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Instrumentos de MetOp-B suministrados por Airbus Defence and Space

ASCAT, GRAS y MHS

Tres de los más importantes instrumentos de medición fueron suministrados por Airbus Defence and Space: ASCAT (Medición Todo-Tiempo de la Velocidad del Viento en la Superficie del Océano), GRAS (elaboración de perfiles de temperatura y humedad atmosférica) y MHS (análisis de humedad).

ASCAT: vigilando el viento y mucho más

Instrument ASCAT de MetOp

ASCAT, fácilmente reconocible por sus dos antenas de tres metros, es un instrumento activo de radar que principalmente mide la velocidad y dirección del viento sobre el mar abierto. Utiliza una técnica denominada “dispersometría” (scatterometry), y de ahí su nombre: Advanced SCATterometer (“dispersómetro avanzado”).

Un dispersómetro emite una señal y mide qué cantidad de la señal vuelve tras interactuar con el objetivo (superficie de la tierra o del mar, por ejemplo). A la señal de retorno se la conoce como “retrodispersión”. Todos hemos visto cómo el viento perturba la superficie del mar al pasar sobre éste, causando ondulaciones y olas; tales fenómenos modifican las propiedades de retrodispersión de la superficie marina, dependiendo de la velocidad y dirección del viento. A medida que la energía en estas ondulaciones asciende con la velocidad del viento, la retrodispersión también aumenta.

ASCAT opera en banda C. Transmite pulsos de energía de microondas de frecuencia larga y lineal –que los técnicos han bautizado simpáticamente como chirps, el equivalente inglés de “chirridos”, por su acrónimo inglés correspondiente a “pulsos radar comprimidos de gran intensidad”–, recibe los ecos de vuelta, los “deschirría” y lleva a cabo un análisis espectral de la señal retrodispersa.

Las pruebas de la antena de ASCAT

Las pruebas de la antena de ASCAT

Los dos brazos de antena, desplegados una vez el satélite está en órbita y fijados en posición en “V” a +135º y -135º con respecto a la dirección de vuelo del ingenio, albergan en realidad tres antenas cada uno, lo que hace posible llevar a cabo secuencialmente observaciones en tres direcciones en los dos barridos de 550 kilómetros de anchura bajo de la trayectoria del satélite. Cada punto del terreno en estos barridos lo ve primero el haz anterior, luego el haz medio y por último el haz posterior; cada haz tarda sólo 35,4 milisegundos. Los ciclos están escalonados, y se completa un barrido antes de comenzar el siguiente. Este enfoque de observación múltiple reduce la ambigüedad en los datos, logra una mejor resolución y aporta más del doble de cobertura que los dispersómetros anteriores. Al cubrir un área tan amplia en cada pasada ASCAT proporciona mapas de la velocidad y dirección del viento sobre los océanos en sólo dos días.

ASCAT proporciona un mapa de las velocidades y dirección del viento sobre los océanos en sólo dos días, cubriendo una gran área en cada pasad (© Eutmetsat)

ASCAT proporciona un mapa de las velocidades y dirección del viento sobre los océanos en sólo dos días, cubriendo una gran área en cada pasad (© Eutmetsat)

Además de su uso principal para determinar el vector de viento, ASCAT también suministra valiosos datos para aplicaciones e investigación en varias otras áreas como la monitorización del hielo en tierra y en el mar, cubierta nival y humedad del suelo. Dado que la señal de radar del dispersómetro puede atravesar el suelo, ASCAT puede observar también rasgos de la subsuelo/bajo cubierta relacionados con el clima.

La extensión del hielo marino, la línea de demarcación del permafrost y la desertización son cuestiones prioritarias dentro del estudio del medio ambiente. Con su cobertura rápida a escala global, de día y de noche y funcionamiento “todo tiempo”, ASCAT ofrece una herramienta sin rival para los estudios del clima a largo plazo.

GRAS: detección de salida y puesta de satélites GPS

Instrumento GRAS de MetOp

GRAS (Receptor de Sistemas Mundiales de Satélites de Navegación para Sondeo Atmosférico) es un receptor de señales procedentes de los satélites de posicionamiento mundial GPS, pero si bien efectivamente lleva a cabo la función secundaria de aportar datos de navegación en tiempo real para determinar la posición orbital precisa del satélite MetOp, su principal misión es la medición de la temperatura y humedad atmosféricas. Lo hace mediante el método de ocultación de radio.

Durante el lapso de tiempo que MetOp tarda en completar una órbita de la Tierra (unos 100 minutos), desde su perspectiva muchos de los satélites de la constelación GPS, que vuela más alto, habrán “salido” o se habrán “puesto” tras el horizonte (el “limbo” de la Tierra). Estos actos de salida y caída se denominan “ocultaciones” (es decir, cuando desaparecen de nuestra vista). GRAS registra las señales de los satélites de GPS durante el intervalo de ocultación: las señales se refractan al atravesar tangencialmente la atmósfera de la Tierra y la magnitud de la refracción depende de la densidad del aire, que a su vez está dictada por la temperatura de la atmósfera y la concentración de vapor de agua. La medición del ángulo de refracción, por tanto, contiene información sobre estas variables atmosféricas, lo que hace posible que GRAS determine perfiles de temperatura, humedad y presión basándose en el ángulo de refracción. La posición relativa entre los satélites GPS y MetOp, que está en órbita terrestre baja, varía con el paso de tiempo, lo que permite un barrido vertical de capas sucesivas de la atmósfera.

Aquí puede verse cómo se refracta la señal entre GRAS y un satélite GPS a medida que pasa a través de la atmósfera terrestre, lo que permite a GRAS determinar la humedad, presión y temperatura en la atmósfera (© ESA)

Aquí puede verse cómo se refracta la señal entre GRAS y un satélite GPS a medida que pasa a través de la atmósfera terrestre, lo que permite a GRAS determinar la humedad, presión y temperatura en la atmósfera (© ESA)

La localización de satélites GPS mientras se “ponen” detrás de la atmósfera terrestre es mucho más sencilla que cuando están “saliendo”, dado que el instrumento ya está “fijado” al satélite. GRAS es el primer instrumento de la historia que ha captado y monitorizado un satélite mientras “sale”. Debido a esta capacidad y también al muy elevado nivel de sensibilidad que ha demostrado poseer en órbita, GRAS puede proporcionar más de 600 mediciones de ocultación por día, combinando una elevada resolución vertical y gran precisión con su cobertura global.

La capacidad que posee GRAS de detectar y seguir satélites GPS tanto en la fase de “subida” como de “puesta” significa que puede proporcionar más de 600 cálculos diarios, un 20% más que las especificaciones para las que fue construido (© ESA)

La capacidad que posee GRAS de detectar y seguir satélites GPS tanto en la fase de “subida” como de “puesta” significa que puede proporcionar más de 600 cálculos diarios, un 20% más que las especificaciones para las que fue construido (© ESA)

El instrumento GRAS pesa 30 kilogramos y posee un mayor grado de precisión que un receptor estándar de GPS, y tiene tres receptores de antena situados por separado en el satélite MetOp: dos para mediciones de ocultación, colocados para observar tangencialmente la atmósfera terrestre, y una antena más pequeña, orientada al cenit, para la navegación.

MHS, para sondear el tiempo

Instrumento MHS de MetOpLa Sonda de Humedad mediante Microondas (MHS) utiliza cinco canales, que van desde los 89 a los 190 GHz, para escanear la atmósfera y medir la radiación emitida en varias bandas del espectro. Dado que la radiación de microondas de la superficie de la Tierra se ve afectada por el contenido en vapor de agua o humedad (lluvia, nieve, hielo, cubierta nubosa) presente en la atmósfera, las observaciones que lleva a cabo MHS elaboran una imagen detallada de la humedad atmosférica, con los diversos canales enfocados a distintas altitudes en la atmósfera. También se puede averiguar la temperatura de la superficie del planeta.

El Canal 1 es el canal de superficie, que compara la superficie de la tierra con la más fría del océano. El Canal 2 detecta las estructuras de vapor de agua próximas a la superficie. Los canales 5, 4 y 3 muestran las estructuras de vapor de agua en la troposfera inferior, media y superior, respectivamente.

Imagen del canal H1 de MHS (color ficticio que muestra la temperatura y emisividad de la superficie) procedente de ocho órbitas consecutivas de MetOp-A en noviembre de 2006 (© Eutmetsat)

Imagen del canal H1 de MHS (color ficticio que muestra la temperatura y emisividad de la superficie) procedente de ocho órbitas consecutivas de MetOp-A en noviembre de 2006 (© Eutmetsat)

El instrumento, que sólo pesa 63 kilogramos y ocupa un cubo de 0,8 metros de arista en el satélite, observa la superficie de la Tierra tres veces cada ocho segundos, tomando 90 muestras distintas de datos (píxeles) en cada uno de los cinco canales durante cada observación. Los cinco canales están co-registrados, y cada píxel está separado por un ángulo de 1,111 grados. En el nadir, la “huella” circular del instrumento tiene un diámetro aproximado de 16 kilómetros. Su excepcional rendimiento se mantiene gracias a la autocalibración que se activa cada 2,6 segundos de observación.

MHS es el único de los instrumentos europeos que va a bordo de los satélites NOAA (el primer instrumento MHS fue lanzado el 19 de mayo de 2005 a bordo del satélite NOAA-18) y funciona de forma conjunta con cuatro de los instrumentos suministrados por NOAA: vale decir, la Unidad Avanzada de Sondeo por Microondas A-1 (AMSU-A1), la Unidad Avanzada de Sondeo por Microondas A-2 (AMSU-A2), el Radiómetro Avanzado de Muy Elevada Resolución (AVHRR), y la Sonda Infrarroja de Muy Elevada Resolución (HIRS). El conjunto de estos instrumentos se denomina paquete ATOVS (Sonda Operativa Avanzada TIROS).

El vapor de agua en la atmósfera se concentra de forma muy localizada y la medición precisa de su distribución hace posible que los meteorólogos pronostiquen las precipitaciones. Los datos del MHS los utilizan científicos, investigadores y encargados del pronóstico meteorológico para modelos de Pronóstico Digital del Tiempo y nowcasting, la predicción inmediata de fenómenos del tiempo peligrosos y de rápida formación, como es el caso de tornados e inundaciones repentinas.

Los datos del MHS pueden utilizarse también para el seguimiento del clima, especialmente en lo que a distribución de la humedad concierne. Lo cual ayuda a los científicos a entender el ciclo meteorológico del globo, hacer un seguimiento de sistemas convectivos, y mejorar los algoritmos que determinan la humedad atmosférica sobre los polos.

TeledetecciónMetOp