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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