Todos sabemos lo que es el aire, pero no lo vemos, ni lo tocamos, y
muchas veces, ni lo olemos. Aún así, podemos sentir sus efectos: movimiento de
hojas o de ramas de árboles, el pelo poniéndose delante de tu cara (las
personas que tengan el pelo largo lo saben bien), y cosas así. Realmente es la
manifestación del movimiento del aire, y que tendemos a llamar viento. Pero
realmente, ¿qué es el aire? Básicamente, es un fluido, y como tal, está en
continuo movimiento, desde el mismo suelo hasta las capas más altas de la
atmósfera. En la inmensa mayoría de los casos, ni nos enteramos de que se
mueve, pero lo hace, y es una de las variables más importantes (y de momento
perdidas) para construir predicciones meteorológicas fiables.
El método tradicional de calcular la velocidad y la dirección del
viento es muy preciso, pero está restringida a un único punto. Nos referimos,
por supuesto, a los anemómetros. Hacerlo de forma global es prácticamente
imposible desde Tierra, de manera que la única manera es con satélites. Pero,
¿cómo? Las imágenes de los satélites, salvo las de los meteorológicos en
órbitas geoestacionarias, sirven de poco, y otros sensores, como los de
infrarrojo, ultravioleta o microondas pasivos, tampoco son aptos. De momento la
única forma posible es hacerlo con aparatos de microondas activos, aunque están
bastante limitados.
La historia de la medición de la velocidad y dirección del viento se
remonta a la época posterior a la Segunda Guerra Mundial, con la popularización
de los sistemas de radar, que pasaron de los buques de guerra a las
embarcaciones civiles. El problema empezó cuando los marinos se quejaban cada
vez con más volumen que en malas condiciones meteorológicas el uso del radar
era inútil, imposibilitando la detección de pequeños barcos o lanchas. Los
científicos estudiaron el problema, y además de resolverlo, sin quererlo
encontraron posibilidades a esta distorsión vista. Analizando los resultados
que veían, y tras trabajar en ellos, descubrieron que la reflexión recibida,
los ecos de radar que retornaban al aparato, estaba relacionada con la
velocidad del viento en los primeros centímetros sobre la superficie de los
océanos. No solo eso, cuando
cargaron radares modificados para medir la
velocidad del viento en aviones, y tras revisar lo recogido, vieron que las
propias señales reflejadas estaban influenciadas por la dirección del viento.
Así, relacionando el ángulo de emisión del radar con su reflexión, se podía
obtener este segundo parámetro. Todo este desarrollo en radares especiales
(instrumentos llamados dispersómetros) llegó en los primeros años de la era
espacial, en la década de 1960, por lo que no sorprende que se tardaran todavía
varios años para demostrar si esta técnica era posible desde la órbita
terrestre. El primer aparato capaz en medir el viento desde el espacio era un
radar experimental a bordo de la estación espacial de la NASA Skylab, que a lo largo de tres misiones
tripuladas, se pudieron obtener algunas conclusiones, siendo la principal que
era factible, aunque solo podía capturar la velocidad, no la dirección. Esta
experiencia sirvió para desarrollar el primer dispersómetro 100% capaz de medir
la velocidad y la dirección del viento. Transportado en el primer observatorio
oceanográfico global de la historia, el potentísimo Seasat, fue el primero en obtener mediciones fiables tanto de la
velocidad como de la dirección del viento, usando cuatro antenas tipo barra de
“haz de abanico”, creando dos haces que barrían cada uno unos 600 km. de
océano. Sumando las cuatro observaciones se podían obtener las mediciones de
viento en cuatro direcciones posibles. Por desgracia, solo funcionó 105 días
antes de que su sistema energético se averiara irreversiblemente. Tuvo que
pasar otra década para ver un nuevo dispersómetro, en este caso el instalado en
el satélite europeo ERS-1. Realmente formaba parte de un paquete de detección
activa que combinaba tanto el sistema
de radar de imágenes SAR como el medidor de viento. El éxito fue tan grande que
en 1995 se lanzó ERS-2 con un equipo
idéntico, que permitió doblar la cobertura oceánica. Aún siendo menos avanzados
que el de Seasat, la continuidad de
datos de ambos satélites (ERS-1, de
1991 hasta el 2000, ERS-2, hasta el
2011) se ha convertido en una base de datos de referencia para la medición de
vientos. La NASA no se había dormido en los laureles, y en 1996 instaló su
aparato NSCAT (Dispersómetro de la NASA) en el satélite japonés ADEOS, lanzado ese mismo año. El
instrumento era una solución temporal, pero completamente funcional, que usaba
dos brazos conteniendo cada uno tres antenas tipo barra, creando dos barridos
independientes. El satélite ADEOS (o Midori, después del lanzamiento)
funcionó solo 10 meses por un problema en el panel solar que lo dejó sin
energía. Sin embargo, el instrumento había sido un éxito, proporcionando
información del 90% de los océanos libres de hielo, mejorando así los
pronósticos. La pérdida de NSCAT en Midori
provocó una rápida reacción en la NASA, ordenando la preparación y el
lanzamiento, en el plazo más breve posible, de un sustituto. La solución fue el
extraordinario QuikScat. Desarrollado y puesto en órbita en apenas 11 meses, un mes
después de su despegue demostró
de lo que era capaz. Sin embargo, el sistema científico que cargaba, el
dispersómetro SeaWinds, era
completamente distinto a todo lo visto antes. En vez de antenas tipo barra,
usaba un reflector parabólico de 1 metro de diámetro, fijado sobre un mecanismo
rotatorio (a 18 rpm), que una vez en marcha permitía cubrir 1.800 km. de
superficie oceánica disparando dos haces levemente desviados el uno del otro, y
recibiendo la reflexión provocada por el contacto con los océanos. Con una
misión primaria de 3 años, pretendía que el hueco de datos entre NSCAT y el
siguiente SeaWinds (diseñado para ADEOS-II) fuera el mínimo. Este segundo
aparato, idéntico al de QuikScat, fue
situado en órbita en diciembre del 2002 a bordo de Midori-2, pero tuvo una vida tan poco afortunada como el primero,
ya que en octubre del 2003 el panel solar se averió (posible micrometeorito o
resto de basura espacial) y se quedó sin energía. De esta forma, la NASA tuvo
que estirar hasta los límites a QuikScat,
ocurriendo lo inevitable: en el 2009 el mecanismo de rotación de la antena se
averió, provocando que, aunque el SeaWinds
todavía funcionaba, solo cubría 25 km., de manera que desde este suceso hasta
su reentrada, sirviera como estándar de calibración. Sin embargo, cuando el
instrumento operó a máxima capacidad era una de las bases de datos más
importantes y de más alta prioridad para los pronósticos meteorológicos. La ESA también ha continuado trabajando con dispersómetros, y lo conseguido con los ERS permitió
crear el primer instrumento
considerado “operacional” (empleado específicamente para pronósticos
meteorológicos): el sistema ASCAT de los satélites meteorológicos polares MetOp, lanzados en el 2006 y en el 2012.
A diferencia de los SeaWinds, ASCAT
emplea dos juegos de antenas tipo barra para medir barridos oceánicos de 550
km. de ancho. Otras agencias también han desarrollado dispersómetros, y han
sido del tipo SeaWinds. En el 2009,
la agencia hindú ISRO puso en órbita su Oceansat-2,
y entre su carga útil, el sistema OSCAT, con los mismos principios que los
aparatos de la NASA, que por desgracia se averió en febrero del 2014. Por su
parte, en septiembre del 2011 la agencia china situó sobre nosotros su HY-2A, con un sistema también de diseño
inspirado en SeaWinds, este sí
operacional. El más reciente añadido a la constelación de dispersómetros ha
sido el ISS-RapidScat, una versión
barata y rápida (usando hardware dejado de la elaboración de los dos SeaWinds) instalada en el exterior de la
Estación Espacial Internacional en septiembre del 2014, con el propósito de
continuar las mediciones hasta que se pueda lanzar una nueva misión 100%
enfocada a ello en un futuro próximo.
En los últimos años ha aparecido otra técnica activa para estudiar el
sistema terrestre, salvo que emplea haces de luz en vez que ondas de radio. Nos
referimos a los sistemas LIDAR. Hasta ahora se han usado como altímetros láser (GLAS de ICESat) o sondeadores
atmosféricos (CALIOP de CALIPSO), y
este nuevo uso lleva investigándose bastante tiempo. Un primer intento de
desarrollar y demostrar esta técnica en el espacio se amparó en el desaparecido
programa New Millenium de la NASA. El plan era situar, en la bodega de un
transbordador, el sistema SPARCLE (Experimento de Lidar Coherente para
Preparación para el Espacio), que tenía el propósito de probar la obtención de
perfiles de viento globales hasta 16 km. de altitud sobre la superficie
terrestre mediante sistemas láser, una misión cancelada. La ESA también había
hecho acuse de recibo de la comunidad científica y, dentro de su serie de
satélites Earth Explorer, perteneciente al programa Living Planet (que ya ha
dado los GOCE, SMOS, Cryosat o Swarm), comenzó los trabajos para su
misión de vientos globales.
Su nombre es ADM-Aeolus,
aunque también se la conoce solamente como Aeolus.
El acrónimo significa Misión de Dinámica Atmosférica, que es en lo que se
centrará, en recoger información de los perfiles de viento globales para a
partir de ellos ver por primera vez la evolución de la dinámica atmosférica en
el tiempo y en el espacio. Es una de las primeras misiones Earth Explorer
aprobadas, allá por el año 2000, y el desarrollo de su sistema de medición ha
sido tan complejo que su lanzamiento ha tenido que ser repetidamente desplazado
a lo largo de los años hasta que al fin, todo está listo para su puesta en
órbita. Ahora veamos el por qué de tanto retraso.
Una vez desplegado en órbita, ADM-Aeolus
recuerda al satélite NASA-CNES CALIPSO,
aunque es algo más grande. Se divide en el bus de satélite y en el instrumento,
con unas medidas de 4.3 x 1.9 x 2 metros, y una envergadura de paneles solares
de unos 13 metros. A diferencia de otros satélites terrestres, su plataforma no
pertenece a las bases comunes tan ampliamente usadas ahora, sino que deriva
directamente de la estructura desarrollada para la sonda marciana Mars Express. Es una estructura
elaborada en aluminio, empleando láminas homogéneas y secciones en estructura
de panal de abeja, albergando en su interior casi todo lo necesario para
funcionar. Así, la infraestructura informática está centralizada alrededor de
un procesador ERC-32 con 6 MB de memoria RAM, complementado por un grabador de
a bordo con capacidad de 8 GB de información, tanto telemetría de ingeniería
como los datos de su único instrumento. Su software de vuelo permite
operaciones autónomas de hasta cinco días de duración. Las comunicaciones son
las ya habituales: banda-S (dos antenas omnidireccionales) para envío de
comandos y descarga de datos, y banda-X (antena de alta ganancia en el lado del
satélite que apunta a la Tierra) para transmisión de información a alta
velocidad. Está diseñado para estar estabilizado en sus tres ejes manteniendo
una actitud muy estable. Para ello emplea unidades de medición y ratio
inerciales, sensores solares-terrestres ordinarios, dos escáneres estelares
autónomos (montados en el instrumento), receptor GPS, ruedas de reacción, un
magnetómetro con sistemas de descompensación magnética, además de cinco
propulsores, para correcciones orbitales y maniobras para elevación hasta la
altura de trabajo, todo para saber la localización exacta del satélite con un
margen de error menor a 10 metros. La generación de energía depende de los
paneles solares. Cada uno tiene tres secciones, totalizando 13.4 metros
cuadrados de superficie activa, equipa células solares de alta eficiencia, y
además de proporcionar energía suficiente para funcionar también carga una
batería de ion-litio. Para el bus el control termal es el habitual: mantas multicapa,
calentadores y radiadores eléctricos. El instrumento tiene su propio control
termal. La única herramienta científica de a bordo es ALADIN, el Instrumento Láser Doppler Atmosférico. Como otros sistemas
LIDAR, emplea un emisor láser,
un telescopio receptor y las electrónicas receptoras, las que hacen el
verdadero trabajo. Realmente dispone de dos emisores láser por redundancia, y
es del tipo usual empleado en misiones espaciales. Sin embargo, aunque emite en
longitud de onda infrarroja (1.06 micrones), esta emisión pasa por todo un
complejo camino hasta acabar en un par de cristales de generación harmónica
transformando el haz emitido a luz ultravioleta (355 nanómetros), invisible a
simple vista y seguro para todas las formas de vida animal del planeta. Todo
este sistema de generación de pulsos láser necesita estar enfriado lo
suficiente para evitar averías, por lo que dispone de toda una serie de caminos
que llevan el calor generado a un radiador externo fijado a uno de los
laterales de la plataforma del satélite, el opuesto que apunta al Sol. Una vez
emitido el haz laser en ultravioleta, y tras hacer el camino de ida y vuelta, llega al telescopio receptor. Es de diseño Cassegrain, con un espejo primario de 1.5 metros (f/0.9), estando construido íntegramente en carburo de silicio por su
tremendamente alto
coeficiente de expansión y retracción termal, además de ser sumamente ligero
(53 kg.). Una vez en el telescopio la luz se enfoca y viaja al conjunto
receptor. Se divide en dos sistemas independientes fijados en el OBA
(Ensamblaje de Soporte Óptico), una placa base rígida de fibra de carbono. Son
dos espectrómetros: el Espectrómetro Mie (nombrado por la dispersión del mismo
nombre, que hace referencia a la dispersión de la luz por partículas mayores
que la longitud de onda de la luz, en esencia es lo que hace que las nubes sean
blancas) se basa en un interferómetro (tipo Fizeau) que emplea dos placas
parcialmente reflectoras (separadas 68.5 milímetros) en el que se induce una
inclinación proporcionando una dispersión espectral lineal. En este sistema, la
señal recibida crea un margen lineal, cuya posición está determinada por el
efecto Doppler inducido por la dirección del viento. Todo esto es recogido por
un tipo de detector CCD (conocido como ACCD) que tiene una sección de imagen
(16 x 16 pixels) y una sección de memoria (25 líneas); y el Espectrómetro
Rayleigh (por la dispersión del mismo nombre, que se refiere a la dispersión de
la luz por las moléculas del aire, como el nitrógeno y el oxígeno, y que es responsable
del azul del cielo) es un etalón doble de tipo Fabry-Pérot, en el que la luz
recogida por el telescopio pasa por un polarizador hacia uno de los dos etalón,
que recoge el componente espectral de la luz que le ha llegado, mientras que el
resto es reflejado a otro polarizador, y de ahí, a otro etalón. Las salidas de
los dos etalón se enfocarán en un ACCD formando dos puntos. Además de detectar
la reflexión provocada por la dispersión Rayleigh, este espectrómetro está
preparado para obtener perfiles de aerosoles atmosféricos. Todo el sistema
ALADIN pesa unos 480 kg., la masa seca del satélite es de 1.100 kg., y una vez
a plena carga en el momento del lanzamiento declarará un desplazamiento de 1450 kg.
tremendamente alto
coeficiente de expansión y retracción termal, además de ser sumamente ligero
(53 kg.). Una vez en el telescopio la luz se enfoca y viaja al conjunto
receptor. Se divide en dos sistemas independientes fijados en el OBA
(Ensamblaje de Soporte Óptico), una placa base rígida de fibra de carbono. Son
dos espectrómetros: el Espectrómetro Mie (nombrado por la dispersión del mismo
nombre, que hace referencia a la dispersión de la luz por partículas mayores
que la longitud de onda de la luz, en esencia es lo que hace que las nubes sean
blancas) se basa en un interferómetro (tipo Fizeau) que emplea dos placas
parcialmente reflectoras (separadas 68.5 milímetros) en el que se induce una
inclinación proporcionando una dispersión espectral lineal. En este sistema, la
señal recibida crea un margen lineal, cuya posición está determinada por el
efecto Doppler inducido por la dirección del viento. Todo esto es recogido por
un tipo de detector CCD (conocido como ACCD) que tiene una sección de imagen
(16 x 16 pixels) y una sección de memoria (25 líneas); y el Espectrómetro
Rayleigh (por la dispersión del mismo nombre, que se refiere a la dispersión de
la luz por las moléculas del aire, como el nitrógeno y el oxígeno, y que es responsable
del azul del cielo) es un etalón doble de tipo Fabry-Pérot, en el que la luz
recogida por el telescopio pasa por un polarizador hacia uno de los dos etalón,
que recoge el componente espectral de la luz que le ha llegado, mientras que el
resto es reflejado a otro polarizador, y de ahí, a otro etalón. Las salidas de
los dos etalón se enfocarán en un ACCD formando dos puntos. Además de detectar
la reflexión provocada por la dispersión Rayleigh, este espectrómetro está
preparado para obtener perfiles de aerosoles atmosféricos. Todo el sistema
ALADIN pesa unos 480 kg., la masa seca del satélite es de 1.100 kg., y una vez
a plena carga en el momento del lanzamiento declarará un desplazamiento de 1450 kg.
ADM-Aeolus ha sido diseñado
para ser lanzado en una amplia variedad de lanzadores medios y ligeros, y el
seleccionado al final fue el polivalente Vega
europeo. El lanzamiento se producirá desde el Puerto Espacial de la Guayana
Francesa en Kourou el 21 de agosto. Una vez completado todo el proceso, y tras las maniobras
del satélite posteriores a su liberación, se encontrará en una órbita cercana a
la línea amanecer-anochecer, casi polar, sincrónica solar, a 320 km. de altitud
sobre la Tierra.
Como ya hemos dicho, el aire es un fluido que está en continuo
movimiento, lo que no hemos dicho es que dependiendo de la altitud la velocidad
cambia, pero también dependiendo de la latitud. Pero más que nada como en otros
ámbitos del sistema terrestre, depende de la energía solar que entre. Como las
regiones ecuatoriales reciben más luz solar, esto empieza a manejar los vientos
llevando esa energía hacia los polos, donde este aire calentado se enfría, para
luego volver a las zonas ecuatoriales a volverse a calentar. Algo así como la
circulación oceánica se da en la atmósfera. Se suele explicar la circulación
atmosférica en células y corrientes de chorro. Tenemos las células Polares,
células Ferrel y células Hadley, y las corrientes polares y subtropicales. Pero
es que además, por la llamada fuerza Coriolis, los vientos fluyen generalmente
en dirección a la derecha en el hemisferio norte, y a la izquierda en el sur.
Todo el movimiento del aire (el viento, para entendernos) está equilibrado por
la diferencia de presión atmosférica, dividida en los ciclones (aire caliente
en elevación) y anticiclones (aire frío descendente), variando solo cuando toca
una zona con una distinta presión. Sobre las corrientes de chorro, son fajas
estrechas de aire moviéndose a muy altas velocidades extendiéndose miles de km.
de largo, pero pocos de ancho, actuando como fronteras entre masas de aire de
distinta temperatura, de ahí la separación de las células, salvo en el ecuador.
Por su parte, las células manejan la circulación. Las células Hadley
(extendiéndose hasta 30º latitud norte y sur, y separadas por la Zona de
Convergencia Intertropical, ITCZ, situada sobre el ecuador terrestre) están
caracterizadas por un flujo ascendente del aire cerca de la superficie en bajas
latitudes, y uno descendente a altas latitudes. Las células Ferrel (entre 30º y
60º latitud norte y sur) equilibran el transporte entre las células Hadley y
las polares, y las corrientes de chorro suelen estar encajadas entre estas
células, aunque en las veces en que las Ferrel y las Hadley se mezclan en
ciertas latitudes, a éstas se las conocen como Latitudes Horse. Por su parte,
las células polares manejan la circulación en las regiones polares. Como podéis
ver, el viento no soplará con la misma intensidad en dos puntos distintos, ni a
dos altitudes distintas, por lo que ADM-Aeolus
apunta a recoger perfiles de viento globales, es decir, la velocidad y
dirección del viento dependiendo de la altitud.
Una vez los datos en el centro de control, y tras un rápido procesado,
serán transmitidos a las agencias meteorológicas para que puedan hacer buen uso
de ellos. De esta forma, todo el sistema se ha diseñado para ser lo más rápido
posible en la entrega de productos científicos, de manera que puedan incluirse
en los modelos de predicción meteorológica numérica. Esta información traerá
beneficios en cuanto a pronosticar eventos extremos de la meteorología. Pero la
ciencia también hará uso amplio de la información que proporcione ADM-Aeolus para hacer estudios
climatológicos, principalmente para saber cómo trabaja la atmósfera, ayudando a
predecir hacia donde puede ir el Cambio Climático.
Si la misión tiene éxito, es probable que instrumentos como ALADIN se
popularicen y acaben en satélites meteorológicos operacionales, lo que traerá
grandes beneficios tanto a la ciencia como a la meteorología. Como pionero en
esta técnica, ADM-Aeolus será sin
duda la referencia con quien comparar. Suerte.
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