedio de cinco días del 5 al 9 de febrero de 2014

Polo Norte

Producto de microondas del satélite NOAA-19, mosaico del promedio de cinco días del 05 al 09 de febrero de 2014 para la región del polo norte.

Polo Sur

Producto de microondas del satélite NOAA-19, mosaico del promedio de cinco días del 05 al 09 de febrero de 2014 para la región del polo sur.

Hielo marino » Prestaciones de los instrumentos y características de los productos

Hielo marino » Prestaciones de los instrumentos y características de los productos »     Generadores de imágenes de microondas pasivos

Esta tabla presenta un resumen de los instrumentos de microondas pasivos que en la actualidad observan las capas de hielo y destaca algunas características clave de los productos.

Todos estos instrumentos generan productos que muestran la concentración y extensión del hielo marino. Las diferencias entre los varios productos son principalmente el resultado de la resolución del sensor y de cómo los algoritmos tratan los diversos efectos atmosféricos y de la superficie.

Tabla con resumen de las prestaciones de los instrumentos de microondas y las características de los productos de hielo marino.

Hielo marino » Prestaciones de los instrumentos y características de los productos »     Limitaciones de los productos

Los productos operativos de los instrumentos SSM/I, SSMIS, AMSU, ATMS y AMSR-2 incluyen la cobertura y concentración del hielo marino. A igual que el AMSR-E, el AMSR-2 es capaz de generar productos adicionales de profundidad de la nieve acumulada sobre la capa de hielo y temperatura del hielo.

A continuación se describen ciertas limitaciones que conviene tener presentes al examinar los productos capa de hielo. En la actualidad, las variaciones en el tipo y la temperatura del hielo marino, la acumulación del agua sobre el hielo marino, el hielo fino, las superficies cristalinas, la presencia de capas de hielo, la turbulencia del océano causada por el viento, los litorales y la precipitación constituyen las fuentes más comunes de error e incertidumbre. En algunos casos es posible efectuar correcciones, y en otros los valores de hielo marino se pueden eliminar o identificar como relativamente poco confiables, según el esquema empleado.

  • Las concentraciones del hielo marino de AMSU y ATMS por debajo del 12 % no se incluyen, principalmente debido a la huella más grande de AMSU y a la contaminación por la humedad atmosférica sobre las aguas oceánicas.
  • Los productos pueden sufrir cierta degradación y la cobertura de hielo puede sobre- o subestimarse en las zonas donde el viento provoca turbulencia en la superficie oceánica y donde las condiciones atmosféricas son inclementes (mayores concentraciones de vapor de agua, manto nuboso denso o de varias capas, y precipitaciones).
  • Los productos sufren cierta degradación cerca de los litorales y otras características terrestres, como las islas, o dichas estructuras se eliminan.
  • Los productos pueden sufrir cierta degradación y la cobertura de hielo subestimarse cuando la condiciones de la superficie del hielo incluyen agua acumulada, capas de hielo fino, superficies cristalinas, capas superpuestas, un manto de nieve y variaciones en el tipo y la temperatura del hielo.

Hielo marino » Prestaciones de los instrumentos y características de los productos »     Limitaciones de los productos: Pregunta

Mosaico de productos de microondas AMSU de NOAA-19 para Norteamérica derivados de las órbitas ascendentes (temprano por la tarde) válido a las 1330 hora local 7 de febrero de 2014.

Pregunta

¿Cuáles de las siguientes condiciones afectan negativamente a los productos hielo marino generados por microondas? Escoja todas las opciones pertinentes.

Explicación: Las respuestas a), b), d) y e) son correctas; c) y f) son incorrectas.

Si el viento ha creado condiciones turbulentas en la superficie del océano, es posible que se sobreestime el hielo marino, porque las olas oceánicas y la espuma del agua pueden aumentar la emisividad de microondas de la superficie oceánica hasta llegar a parecer hielo marino. La precipitación absorbe la radiación de microondas emitida por el hielo marino subyacente, lo cual oculta la señal del hielo marino, y una capa de hielo fina puede causar la subestimación del hielo marino, ya que una mayor parte de la señal del océano subyacente puede atravesar el hielo. La opción c) capa nubosa delgada es incorrecta porque los instrumentos de microondas son capaces de detectar a través de cualquier capa nubosa salvo las más espesas y las que producen precipitaciones. La opción f) reflejo solar también es incorrecta, ya que el Sol emite la mayor parte de su energía en el visible e infrarrojo y la región de microondas solo representa una pequeña fracción de la radiación total que irradia.

Escoja al menos una opción.

Temperatura de la superficie del mar

Temperatura de la superficie del mar » ¿Por qué usar la teledetección de TSM?

Temperatura de la superficie del mar » ¿Por qué usar la teledetección de TSM? »     Necesidad de datos de TSM

La temperatura de la superficie del mar (TSM) y su variación son factores que están estrechamente ligados al intercambio de energía, momento y humedad entre el océano y la atmósfera. La temperatura de superficie de los océanos de nuestro planeta juega un papel central en la variabilidad de los regímenes meteorológicos y climáticos regionales y mundiales, así como en la salud y el bienestar de la vida oceánica.

Representación esquemática de las interacciones generales aire-mar que implican transferencias de momento, calor, humedad o radiación.

El ciclo de episodios recurrentes de El Niño y La Niña, cuyos impactos sobre el tiempo y el clima a nivel regional son muy importantes en muchos lugares del mundo, constituye un ejemplo claro y bien conocido del acoplamiento entre el océano y la circulación atmosférica.

Impactos meteorológicos mundiales de El Niño en invierno para el hemisferio norte.

Durante un episodio de El Niño, la zona de temperaturas de la superficie de mar anormalmente cálidas se extiende hacia el oeste a lo largo del océano Pacífico ecuatorial. Los cambios asociados en la presión al nivel del mar y las precipitaciones pueden afectar a los patrones meteorológicos en lugares muy distantes de las anomalías cálidas de TSM.

Anomalías de TSM detectadas por satélite en diciembre de 1997 con datos infrarrojos nocturnos del AVHRR.

La TSM afecta a la génesis y evolución de los sistemas atmosféricos tropicales y los ciclones tropicales.

Regiones de origen de huracanes en septiembre con las trayectorias principales y la TSM mensual de AMSR-E para septiembre de 2005.

Los cambios en la intensidad de los huracanes están fuertemente vinculados a la TSM y al contenido de calor del océano superior, como lo demuestran las estimaciones de trayectoria e intensidad del huracán Katrina (agosto de 2005).

Producto potencial de calor de ciclón tropical derivado altimetría y trayectoria del huracán Katrina a partir del 28 de agosto de 2005.

En las capas superiores del océano fluyen grandes corrientes cuyos efectos tienen implicancias importantes para el transporte de calor hacia los polos, los patrones de convección y de precipitaciones oceánica, y la distribución de nutrientes y la producción oceánica. Las observaciones de la TSM revelan los gradientes térmicos y las fronteras claramente demarcadas que suelen asociarse a estas importantes circulaciones oceánicas.

Tres importantes corrientes de superficie cálidas mundiales representadas en los mosaicos semanales de TSM del TMI: la corriente del Lazo (Golfo de México), la corriente de Agulhas (África) y la corriente de Kuroshio (Japón).

Existen fuertes correlaciones entre la TSM y las concentraciones de nutrientes y la producción primaria en los océanos. Por producción primaria se entiende la producción de compuestos orgánicos a partir del dióxido de carbono atmosférico o acuático, principalmente a través de la fotosíntesis.

Los fuertes gradientes de temperatura horizontales y las concentraciones de nutrientes en los océanos —los llamados frentes oceánicos— se correlacionan con corrientes y zonas de alta productividad que apoyan las pesquerías y contribuyen a las floraciones algales.

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Esta imagen de color del océano muestra la enorme floración algal que cubrió una vasta región del Pacífico ecuatorial después del intenso episodio de El Niño de 1997-1998.

Mosaico del satélite SeaWIFS de una floración algal que ocurrió en la zona ecuatorial del Pacífico oriental en 1998.

Las circulaciones diurnas como las brisas de tierra y de mar son un excelente ejemplo de los efectos del contraste entre la temperatura del agua y del suelo en el tiempo y el clima locales.

Una representación detallada de la TSM y sus variaciones a lo largo de las costas constituye un elemento importante para pronosticar el desarrollo de las brisas de tierra y de mar y el potencial de convección.

Cuando una brisa de mar sopla hacia el interior e interactúa con la topografía local y el flujo sinóptico de gran escala, a menudo produce zonas que favorecen la convección.

Imagen visible del GOES de la interacción entre las brisas de mar y la costa de Florida que muestra la importancia de las zonas de mayor convergencia y divergencia causadas por la forma del litoral.

Temperatura de la superficie del mar » ¿Por qué usar la teledetección de TSM? »     Aplicaciones y usuarios

Esta tabla presenta un resumen de las aplicaciones y los usuarios de los datos de TSM.

Las aplicaciones abarcan una gama variada de intereses, como previsiones meteorológicas, clima, oceanografía y ecosistemas oceánicos. Entre los usuarios y consumidores de esta información se incluyen las personas que trabajan en pronóstico meteorológico, climatología e investigación climática, hidrología, oceanografía, biología y ecología marina, y actividades pesqueras.

Las observaciones satelitales normales de la TSM comenzaron en 1981 con el lanzamiento de los satélites NOAA-7 en órbita polar y continúan hasta el día de hoy con instrumentos infrarrojos y de microondas. El lanzamiento del satélite TRMM en 1997 marcó el comienzo de la era de observación rutinaria de la TSM por microondas. A ese instrumento se le sumaron primero el generador de imágenes AMSR-E, lanzado a bordo del satélite polar NASA Aqua en 2002, y luego el instrumento de demostración WindSat, en 2003. A esos primeros instrumentos se sucedieron otros, como el generador de imágenes de microondas del GPM (GPM Microwave Imager, GMI) que se lanzó a comienzos de 2014, y el AMSR-2, lanzado a bordo del satélite GCOM-W en 2012. Encontrará descripciones detalladas de ejemplos de los productos y las aplicaciones de cada plataforma en la sección «Prestaciones de los instrumentos y características de los productos».

Usos y usuarios actuales de datos de temperatura de la superficie del mar.

Temperatura de la superficie del mar » ¿Por qué usar la teledetección de TSM? »     ¿Por qué observar la TSM desde una órbita polar? Página 1

La capacidad de medir la TSM desde una órbita polar brinda una serie de ventajas importantes en comparación con las mediciones que podemos obtener desde los satélites geoestacionarios y mediante las observaciones in situ realizadas por los buques y las boyas.

Mosaico mundial de la TSM de tres días de AMSR-2 hasta el 18 de junio de 2005.

Debido a su geometría de observación, los satélites geoestacionarios no pueden observar en forma directa las regiones polares de la Tierra más allá de los 70 grados norte y sur.

Ilustración de las zonas de cobertura de los satélites meteorológicos geoestacionarios GOES Oeste y GOES Este sobre el hemisferio occidental.

Por otra parte, las órbitas de los satélites polares permiten observar ambas regiones polares (norte y sur) cada 102 minutos, es decir, aproximadamente 13 veces al día para un determinado lugar fijo. Otra clara ventaja de los satélites polares es la capacidad de cubrir todos los océanos de nuestro planeta en un uno o dos días, ya que se trata de una serie de observaciones calibradas del globo realizadas por un mismo instrumento o suite de instrumentos, algo importante para las observaciones del clima global.

Temperatura de la superficie del mar » ¿Por qué usar la teledetección de TSM? »     ¿Por qué observar la TSM desde una órbita polar? Página 2

La capa nubosa impone la limitación más importante para los satélites que observan la superficie. Los actuales satélites geoestacionarios, así como algunos de los modernos satélites polares, dependen exclusivamente de la tecnología infrarroja para observar la temperatura en la superficie. Dado que en su mayoría las nubes son opacas a la radiación infrarroja, el efecto neto es el de impedir que la radiación de la superficie alcance el satélite, lo cual limita la cantidad de posibles observaciones de la TSM.

Imagen infrarroja del GOES-Oeste que muestra la cobertura del hemisferio norte desde la posición del satélite en 135 grados Oeste.

Aunque un satélite en órbita polar que depende de los sensores infrarrojos convencionales no puede brindar la misma frecuencia de cobertura que un satélite geoestacionario, la frecuencia de su cobertura de alta resolución en latitudes altas significa que puede observar una mayor parte de las áreas de la superficie despejada del planeta. Pero los satélites polares cuentan con una capacidad de observación incluso más importante para la TSM, que hace uso de los sensores de microondas, la cual constituye una ventaja incluso mayor para observar la superficie.

Imagen NOAA-18 infrarroja sobre el mar de Bering y el norte del Golfo de Alaska tomada a las 0010 UTC del 18 de septiembre de 2007.

Temperatura de la superficie del mar » ¿Por qué usar la teledetección de TSM? »     ¿Por qué observar la TSM desde una órbita polar? Página 3

Pese a su exactitud, las mediciones de la TSM in situ son relativamente escasas y ciertas estructuras importantes, como frentes, corrientes, circulaciones y gradientes de pequeña escala, pueden pasar desapercibidas.

Observaciones de TSM desde buques y boyas en un período de 24 horas.

Las observaciones desde una órbita polar llenan los huecos gracias a la repetición de su cobertura a intervalos regulares sobre áreas extensas con una resolución casi uniforme, una ventaja importante para el trabajo de observación y modelización. Los satélites polares obtienen datos para todo el globo, lo cual permite cubrir zonas oceánicas remotas donde el tráfico marítimo es escaso y es difícil poner boyas en funcionamiento.

Temperatura de la superficie del mar » ¿Por qué usar la teledetección de TSM? »     ¿Por qué observar la TSM con radiómetros de microondas pasivos?

Es común que la nubosidad sobre los océanos subpolares exceda el 75 %, lo cual limita enormemente nuestra capacidad de observar la superficie con instrumentos infrarrojos. También hay una capa nubosa persistente que cubre las partes de los trópicos afectadas por la zona de convergencia intertropical (ZCIT) o la zona de convergencia del Pacífico Sur (ZCPS). A lo largo del tiempo, en promedio las nubes ocultan aproximadamente el 50 % de la superficie terrestre.

Cantidad de nubes promedio para dos años.

Los satélites ambientales en órbita polar con instrumentos de microondas, como el TMI del satélite TRMM y el AMSR-E a bordo del satélite Aqua, solucionaron el problema de la nubosidad gracias a su capacidad de observar con exactitud con los canales de microondas, independientemente de las condiciones atmosféricas. Los radiómetros de microondas con canales de baja frecuencia (de 6 a 10 GHz), cuya sensibilidad a la TSM es conocida, son capaces de penetrar las nubes no precipitantes, son relativamente poco sensibles a la absorción por los gases atmosféricos y no se ven afectados por aerosoles o polvo. Estas propiedades no solo permiten realizar observaciones casi completas de la superficie oceánica todos los días, sino que gracias a ellas esta clase de radiómetros de microondas es ideal para realizar observaciones exactas de la TSM a largo plazo.

Cobertura mundial de la TSM diaria de AMSR-E el 11 de julio de 2007.

Temperatura de la superficie del mar » ¿Por qué usar la teledetección de TSM? »     Radiómetros de microondas pasivos para medir la TSM

El primer radiómetro de microondas correctamente calibrado para determinar con exactitud la TSM fue el generador de imágenes por microondas del TRMM (TRMM Microwave Imager, TMI), lanzado a bordo del satélite TRMM en 1997. Los radiómetros de microondas previos —como el SMMR del Nimbus-7 (1978 a 1994)—, así como algunos de los actuales —como el SSMIS a bordo de DMSP y el AMSU de los satélites NOAA y Metop— no estaban calibrados lo suficientemente bien o funcionaban con frecuencias de detección de microondas demasiado altas para generar estimaciones de TSM confiables.

Patrones de barrido del radar (TR) y del generador de imágenes de microondas (TMI) del TRMM.

El TMI cubre los océanos tropicales entre 40 grados N y 40 grados S y brinda un panorama de la superficie oceánica bajo cualquier condición meteorológica salvo la lluvia.

Mosaico mundial de la TSM diaria del TMI del 23 de noviembre de 2000.

Entre 2002 y 2011, el generador de imágenes de microondas AMSR-E a bordo de los satélites polares Aqua de la NASA se unió al satélite TRMM.

Representación artística del satélite EOS Aqua y el generador de imágenes de microondas AMSR-E.

En comparación con la órbita casi ecuatorial del TRMM, el satélite polar Aqua se estacionó en una órbita heliosincrónica que le permitió observar la superficie oceánica a cualquier latitud.

Mosaico mundial de la TSM de tres días de AMSR-E hasta el 18 de junio de 2005.

La serie de observaciones de AMSR-E continúa con el instrumento AMSR-2 lanzado en 2012 a bordo del satélite polar GCOM-W1. AMSR-2 brindará una cobertura completa de los océanos terrestres hasta el año 2025 a bordo de tres satélites GCOM-W sucesivos.

Mosaico mundial de AMSR-2 de la TSM de 12 horas entre las 11 y las 24 UTC del 20 de septiembre de 2014.

Además, el instrumento GMI del satélite GPM, lanzado a comienzos de 2014, continúa la misión de observación del tiempo y el clima del TMI desde el satélite TRMM, que continúa después de casi dos décadas. El GMI es capaz de observar la superficie del océano con una resolución casi el doble de la del TMI y cubre una zona más amplia, gracias a la órbita del observatorio central del GPM, que abarca desde los 70 grados de latitud sur hasta los 70 grados de latitud norte. El instrumento GMI planeado para la misión de observación tropical GPM-Brasil extenderá la cobertura hasta el año 2021.

Diagrama y del patrón de barrido y la franja de cobertura de los instrumentos generador de imágenes de microondas del GPM (GPM Microwave Imager, GMI) y radar de precipitación de frecuencia dual (Dual-frequency Precipitation Radar, DPR) a bordo del observatorio central del satélite de medición de la precipitación global (Global Precipitation Measurement, GPM) lanzado en febrero de 2014.

Temperatura de la superficie del mar » ¿Qué aspecto tiene la TSM desde el espacio?

Temperatura de la superficie del mar » ¿Qué aspecto tiene la TSM desde el espacio? »     Emisiones de microondas: comparación del agua con el hielo marino y en tierra firme

Debido a la alta constante dieléctrica del agua, la superficie de una masa de agua es un emisor relativamente pobre (un buen reflector) de la energía de microondas, especialmente a frecuencias por debajo de aproximadamente 90 GHz.

Por otra parte, el suelo y el hielo marino son emisores relativamente buenos (reflectores pobres) de la energía de microondas. Como veremos a continuación, esta marcada diferencia en las propiedades de emisión del agua en comparación con el suelo y el hielo marino produce una diferencia en la temperatura de brillo observada que a menudo sobrepasa los 40 °C, incluso cuando la temperatura física de las varias superficies es muy similar.

Representación de una zona de tierra firme con montañas cubiertas de nieve, un litoral, una zona con suelo desnudo y suelo húmedo junto a la nieve que muestra las emisiones de microondas para una superficie húmeda y una superficie seca.

Temperatura de la superficie del mar » ¿Qué aspecto tiene la TSM desde el espacio? »     Emisiones de microondas: curvas de emisión

La enorme diferencia en la emisividad del océano en comparación con el suelo y el hielo marino nos ayuda de dos formas: nos permite identificar las superficies correspondientes a las masas de agua, y también a detectar las capas de hielo como producto secundario del proceso de extracción de la TSM.

Esta gráfica muestra los espectros de emisividad de microondas de varios tipos de superficies terrestres y oceánicas.

Emisividad de microondas para varios tipos de superficies, como tierra firme, nieve, hielo marino y agua marina.

Si nos fijamos en las curvas de emisión «Agua marina» y «Suelo seco, hielo nuevo», vemos que, a mayor frecuencia, la emisividad de microondas del suelo seco y el hielo marino es casi el doble de la de las masas de agua.

Emisividad de microondas para varios tipos de superficies, con las curvas de emisión de suelo seco y hielo nuevo (pardo) y agua marina (azul) destacadas.

Fíjese además que a medida que observamos a frecuencias cada vez más bajas, la diferencia en la emisividad de las masas de agua y del suelo aumenta, lo cual ayuda a separar y clasificar los dos tipos de superficies. Esto es particularmente importante para tener en cuenta la cobertura fraccional del hielo marino durante el proceso de extracción de la TSM.

Emisividad de microondas para varios tipos de superficies, con las curvas de emisión de suelo seco y hielo nuevo (pardo) y agua marina (azul) destacadas.

Temperatura de la superficie del mar » ¿Qué aspecto tiene la TSM desde el espacio? »     Impactos de la emisividad en la temperatura de brillo

Estas dos imágenes mundiales presentan un mosaico de las temperaturas de brillo captadas con los canales de polarización vertical de 6,9 y 10,7 GHz del generador de imágenes de microondas AMSR-E.

Mosaico mundial de la temperatura de brillo del canal de 6,9 GHz con polarización vertical (órbitas ascendentes) del AMSR-2 tomada el 3 de marzo de 2014.

El fuerte contraste entre el suelo, las aguas oceánicas y el hielo marino salta inmediatamente a la vista. Esto coincide con lo que cabe esperar dada la diferencia en las curvas de emisión. Estas dos imágenes también subrayan el hecho de que las microondas de menor frecuencia son relativamente poco sensibles al vapor de agua atmosférico y a la capa nubosa. No obstante, se notan algunas áreas de lluvia, en forma de píxeles relativamente cálidos, especialmente en la imagen de 10,7 GHz. Dado que las precipitaciones contaminan los datos de extracción de la TSM, es común recurrir a canales de frecuencias mayores que 10 GHz para separar las precipitaciones de los datos deseados.

Use el control deslizante para comparar estas versiones agrandadas de las imágenes de temperatura de brillo de 6,9 y 10,7 GHz.

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Temperatura de la superficie del mar » ¿Qué aspecto tiene la TSM desde el espacio? »     Selección de canales

Dadas su sensibilidad a los cambios en la TSM y su relativa falta de sensibilidad a las nubes y a los gases atmosféricos como el vapor de agua y el oxígeno, es común utilizar las frecuencias de microondas más bajas, entre 6 y 10 GHz, para extraer la TSM.

Gráfica de la absorción atmosférica de oxígeno, vapor de agua y nubes en función de la frecuencia de microondas entre 0 y 100 GHz.

Si bien las frecuencias más allá de 10 GHz aportan poca información adicional sobre la TSM, sí juegan un papel importante para caracterizar una serie de factores que participan en el proceso de extracción, como la cantidad de vapor de agua, nubosidad, precipitación y agitación del mar en relación con la velocidad y dirección del viento.

Gráfica de la absorción atmosférica de oxígeno, vapor de agua y nubes en función de la frecuencia de microondas entre 0 y 100 GHz.

Temperatura de la superficie del mar » ¿Qué aspecto tiene la TSM desde el espacio? »     Factores oceánicos y atmosféricos que afectan a la extracción de TSM

Como ya mencionamos, si no se separa o toma en cuenta de forma adecuada, la precipitación puede contaminar los datos extraídos de TSM.

La medición exacta de la TSM también exige que se consideren debidamente una serie de otros factores que forman parte del algoritmo de extracción. Los más importantes de estos factores se describen a continuación.

  • Vapor de agua atmosférico: el vapor de agua se toma en cuenta por medio de los canales de frecuencia más alta, como el de 22 GHz.
  • Representación de mar abierta con superficie relativamente lisa, cielos despejados y algunas moléculas de agua en la atmósfera.
  • Nubosidad: aunque la mayor parte de la radiación de microondas de menor frecuencia penetra la capa nubosa, no tener en cuenta este factor produce un efecto de magnitud suficiente para generar errores en los datos de TSM extraídos. Normalmente esto se logra con canales de frecuencias más altas, entre 10 y 89 GHz.
  • Representación de mar abierta con superficie relativamente lisa, cielos despejados y algunas moléculas de agua en la atmósfera.
  • Precipitaciones: la radiación de superficie es incapaz de penetrar la precipitación, de modo que no se pueden extraer datos de TSM de los píxeles contaminados. Las áreas de precipitaciones se identifican por medio de canales de frecuencias más altas, entre 10 y 89 GHz.
  • Representación de mar abierta con superficie relativamente lisa, nubes, precipitación y algunas moléculas de agua en la atmósfera.
  • Hielo marino: cuando existe, el hielo marino contamina fuertemente la señal de TSM y es preciso estimar su cobertura fraccional para lograr una extracción exacta de la TSM. Cuando la superficie oceánica está completamente cubierta de hielo, los valores de TSM se pueden estimar por medio de la temperatura de congelación del agua de mar en esa región, aunque a veces se omiten, según el algoritmo en uso.
  • Representación de mar abierta con superficie relativamente lisa, nubes, algunas moléculas de agua en la atmósfera y un poco de hielo marino.
  • La salinidad del océano, la velocidad del viento y la agitación de la superficie, la dirección del viento y la cobertura de espuma son otros factores que afectan a la exactitud de los datos de TSM extraídos y se tienen en cuenta al desarrollar los algoritmos de extracción.
  • Representación de mar abierta con superficie relativamente lisa, nubes, algunas moléculas de agua en la atmósfera y un poco de hielo marino; las anotaciones destacan los factores que influyen en las emisiones de radiación de microondas en aguas abiertas.

Temperatura de la superficie del mar » ¿Qué aspecto tiene la TSM desde el espacio? »     Interpretación de los datos de TSM de microondas

Un aspecto importante de la TSM obtenida por teledetección que a menudo se pasa por alto es la profundidad del océano que corresponde a la temperatura de brillo observada desde el satélite.

En el infrarrojo, la energía emitida desde la superficie oceánica proviene de la capa superficial, tan fina —apenas unos cuantos micrómetros de profundidad— que puede considerarse una «piel».

La radiación de microondas, sin embargo, proviene de una capa un poco más profunda, aproximadamente 1 mm.

Representación conceptual en dos paneles del perfil de temperatura nocturno (o diurno con vientos entre moderados y fuertes, izda.) y diurno con fuerte calentamiento (dcha.) de la porción superior (1 a 10 m) de la superficie de mezcla del océano con la profundidad de teledetección de los sensores de microondas resaltada.

Por leve que parezca la diferencia en la profundidad, y como permiten apreciar estas figuras, el impacto en las temperaturas de brillo y la TSM extraída puede ser considerable. Las consecuencias son importantes a la hora de interpretar la TSM obtenida por teledetección y para los esfuerzos continuos de combinar en productos multisensor los productos de TSM infrarrojos y de microondas.

Si examinamos con atención los dos perfiles de temperatura, vemos que la TSM detectada por microondas suele ser más cálida que la correspondiente TSM obtenida por infrarrojo a razón de entre una décimas de Kelvin hasta uno o dos Kelvin, tanto de día como de noche y en ausencia de una capa nubosa gruesa. La capa superficial cerca de la superficie suele ser más fría debido a los efectos del enfriamiento evaporativo, que es especialmente pronunciado cuando hay viento y un flujo de radiación ascendente entre el agua y el aire, un efecto particularmente marcado en las horas nocturnas.

Representación conceptual en dos paneles del perfil de temperatura nocturno (o diurno con vientos entre moderados y fuertes, izda.) y diurno con fuerte calentamiento (dcha.) de la porción superior (1 a 10 m) de la superficie de mezcla del océano

También se nota que durante el día la capa de 1 a 10 metros superiores del océano experimenta cierto calentamiento (el perfil se desplaza hacia la derecha) debido a la absorción de los rayos solares.

Representación conceptual en dos paneles del perfil de temperatura oceánico nocturno (o diurno con vientos entre moderados y fuertes, izda.) y diurno con fuerte calentamiento (dcha.) de la porción superior (1 a 10 m) de la superficie de mezcla del océano con el perfil de temperatura en aumento resaltado en el lado diurno.

Temperatura de la superficie del mar » Instrumentos y ejemplos de productos

Temperatura de la superficie del mar » Instrumentos y ejemplos de productos »     Imágenes compuestas de TSM del TMI

Desde que se lanzara en 1997, el generador de imágenes por microondas del TRMM (TRMM Microwave Imager, TMI) ha proporcionado una cobertura casi constante de la TSM en los trópicos bajo todas las condiciones atmosféricas. Su canal de baja frecuencia (10,7 GHz), cuya calibración es excelente, constituyó una tecnología de punta para las primeras mediciones rutinarias de la TSM por medio de un sistema de microondas pasivo.

Este mosaico de los datos obtenidos por el TMI en las órbitas de un día muestra el típico patrón de órbitas entrecruzadas que deja pequeñas zonas sin cobertura debido a la franja de barrido relativamente estrecha de 750 km del instrumento. Observe que debido a la órbita casi ecuatorial del satélite TRMM, que fue diseñada para optimizar su misión de observación de los trópicos, la cobertura del TMI solo abarca las regiones tropicales (aproximadamente 40 grados a ambos lados del ecuador).

Mosaico mundial de la TSM diaria del TMI del 23 de noviembre de 2000.

Esas zonas sin cobertura desaparecen muy rápidamente si promediamos los datos de unos pocos días, como en este mapa con datos de tres días. Sigue habiendo algunos lugares sin cobertura de TSM debido a la naturaleza persistente de la lluvia convectiva asociada con las zonas de convergencia tropicales del Pacífico y del Atlántico.

TMI, promedio de 3 días de la temperatura de la superficie del mar por microondas hasta el 23 de noviembre de 2000.

Si extendemos a una semana el período de composición de las imágenes, como en esta serie de imágenes de TSM semanales del TMI para agosto a octubre de 2004, la mayoría de las zonas sin cobertura debido a la precipitación desaparecen. Los mosaicos de tres días y de una semana son perfectos para observar los frentes oceánicos, las corrientes y las ondas de inestabilidad que se forman del lado de ambos polos de las corrientes ecuatoriales del Pacífico y del Atlántico.

Finalmente, las imágenes mensuales pueden ayudarnos a observar los cambios en la TSM asociados con los patrones de escala más grande y los eventos tales como El Niño y La Niña. También nos ayudan a seguir la variabilidad de las estructuras más persistentes, como las corrientes y contracorrientes ecuatoriales y las principales corrientes limítrofes occidentales, entre las cuales se incluyen la Corriente del Golfo, la corriente de Kuroshio y la corriente africana de Agulhas.

Temperatura mensual de la superficie del mar obtenida por microondas por el TMI en diciembre de 1997.

Temperatura de la superficie del mar » Instrumentos y ejemplos de productos »     Anomalías de TSM del TMI

Otro tipo de producto de TSM, el producto anomalía de TSM, es extremadamente útil para diagnosticar los patrones y las condiciones que se desvían de la media a largo plazo, como el ciclo recurrente de El Niño / La Niña en el océano Pacífico tropical. La animación siguiente comienza cerca de la máxima de un intenso El Niño en 1997-1998, tal como se observa en la zona de aguas ecuatoriales cálidas en el Pacífico oriental. Al cabo de varios meses, las aguas cálidas se transforman en una zona creciente de aguas anormalmente frías, lo cual marca el comienzo de un evento La Niña.

Temperatura de la superficie del mar » Instrumentos y ejemplos de productos »     Imágenes de TSM de AMSR-E y AMSR-2

A diferencia de los productos generados por el TMI, los del AMSR-E extienden la cobertura de la TSM a todo el globo y generan una cobertura diaria casi continua de los océanos terrestres. La capacidad de percepción del océano demostrada por este instrumento sirvió de ejemplo para el diseño de los sistemas de observación de microondas posteriores, como el AMSR-2 que se lanzó a bordo del satélite GCOM-W1 en 2012.

Mosaico mundial de la TSM de tres día de AMSR-E hasta el 11 de junio de 2007.

Tanto el AMSR-E como el AMSR-2 cuentan con el canal de baja frecuencia de 6,9 GHz. El AMSR-2 tiene un canal adicional en 7,3 GHz que permite evitar las interferencias de radiofrecuencia provocadas por los sistemas de comunicaciones terrestres por microondas.

Región de microondas del espectro electromagnético en la cual la transmitancia atmosférica se muestra en función de la frecuencia; se destaca la región del canal de 6,9 GHz.

Cuando se combinan con el canal de 10,7 GHz, los canales de 6,9 y 7,3 GHz contribuyen a aumentar la exactitud de los datos de TSM extraídos en comparación con el TMI y su sucesor, el GMI, ya que ningunos de los dos cuenta con el canal de 10,7 GHz. La mejora es el producto de la mayor sensibilidad de los canales por debajo de 10,7 GHz a los cambios en las temperaturas del agua más frías, especialmente por debajo de 10 grados Celsius.

Región de microondas del espectro electromagnético en la cual la transmitancia atmosférica se muestra en función de la frecuencia; se destaca la región del canal de 10,7 GHz.

Este mosaico de las órbitas ascendentes (diurnas) y descendentes (nocturnas) de un día del instrumento AMSR-E muestra el típico patrón de órbitas entrecruzadas con zonas romboidales sin cobertura en los trópicos y las latitudes medias. La superposición de las órbitas en las latitudes más altas asegura una cobertura completa y en algunas áreas implica varias pasadas al día. Debido a la similitud entre el AMSR-E y el AMSR-2, el más nuevo de los dos, estos ejemplos sirven para ilustrar los productos de ambos instrumentos.

Cobertura mundial de la TSM diaria de AMSR-E el 11 de julio de 2007.

Si generamos un mosaico para un período más largo de tres días (equivalente al del TMI), las zonas sin cobertura desaparecen y los datos de TSM faltantes debido a la lluvia quedan reducidos al mínimo. Este mosaico nos permite identificar ciertas estructuras, como las ondas de inestabilidad junto al sur de la corriente ecuatorial del Pacífico y el fuerte gradiente de temperatura a lo largo del norte de la corriente del Golfo.

Mosaico mundial de la TSM de tres día de AMSR-E hasta el 11 de julio de 2007; se destacan la corriente ecuatorial del Pacífico y la corriente del Golfo en el Atlántico.

Incluso las áreas de precipitaciones más persistentes desaparecen por completo de los mosaicos semanales y mensuales.

Use el control deslizante para comparar un mosaico de la TSM semanal y mensual de AMSR-E.

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El mosaico mensual del mes de julio permite ver las corrientes superficiales y los gradientes de TSM con ellas asociados, aunque esencialmente las estructuras transitorias como las ondas y los remolinos se han suavizado hasta desaparecer.

Use el control deslizante para comparar la zona del Pacífico ecuatorial oriental encerrada en el rectángulo blanco de los mosaicos de TSM semanal y mensual de AMSR-E.

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En los mosaicos mensuales son visibles los gradientes relacionados con las corrientes principales, como la corriente del Golfo y las corrientes ecuatoriales. La migración norte-sur anual de las TSM tropicales y subtropicales más cálidas es incluso más evidente.

Temperatura de la superficie del mar » Prestaciones de los instrumentos y características de los productos

Temperatura de la superficie del mar » Prestaciones de los instrumentos y características de los productos »     Generadores de imágenes de microondas pasivos

Esta tabla presenta un resumen de los sistemas con instrumentos de microondas pasivos que en la actualidad nos permiten generar los productos temperatura de la superficie del mar (TSM) y las características principales de dichos productos.

Se nota en seguida la ausencia de los instrumentos SSMIS, AMSU, MHS y ATMS, los cuales no cuentan con los canales de baja frecuencia (10,7 GHz o menos) necesarios para observar la TSM.

En 2012, el generador de imágenes de microondas de barrido cónico AMSR-2 tomó el lugar del instrumento AMSR-E que se había averiado en octubre 2011. Los futuros satélites GCOM-W2 y W3 contarán con instrumentos AMSR-2 equipados con los canales de baja frecuencia necesarios para continuar las observaciones rutinarias de la TSM global para aplicaciones meteorológicas y climáticas.

Resumen de las prestaciones y características de los productos temperatura de la superficie del mar de diversos sistemas de microondas pasivos.

Temperatura de la superficie del mar » Prestaciones de los instrumentos y características de los productos »     Pregunta sobre los instrumentos

Pregunta

¿Cuáles de los siguientes sistemas con instrumentos de microondas pasivos generan mediciones rutinarias de la TSM? Escoja todas las opciones pertinentes.

Explicación: Las respuestas b) y e) son correctas.

Los datos rutinarios de TSM actualmente a nuestra disposición son los de los instrumentos WindSat, GMI y AMSR-2. Los demás instrumentos de microondas, como AMSU, MHS, SSMIS y ATMS, no cuentan con los canales de baja frecuencia necesarios para extraer la TSM. Si bien el SSMR a bordo del satélite Nimbus-7 contaba con un canal de baja frecuencia de 6,6 GHz, debido a su calibración inferior no fue posible usar esas observaciones para extraer datos de TSM.

Escoja al menos una opción.

Temperatura de la superficie del mar » Prestaciones de los instrumentos y características de los productos »     Limitaciones de los productos

A la hora de examinar los productos TSM de microondas, conviene tener presentes ciertas limitaciones.

La precipitación, los litorales, el hielo marino, el destello solar y las áreas de vientos fuertes cerca de la superficie del mar constituyen las limitaciones y las fuentes de error más importantes.

Las áreas de precipitaciones y las mediciones a lo largo de las costas se eliminan. En los litorales, la zona afectada normalmente abarca una franja de 50 a 70 km desde la costa, debido al campo de visión relativamente amplio del radiómetro de microondas (50 a 60 km).

Estas son algunas limitaciones específicas:

  • Se omiten los valores de TSM del TMI, GMI, AMSR-E y AMSR-2 en las áreas de precipitaciones debido a la contaminación de los hidrometeoros de tamaño de precipitación; no se omiten los valores de capa nubosa.
  • En las áreas de hielo marino donde la cobertura es incompleta, se puede estimar la cobertura fraccional y es aún posible medir la TSM. Cuando la cobertura del hielo marino alcanza el 100 %, la TSM se omite o se utiliza en su sitio una estimación climatológica adecuada para el lugar.
  • Las TSM se separan o se omiten dentro de los 50 a 70 km de la costa debido al campo de visión relativamente grande del sensor de microondas y a la posible contaminación de las zonas de tierra firme.
  • La exactitud de la TSM se degrada en cierta medida con el aumento de la velocidad del viento (hasta 20 m/s) y cuando la dirección del viento es más variable en el campo de visión del instrumento de microondas (50 a 70 km para los canales de baja frecuencia del TMI y del AMSR-E, y 25 a 50 km para los canales de baja frecuencia del GMI y del AMSR-2, respectivamente).
  • Los valores de TSM se vuelven poco confiables y a veces se omiten cuando la velocidad del viento de superficie supera los 20 m/s.
  • La cobertura de espuma y la salinidad también contaminan la señal de TSM, pero este efecto se puede minimizar durante el proceso de extracción.

Temperatura de la superficie del mar » Prestaciones de los instrumentos y características de los productos »     TSM: pregunta 1

Pregunta

¿En cuáles de las siguientes condiciones se omite o no se recupera la TSM? Escoja todas las opciones pertinentes.

Explicación: Las respuestas a) y e) son correctas.

Los valores en las áreas de precipitaciones y las líneas costeras no se incluyen porque ocultan o contaminan considerablemente la señal de TSM. Por lo general, la contaminación por una capa parcial de hielo marino, vientos cerca de la superficie por debajo de 20 m/s y una capa nubosa espesa se puede eliminar, pero en algunos casos esto causa la reducción de la exactitud de la TSM.

Escoja al menos una opción.

Temperatura de la superficie del mar » Prestaciones de los instrumentos y características de los productos »     TSM: pregunta 2

Pregunta

¿Cuáles de las siguientes condiciones de la superficie oceánica afectan a la exactitud de la TSM?

Explicación: Las respuestas b), c), d) y e) son correctas.

Entre los factores que pueden reducir la exactitud de la TSM se incluyen los vientos oceánicos entre moderados y fuertes, la dirección variable del viento y la salinidad y espuma, porque alteran la emisividad de microondas de la superficie oceánica. Si no se tienen en cuenta durante el proceso de extracción, estas condiciones pueden aumentar o reducir la TSM aparente.

Escoja al menos una opción.

Limitaciones de los productos

Limitaciones de los productos »     Resolución espacial de los instrumentos de barrido cónico y transversal

La resolución espacial sufre cierta degradación hacia el borde de la franja de exploración de los instrumentos de barrido transversal, como la unidad avanzada de sondeo con microondas AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit), la sonda de humedad por microondas MHS (Microwave Humidity Sounder) y la sonda atmosférica de microondas de tecnología avanzada ATMS (Advanced Technology Microwave Sounder).

Ilustración de la geometría de barrido transversal del AMSU a bordo de los satélites NOAA y Metop en órbita polar.

En el caso de los instrumentos de barrido cónico, como SSM/I, SSMIS, AMSR-E, TMI, WindSat y los generadores de imágenes de microondas más nuevos AMSR-2 y GMI, la resolución permanece constante a través de la franja de barrido.

Ilustración de la geometría de barrido del SSMIS a bordo del satélite polar DMSP.

El impacto de la degradación que sufren los instrumentos de barrido transversal en los productos derivados consiste en la generación de píxeles con datos un poco borrosos hacia el borde de la franja de barrido. Este no es el caso de los instrumentos de barrido cónico, cuya información a nivel de píxel no se ve afectada a través de la franja de barrido.

Limitaciones de los productos »     Zonas de contacto entre tierra firme y agua

Muchos algoritmos de generación de productos eliminan las zonas costeras o les aplican un factor de corrección, porque en esas zonas los píxeles individuales pueden incluir información de radiación proveniente tanto de la superficie de agua como de la del suelo, especialmente en el caso de los sensores de resolución espacial más baja, como AMSU.

Este ejemplo es un mosaico AMSU de cinco días que presenta varios parámetros atmosféricos y de superficie. En el producto podemos ver que a lo largo de las zonas costeras, algunos píxeles fueron corregidos, mientras que otros, los blancos, fueron omitidos.

Producto de microondas del satélite NOAA-19, mosaico del promedio de cinco días del 5 al 09 de febrero de 2014 para la región del polo norte.

Esta otra imagen es un producto manto de nieve con la región de los Grandes Lagos de Norteamérica resaltada. Observe la omisión de varios píxeles en las costas (color oro). Esto se debe a la presencia de una combinación de señales de las superficies del suelo y del agua.

Producto manto de nieve para Norteamérica del AMSU (NOAA-18) captado el 4 de febrero de 2007; se resalta la región de los Grandes Lagos para ilustrar los efectos de contaminación del producto en las costas.

Limitaciones de los productos »     Productos de superficie terrestre

Debido a la huella relativamente grande de los instrumentos satelitales de microondas en comparación con la de los instrumentos convencionales en el visible e infrarrojo, es probable que los productos que muestran la superficie terrestre —como los de manto de nieve y humedad del suelo— estén contaminados y degradados cuando el área de la huella abarca más de un tipo de superficie.

Huellas típicas de los canales visible, infrarrojo y de microondas de los satélites meteorológicos comunes en órbita polar.

La vegetación densa y los bosques también pueden complicar el proceso de extracción y degradar la calidad de los productos, porque tienden a encubrir la señal de microondas de la superficie contribuyendo a la radiación saliente y cambiando sus características de polarización.

Limitaciones de los productos »     Precipitaciones

Las áreas con capas nubosas espesas y precipitaciones entre moderadas y fuertes absorben o dispersan la radiación de microondas emitida por la superficie, lo cual tiene el efecto de encubrir la señal de la superficie. Muchos algoritmos resaltan o incluyen indicadores de la calidad de los píxeles cuyos datos son sospechosos o pueden verse afectados por precipitaciones y cantidades grandes de agua líquida en las nubes, normalmente más de 0,3 mm.

En este ejemplo, las áreas de precipitaciones y las capas nubosas gruesas (en celeste) limitaron la capacidad del AMSU de proyectar el manto de nieve en ciertas partes del norte de la región del Medio Oeste de los EE.UU. durante una tormenta de invierno.

Producto manto de nieve para Norteamérica del AMSU (NOAA-18) captado el 1 de marzo de 2007; se resalta la región del Medio Oeste para ilustrar los efectos de contaminación del producto por las nubes y la precipitación.

Los análisis multiespectrales del manto de nieve realizados por NESDIS el mismo día muestran la capa de nieve, mientras el producto manto de nieve de AMSU (imagen anterior) muestra suelo desnudo (probablemente debido a una gruesa capa nubosa) o precipitaciones (en celeste).

Análisis multisensor diario de nieve y hielo en Norteamérica de NOAA-NESDIS; se resalta la región norte del medio Oeste.

El ejemplo siguiente utiliza datos de AMSR-E para ilustrar el impacto del agua líquida en las nubes y la lluvia en un análisis de la TSM centrado en la región del océano Pacífico norte.

Producto TSM AMSR-E centrado en un sistema tormentoso del Pacífico norte para las órbitas entre las 12 y 24 UTC del 19 de julio de 2007; se resalta el Pacífico Norte.

Observe la omisión de grandes regiones del producto TSM (en negro) donde se sabe que las precipitaciones y las nubes con contenidos de agua líquida en exceso de 0,3 mm contaminan las emisiones de microondas de la superficie oceánica. Es asimismo importante notar que las bandas negras con orientación vertical son regiones sin cobertura entre órbitas consecutivas y no están relacionadas con las selección de datos.

Compare el producto TSM con los productos intensidad de lluvia y agua líquida en las nubes.

TSM

Producto temperatura de la superficie del mar centrado en el océano Pacífico Norte para las órbitas del AMSR-E entre las 12 y las 24 UTC del 19 de julio de 2007

Intensidad de lluvia

Producto intensidad de lluvia centrado en el océano Pacífico Norte para las órbitas del AMSR-E entre las 12 y las 24 UTC del 19 de julio de 2007

Agua líquida en las nubes

Producto intensidad de lluvia compuesto centrado en el océano Pacífico Norte para las órbitas del AMSR-E entre las 12 y las 24 UTC del 19 de julio de 2007

Limitaciones de los productos »     Viento cerca de la superficie del mar

Los vientos fuertes cerca de la superficie del mar —de más de 20 m/s— agitan la superficie oceánica hasta tal punto que el aumento en las emisiones de microondas contamina en medida considerable la extracción de la temperatura de la superficie del mar.

En este ejemplo, los fuertes vientos de superficie asociados con una intensa tormenta en el suroeste de Australia contaminaron los valores de TSM sobre una zona muy grande (en negro).

Use el control deslizante para comparar la TSM con el producto velocidad del viento cerca de la superficie del mar.

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Resumen

Resumen »     Resumen de la lección

Descripción general

  • La tecnología de teledetección por microondas desempeña un rol importante en la observación, caracterización y monitorización de los cambios en las superficies oceánicas y terrestres del mundo por varios motivos, como, entre otros, la capacidad de:
    • efectuar observaciones de día y de noche;
    • detectar variaciones en las emisiones de microondas terrestres independientemente de las condiciones de iluminación;
    • observar estructuras en la superficie cuando existe una capa nubosa y en la gran mayoría de las condiciones atmosféricas;
    • brindar observaciones en lugares donde las observaciones in-situ son escasas o inexistentes.
  • Esta lección estudia la teledetección de las emisiones de microondas de estas cuatro estructuras de la superficie:
    • humedad del suelo y humedad de superficie
    • manto de nieve y equivalente en agua de la nieve (SWE)
    • hielo marino
    • temperatura de la superficie del mar (TSM)
  • La cantidad de radiación de microondas emitida por la superficie terrestre depende de las interacciones entre la energía y los diversos elementos y estructuras que componen la superficie.
  • Los sistemas con instrumentos de microondas pasivos miden la radiación terrestre emitida, sus propiedades y los cambios que ocurren en distintas regiones del espectro de microondas a fin de distinguir los elementos sólidos, líquidos y congelados en las superficies oceánicas y terrestres, e inferir ciertas propiedades físicas específicas asociadas con dichos elementos.

Humedad del suelo/humedad de superficie

  • La humedad del suelo es un aspecto crítico de las condiciones de las superficies de tierra firme de nuestro planeta, y afecta directamente a nuestra salud y seguridad, a sectores tales como transporte, agricultura y actividades militares, y a la economía de todos los países del mundo.
  • La humedad del suelo es un aspecto esencial para comprender, modelizar y predecir la hidrología, los ecosistemas, el tiempo y el clima en tierra firme.
  • Los modelos de predicción meteorológica necesitan información exacta sobre la humedad del suelo para pronosticar con exactitud el momento, el lugar y la intensidad de las circulaciones locales del viento y el desarrollo de las nubes y la precipitación.
  • Las observaciones desde una órbita polar brindan una cobertura repetida sobre áreas extensas con una resolución prácticamente uniforme, algo ideal para los mapas de distribución y el trabajo de observación y modelización.
  • La radiación de microondas es muy sensible a los cambios en la humedad de la superficie y penetra todas las capas nubosas salvo las más densas y las que producen precipitación.
  • Si bien el enfoque tradicional para la extracción de datos de humedad del suelo depende del uso de instrumentos satelitales con sistemas de microondas pasivos, el número de aplicaciones que utilizan los instrumentos de microondas activos está aumentando.
  • En regiones abiertas con vegetación relativamente rala, el contenido de humedad del suelo superficial es el factor predominante en las emisiones de radiación de microondas desde la superficie.
  • Las observaciones satelitales de la temperatura de brillo realizadas a frecuencias de 10 a 100 GHz permiten cuantificar la emisividad y extraer información sobre varios parámetros de superficie, como la humedad del suelo.
  • La fuerte reducción en la emisividad asociada con la humectación del suelo se puede detectar con instrumentos de microondas pasivos que incorporan canales de frecuencias más bajas, en la región de 1,4 a 10 GHz, como los sistemas SSMIS, AMSR-2, GMI, WindSat y los instrumentos de microondas más nuevos, como MIRAS y SMAP.
  • Los canales de microondas de menor frecuencia se prefieren para la extracción de datos de humedad del suelo por su sensibilidad al agua y su capacidad de penetrar el suelo a mayor profundidad.
  • La extracción de información sobre la humedad del suelo es un proceso relativamente complejo que suele incluir modelos e información de climatografía de la capa del suelo.
  • Los canales de microondas de los instrumentos de microondas pasivos (como SSMIS, WindSat, AMSR-2 y GMI) más usados son los de 1,4 GHz; 6,9 GHz; 7,3 GHz; 10,6 GHz; 18,7 a 23 GHz; y 85 a 89 GHz.
  • El efecto de las interferencias de radiofrecuencia (RFI, por las siglas del inglés radio frequency interference) es aparente en la temperatura de brillo de 6 a 7 GHz, especialmente en proximidad de ciudades grandes y carreteras importantes.
  • Se está tratando de reservar ciertas frecuencias exclusivamente para el trabajo de detección satelital y se están diseñando sistemas de detección capaces de minimizar el impacto de las interferencias de microondas existentes.
  • Entre los actuales sistemas con instrumentos de microondas pasivos que generan productos humedad del suelo, los datos del SSMIS se usan para derivar un índice de humedad de la superficie y los datos del AMSR-2 se utilizan para derivar un producto que estima el contenido de humedad del suelo cerca de la superficie.
  • Varias aplicaciones emergentes basadas en los datos de instrumentos de microondas activos como el dispersómetro avanzado ASCAT de Metop permiten generar mapas diarios de la humedad del suelo a nivel mundial. La mayoría de los productos humedad del suelo representan la humedad en la capa de 0 a 5 cm superiores.
  • La calidad del producto se degrada en zonas de vegetación o selva densa. Algunos productos quitan estas áreas.
  • La extracción de la humedad del suelo es problemática y produce resultados de calidad inferior en zonas de terreno complejo y tipos de superficies muy variables.
  • La calidad de los productos se degrada a lo largo de litorales y en áreas con lagos y ríos.
  • La extracción satelital de la humedad del suelo es problemática en zonas con precipitaciones.
  • Algunos productos humedad del suelo no incluyen ningún valor cuando la huella (o campo de visión) del instrumento contiene condiciones de nieve o hielo.

Manto de nieve y equivalente en agua

  • Para realizar muchas tareas —pronóstico de inundaciones, administración de recursos hídricos, producción de energía hidroeléctrica, modelización de incendios forestales, observación del clima y otras— es esencial conocer las propiedades del manto de nieve y estar al tanto de las condiciones sobre regiones extensas.
  • La profundidad y la extensión de la capa de nieve afectan en medida considerable al estilo de vida y la economía de muchas comunidades.
  • La teledetección del manto de nieve brinda una serie de ventajas frente a las técnicas tradicionales de medición directa in situ por las razones siguientes:
    • las observaciones satelitales cubren áreas grandes con una resolución casi uniforme, algo ideal para el trabajo de generación de mapas de distribución y modelización;
    • los satélites pueden extraer datos para regiones del globo donde obtener mediciones directas puede llevar mucho tiempo e incluso resultar prácticamente imposible.
  • La cantidad de radiación de microondas emitida por la superficie terrestre se ve fuertemente afectada por la presencia de un manto de nieve y sus propiedades.
  • En comparación con la radiación visible e infrarroja, la energía de microondas emitida no proviene únicamente de la superficie de la capa de nieve acumulada, sino de zonas a mayor profundidad en el interior de la capa de nieve.
  • Los sistemas de teledetección por microondas son sensibles a la profundidad y densidad de la nieve acumulada, así como a otros factores tales como el tamaño de los granos, el equivalente en agua de la nieve, la temperatura del manto de nieve, la condición seca o húmeda de la capa de nieve y las condiciones del suelo debajo de esta.
  • La comprensión de la relación entre las emisiones de microondas y la dinámica de las capas de nieve nos permite estudiar y estimar ciertas propiedades importantes debajo de la superficie, como el equivalente en agua de la nieve.
  • La gran medida en que la energía de microondas emitida por un manto de nieve depende de la longitud de onda es el factor principal que nos permite emplear técnicas de diferenciación de canales para recuperar la información sobre las condiciones de la capa de nieve.
  • El canal de 37 GHz se utiliza ampliamente en la teledetección de nieve debido a la fuerte caída de la temperatura de brillo de la capa de nieve en comparación con el suelo desnudo.
  • Es frecuente comparar los canales de 37 y 19 GHz para distinguir las características de la capa de nieve.
  • Por otra parte, las longitudes de onda más cortas (frecuencias más altas de microondas) no alcanzan la misma profundidad de penetración en la capa de nieve, motivo por el cual se suelen evitar las bandas más allá de 89 GHz.
  • También se evita el uso del canal de 22 GHz, debido a la fuerte atenuación por el vapor de agua.
  • Muchos factores ambientales pueden complicar nuestra capacidad de estimar el equivalente en agua de la nieve, incluidos ciertos aspectos de la capa de nieve en sí, como la presencia de nieve húmeda en estado de fusión, la vegetación y la temperatura de la superficie subyacente.
  • Los enfoques multiespectrales que emplean diferentes frecuencias y datos de polarización pueden ayudarnos a identificar los efectos de la vegetación y reducir al mínimo la contaminación de los datos.
  • Entre los sistemas con instrumentos de microondas pasivos utilizados para derivar productos manto de nieve, como la profundidad de la nieve acumulada y el equivalente en agua de la nieve, se incluyen el SSMIS a bordo de los satélites DMSP, los instrumentos AMSU y MHS a bordo de los satélites NOAA y Metop, el AMSR-2 a bordo de los satélites GCOM-W1 a W3 y el GMI, a bordo de los satélites GPM.
  • Cuando se extrae para terreno montañoso, el equivalente en agua de la nieve es susceptible a errores más grandes debido a la variabilidad y la geometría compleja.
  • La extracción del equivalente en agua de la nieve es problemática sobre suelos congelados, desiertos fríos y capas de hielo.
  • Los productos están contaminados en zonas arboladas (algunos algoritmos son capaces de corregir parcialmente la cobertura y densidad).
  • Los productos se degradan a lo largo de las costas, en zonas urbanas y en otras regiones con tipos de superficies muy variables.
  • Los productos no se extraen cuando existe precipitación líquida, ni bajo condiciones de capas de nieve húmeda o en fase de fusión.

Hielo marino

  • Es esencial contar con una representación exacta del hielo marino para el trabajo de pronóstico meteorológico, observación de ecosistemas, transporte de mercancías y estudio de las economías mundiales.
  • Ciertas tendencias que se han observado recientemente en el hielo marino del océano Ártico subrayan la importancia de las observaciones para nuestra comprensión del sistema climático global y las predicciones relacionadas.
  • Los sensores de microondas en órbita polar son una herramienta que permite observar el estado de la superficie del mar en cualquier condición meteorológica, incluidas la extensión y evolución del hielo marino.
  • La teledetección por microondas del hielo marino es el complemento perfecto para las observaciones satelitales convencionales y las observaciones terrestres.
  • La capa de hielo sobre los océanos, lagos y ríos se distingue fácilmente del agua en las imágenes generadas con frecuencias de microondas menores que 90 GHz porque las superficies de agua son emisores relativamente pobres (y buenos reflectores) de la energía de microondas.
  • A medida que el hielo envejece se producen cambios importantes en las emisiones de microondas y las propiedades de polarización. Esto constituye la base para la detección de las propiedades del hielo marino tales como la cantidad fraccional y la edad aproximada.
  • Los productos capa de hielo obtenidos por microondas hacen uso de las frecuencias sensibles a la radiación emitida entre 7 y 100 GHz (longitudes de onda de 4,3 a 0,3 cm).
  • Debido a su sensibilidad relativamente baja a las nubes y el vapor de agua, las frecuencias entre 10 y 37 GHz producen la mejor información sobre las capas de hielo.
  • Las frecuencias más altas (entre 50 y aproximadamente 89 GHz) se utilizan para identificar y corregir aquellas áreas que pueden haber sido contaminadas por precipitación y pueden corregir la contaminación provocada por las condiciones de la capa superficial, como hielo muy fino, una estructura en capas o hielo cubierto por una capa cristalina.
  • Entre los sistemas con instrumentos de microondas pasivos que en la actualidad generan datos para estimar el hielo marino y su concentración se incluyen el SSM/I y el SSMIS, el AMSR-2, el AMSU y el ATMS.
  • Las diferencias entre los productos hielo marino se deben principalmente a la resolución espacial de los sensores y a la manera en que los algoritmos manejan los varios efectos de la superficie y atmosféricos.
  • Los productos hielo marino pueden sufrir cierta degradación en zonas donde el viento provoca turbulencia en la superficie oceánica y donde las condiciones atmosféricas son inclementes.
  • Los productos pueden sufrir cierta degradación y la cobertura de hielo se puede sobre- o subestimar cuando las condiciones de superficie incluyen agua acumulada sobre el hielo marino, una capa de hielo fino, superficies cristalinas, capas superpuestas, manto de nieve y variaciones en el tipo y la temperatura del hielo dentro de la huella (campo de visión) del instrumento.

Temperatura de la superficie del mar

  • La temperatura de la superficie del mar (TSM) y su variación son factores estrechamente ligados a los intercambios de energía, momento y humedad entre el océano y la atmósfera.
  • La temperatura de la superficie de los océanos de nuestro planeta juega un papel central en la variabilidad de los regímenes meteorológicos y climáticos regionales y mundiales, así como en la salud y el bienestar de la vida oceánica.
  • El ciclo de episodios recurrentes de El Niño y La Niña, cuyos impactos sobre el tiempo y el clima regionales se sienten en lugares muy alejados de las aguas del océano Pacífico ecuatorial, constituye un ejemplo claro y muy bien conocido del acoplamiento entre el océano y la circulación atmosférica.
  • La TSM afecta a la génesis y evolución de los sistemas meteorológicos tropicales y de los ciclones tropicales.
  • Los cambios en la intensidad de los huracanes están fuertemente vinculados a la TSM y al contenido de calor del océano superior.
  • Los efectos de las principales corrientes del nivel superior del océano, como el transporte de calor hacia los polos, los patrones de convección y precipitación oceánica, y la distribución de nutrientes y producción oceánica, son importantes.
  • Las observaciones de la TSM nos permiten ver los gradientes térmicos y las fronteras claramente demarcadas que suelen asociarse a estas importantes circulaciones oceánicas.
  • Existe una fuerte correlación entre las concentraciones de nutrientes y la producción primaria en los océanos y la temperatura de la superficie del mar.
  • Las circulaciones diurnas de brisas de tierra y de mar muestran cómo los contrastes entre las temperaturas del agua y del suelo afectan al tiempo y clima local.
  • Una descripción detallada de la TSM y sus variaciones a lo largo de las costas constituye un elemento importante para pronosticar el desarrollo de brisas de tierra y de mar y el potencial de convección.
  • La medición de la TSM desde una órbita polar permite generar una cobertura completa de los océanos de nuestro planeta en un período de uno o dos días con los datos de un único instrumento, lo cual tiene implicancias importantes para la observación de los cambios climáticos y meteorológicos a nivel mundial.
  • La medición de la TSM desde una órbita polar brinda una cobertura repetida a intervalos regulares sobre áreas oceánicas remotas donde el tráfico marítimo es escaso y la instalación de boyas es difícil.
  • Los sistemas de radiómetros de microondas pasivos con canales de baja frecuencia pueden penetrar las nubes no precipitantes, son relativamente poco sensibles a los gases atmosféricos y no se ven afectados por aerosoles o polvo.
  • La combinación de las propiedades orbitales y del instrumento significa que los radiómetros de microondas más nuevos como el instrumento AMSR-2 son ideales para la observación de la TSM a largo plazo.
  • La disponibilidad de radiómetros de microondas bien calibrados para realizar determinaciones de TSM exactas comenzó en 1997 con el TMI, a bordo del TRMM, que nos brinda una vista de todas las superficies oceánicas tropicales bajo cualquier condición meteorológica salvo la lluvia.
  • Al TMI se sumaron el generador de imágenes de microondas AMSR-E (en 2002), el AMSR-2 (en 2012) y el GMI del GPM (en 2014), que ahora proporcionan una cobertura mundial de los océanos de nuestro planeta.
  • Debido a su sensibilidad a los cambios de TSM, es común utilizar las microondas de menor frecuencia, entre 6 y 10 GHz, para extraer la TSM.
  • Si bien las frecuencias más allá de 10 GHz aportan poca información adicional sobre la TSM, sí juegan un papel importante para caracterizar una serie de factores que se emplean en el proceso de extracción, como la cantidad de vapor de agua, nubes, precipitación y agitación del mar en relación con la velocidad y dirección del viento.
  • Las emisiones de radiación de microondas que observamos se originan en la capa de 1 mm de espesor de la superficie del agua, mientras que las observaciones infrarrojas son sensibles a una capa fina que apenas alcanza unos cuantos micrómetros de profundidad.
  • La pequeña diferencia en las mediciones de profundidad puede afectar en medida considerable a las temperaturas de brillo del satélite y las TSM extraídas, de modo que se deben tener en cuenta a la hora de interpretar los productos y de generar productos de TSM multisensor.
  • Entre los actuales sistemas con instrumentos de microondas pasivos que brindan mediciones rutinarias de TSM se incluyen el WindSat, el GMI a bordo de GPM-Core y el AMSR-2 a bordo de GCOM-W1.
  • Los instrumentos SSM/I, SSMIS y AMSU no generan productos de TSM porque no cuentan con los canales de baja frecuencia (10,7 GHz o menos) necesarios.
  • Los mosaicos de TSM diarios, semanales y mensuales minimizan o eliminan por completo las zonas sin datos que se deben a precipitaciones y a otros efectos de la superficie oceánica, como la turbulencia del océano causada por el viento o la cobertura fraccional del hielo marino.
  • La animación de las imágenes de TSM puede resaltar muchas estructuras oceánicas importantes e interesantes que están relacionadas con los procesos continuos de la zona de contacto entre el aire y el agua del mar, como corrientes, frentes, remolinos y ondas de inestabilidad.

Limitaciones de los productos

  • La resolución espacial y, en consecuencia, la calidad de los productos, sufren cierta degradación hacia el borde de la franja de barrido de los instrumentos de microondas, como el AMSU y el MHS.
  • Debido a la huella relativamente grande de los instrumentos satelitales de microondas en comparación con los instrumentos convencionales en el visible e infrarrojo, es probable que los productos tales como manto de nieve y humedad del suelo que muestran la superficie del suelo estén contaminados y degradados cuando el área de la huella abarca más de un tipo de superficie.
  • Muchos algoritmos de generación de productos eliminan las zonas costeras o aplican un factor de corrección, porque los píxeles individuales pueden incluir información de radiación proveniente de las superficies de agua y de tierra firme.
  • La vegetación densa y los bosques también pueden complicar el proceso de extracción y degradar la calidad de los productos, ya que tienden a encubrir la señal de microondas de la superficie contribuyendo a la radiación saliente y cambiando sus características de polarización.
  • Las áreas de nubosidad espesa y precipitaciones entre moderadas y fuertes encubren la señal de superficie y pueden limitar la capacidad de trazar mapas de distribución y de caracterizar las estructuras en la superficie.
  • Muchos algoritmos de generación de productos resaltan o incluyen indicadores de la calidad de los píxeles cuyos datos son sospechosos o pueden verse afectados por la precipitación y cantidades grandes de agua líquida en las nubes.
  • Los vientos fuertes cerca de la superficie del mar, de más de 20 m/s, agitan la superficie oceánica hasta tal punto que las emisiones de microondas aumentan y contaminan en medida considerable los datos de temperatura de la superficie del mar y hielo marino extraídos en las zonas de contacto hielo-océano y en las áreas de cobertura fraccional de hielo marino.

 

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Recursos

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