Ventana al espacio (CLXXXII)

 Cometa C/1999 T1 (McNaught-Harley), desde XMM-Newton.

Misión al planeta Tierra: EarthCARE

 En el denominado sistema terrestre, hay muchos elementos que entendemos, y podemos modelar: las corrientes oceánicas, cómo se calienta la superficie dependiendo del material que la conforma, el fluir de los ríos, etc... Hay dos, sin embargo, que son muy difíciles de modelar y, aunque parezca mentira, están íntimamente ligados.

En el 2006 la NASA lanzó, al mismo tiempo, dos misiones independientes pero complementarias: CloudSat y CALIPSO. La primera cargaba con un radar meteorológico que nos permitió ver las nubes por dentro. El segundo, una batería de sensores para el estudio de la formación de las nubes y de la extensión de los aerosoles. Hay que entender un par de cosas. La primera: sin aerosoles difícilmente se formarían nubes. La segunda: modelar las nubes en sistemas informáticos es francamente complicado, en especial por lo poco que sabemos de ellas, sobre todo por dentro. Estas dos misiones apuntaban a enseñarnos lo básico, y al situarse en medio de una constelación de satélites de temática atmosférica como es el Tren-A, se creaba una imagen más completa. Es cierto añadir que ambos ya no están en la constelación, ya quisiéramos, puesto que se trataba de satélites ya con una edad cuyas misiones ya han finalizado, tristemente.

Las nubes son básicas no sólo para que llueva o nieve, juegan un papel crucial. Al ver una imagen global de la Tierra, comprobamos que, aproximadamente, está cubierta de nubes en un sesenta y cinco por ciento, con diversos tipos de nubes, más altas, más bajas... Gracias a las nubes, nuestro planeta no es un desierto gélido como Marte, ni un infierno como Venus. De hecho, templan la atmósfera. Por lo general, es el Sol quien nos calienta, y esa energía acaba, o llegando a la superficie, o parada por las nubes, devolviéndola al espacio. En cuanto a la que llega al suelo, queda absorbida, o retenida, o reflejada de vuelta. Sin nubes, se va a la atmósfera. Con ellas, vuelve al suelo. En cuanto a los aerosoles, son por lo general partículas emitidas desde el suelo, como polvo en suspensión... Estos aerosoles, a una altitud concreta, se convierten en los núcleos en que se condensan las gotas de agua, y así, formar la nube. Esto es, más o menos, lo básico. A pesar de todo lo estudiado, las nubes y los aerosoles siguen siendo, grandes incógnitas que hay que resolver. Para eso, pronto se enviará la que puede ser la misión definitiva. 

¿Y si juntásemos los instrumentos de CloudSat y CALIPSO en un solo satélite? Os presentamos EarthCARE, el Explorador de Nubes, Aerosoles y Radiación Terrestre. Este proyecto, complejo como él solo, es una de las misiones Earth Explorer de la Agencia Europea del Espacio, y la única realizada en conjunción con otra agencia espacial, concretamente la japonesa JAXA. Es una misión de precisión, por eso se han tardado años en prepararla. Por fin, está lista para volar.

Es una de las misiones más insólitas que se hayan diseñado. Completamente desplegada, mide diecinueve metros de largo, gran parte de esto es por su panel solar y su antena de radar, 2.5 de ancho y 3.5 de profundidad. Su bus es, a diferencia de muchos satélites actuales, una pieza única, si bien basada en la plataforma AstroBus-L, diseñada exclusivamente para

esta misión, construida básicamente en fibra de carbono, por rigidez, alineamiento de los instrumentos y ligereza. Poco sabemos de lo que le conforma para volar, aunque sí que su sistema de comunicaciones usará tanto banda-S como banda-X, la segunda como elemento de alto rendimiento, está estabilizado en sus tres ejes, y cuenta con su propia propulsión (aloja 313 kg de combustible). Su panel solar, de cinco secciones, mide once metros de largo, con una superficie activa de 21 m² repleta de células de alto rendimiento. Una batería de ión-litio servirá cuando esté en la sombra o requiera energía extra. Cuenta con cuatro investigaciones, dos pasivas y dos activas. Empezando por la segunda categoría, tenemos ATLID, el

LIDAR Atmosférico. Se compone de un telescopio receptor tipo Cassegrain con un espejo primario de 62 cm, y dos canales emisores de láser. Sólo funcionará uno, y cuentan con la particularidad de estar presurizados  1.2 bares, para evitar degradación. Se inspira en el ALADIN de la misión Aeolus, y por lo tanto trabaja en lu ultravioleta (355 nm). El canal receptor lo conforman tres unidades, un canal cros-polar, uno para dispersión Rayleigh y un tercero para dispersión Mie. Creará perfiles verticales registrando la distribución las propiedades de nubes y aerosoles, como altitud, espesor, propiedades

ópticas y hasta el tipo de aerosol. Después viene CPR, el Radar de Perfilado de Nubes. Su mayor características es su antena de 2.5 metros de diámetro, pero es mucho más. Es el segundo de su tipo en volar al espacio, pero el primero en el espacio con capacidad Doppler. Trabajará a 94 gigahércios, y registrará el interior de las nubes y atravesará incluso precipitación ligera, para conseguir detalles sobre su estructura vertical y su velocidad, distribución del tamaño de partículas y  contenido de agua. Esta es la contribución de JAXA. Tanto ATLID, como CPR están alineados con los escáneres estelares, para evitar errores de

alineamiento. En la primera categoría, MSI, la Cámara Multi Espectral. Aunque lo parezca por nombre, no tiene nada que ver con las cámaras de los satélites Sentinel-2. Es más, son dos cámaras en una. La primera registra longitudes de onda visibles, de infrarrojo cercano e infrarrojo de onda corta (dos canales). La apertura principal es de 4.7 mm (10.4 el segundo de onda corta) y el sistema óptico cuenta con espejos y divisores dicróticos. Para los canales visible e infrarrojo cercano los sensores son de silicio, los de infrarrojo de onda corta arseniuro de indio y galio, el segundo de los cuales usa refrigeración pasiva. La segunda registra luz de infrarrojo termal mediante tres canales, con un complicado sistema óptico propio. Como detectores emplea conjuntos de microbolómetros de 385 x 288 píxels, trabajando en modo TDI (Integración por Retraso de Tiempo), y situados en un paquete que integra un refrigerador termoeléctrico. El campo de visión es idéntico en todos los casos, cubriendo un ancho de escaneo de 150 km, con la particularidad de estar desviado hacia su izquierda (115 a la izquierda, 35 a la derecha) para evitar destellos solares. La resolución será de 500 metros. La intención es obtener información de contexto para la instrumentación activa, al tiempo que obtiene información adicional sobre tipo de nubes, propiedades ópticas de nubes y aerosoles, además de ayudar a crear

representaciones tridimensionales de nubes y aerosoles. Y para terminar, BBR, el Radiómetro de Banda Ancha. Peculiar como pocos, cuenta con tres telescopios idénticos, uno apuntando en la vertical, hacia abajo del satélite, y los otros dos miran hacia delante y hacia atrás. Cada telescopio cuenta con su propio detector lineal de microbolómetros refrigerado, registrando luz infrarroja entre 0.25 a 50 micrones, y mediante un filtro especial, infrarrojo de onda corta entre 0.25 y 4 micrones. Aunque sus resoluciones pueden ir de entre 0.6 a 1.8 km, dependiendo del campo de visión, lo habitual será una de unos diez km. Lo que pretende es medir el equilibrio en la cantidad de energía que entra y sale, midiendo la radiación solar reflejada y la radiación termal emitida por la superficie terrestre. Con estos datos, y los de los demás, se verá cuál es el efecto que tienen las nubes y los aerosoles en el equilibrio energético terrestre. A plena carga en el momento del lanzamiento, desplazará una masa de 2200 kg. La mayor misión de este programa.

Con tanto tiempo de desarrollo, escoger lanzador ha sido tarea complicada. Puesto que se diseñó para ser compatible con diversos tipos, dar con el ideal fue complicado. El escogido, al final, ha sido el Falcon 9, que lo pondrá en órbita desde la base de Vandenbeeg, en California. Hay que admitir que la primera opción fue el Vega-C, que hubiera volado, por tanto, desde el Puerto Espacial Europeo de Kourou, Guayaba Francesa. Pero unos problemas con él lo mantienen en tierra, recurriendo a la segunda opción. el despegue se ha fijado para el día 28.

Cuando se elevaron CloudSat y CALIPSO, todos eran de la opinión que una órbita más baja de los 705 km del Tren-A hubiera sido ideal, aunque pesó más la sinergia con los otros satélites de la constelación. Con EarthCARE, no hay este problema: la seleccionada está a 393 km de altitud. Será casi polar, cruzando el ecuador constantemente a las dos de la tarde, hora local, en una trayectoria sincrónica solar. Su patrón repetitivo, es decir, que volverá a un mismo lugar, será de 25 días. 

Está claro que las nubes no sólo son básicas para que llueva, también para mantener al equilibrio de la temperatura terrestre. La luz solar que llega en un espectro que va desde el ultravioleta (parada por la capa de ozono estratosférico) hasta el infrarrojo de onda corta, pero acaba saliendo como radiación de infrarrojo termal. Así, la cantidad que escapa o retorna al suelo de esta emisión dependerá de cómo es la nube, su estructura tridimensional. EarthCARE cuenta con todos sus instrumentos co-localizados, es decir, todos ven lo mismo, desde su perspectiva, con campos de visión sin obstrucciones. Mientras CPR consigue construir secciones del interior de las nubes ATLID capturará perfiles atmosféricos, detectando de todo lo que pille, mientras MSI generará imágenes de la atmósfera, especialmente de los sistemas de nubes, y BBR registra la energía que se intercambia. 

¿Para qué se lanza EarthCARE, concretamente? Cuenta con muchos objetivos que cumplir. Uno de ellos es observar perfiles verticales de todo tipo de aerosoles, naturales y de origen antropogénico, para estudiar, a escala global, sus propiedades radiativas y su interacción con las nubes. También hará lo propio con el agua líquida y el hielo atmosférico para ver su transporte dentro de las nubes y ver su efecto en el intercambio de energía. En cuanto a las nubes, indagará su distribución, la interacción entre las nubes y las precipitaciones, así como las características de los movimientos verticales dentro de las nubes. Por último, creará perfiles verticales del calentamiento y enfriamiento radiativo en la atmósfera usando los datos capturados de perfiles de nubes y aerosoles. 

La paciencia recompensa, y pronto uno de los satélites más deseados nos orbitará. ¿Qué nos desvelará? 

Misión al planeta Tierra: PREFIRE

Todavía existen muchos nichos de conocimiento, aquí en la Tierra, que o están vacíos, o su contenido es escaso.  Puede que la mejor forma de llenarlos sea un gran satélite, cero cuando se trata de uno específico y concreto, existen mejores soluciones. En vez de lo más grande, tiramos a lo más pequeño en la escala.

La atmósfera es, por así decirlo, una suerte de termostato. Las zonas ecuatoriales reciben la luz del Sol, convertida en calor; a través de la circulación atmosférica, este calor viaja a los polos, por donde acaba saliendo. Claro, el aumento de gases de efecto invernadero significa una mayor retención de calor, por lo que la regulación natural de la temperatura se acaba descompensando. Los polos son las regiones más vulnerables de nuestro planeta. Cada vez hay menos hielo, y esto implica una reducción del albedo. Como hemos aprendido, a mayor albedo, mayor capacidad de reflexión de la luz. Con menos hielo, por tanto, menos calor abandonará nuestro planeta. Pero, en concreto, ¿cuánto calor sale desde los polos?

Gran parte de la emisión reflejada desde los polos se hace en una longitud de onda poco explorada en ciencia terrestre. Hay que tener en cuenta que para un buen equilibrio de temperatura, debe salir al espacio tanta energía como la que nos llega desde el Sol. Para medirlo, tenemos sensores que miden directamente la emisión de energía solar, y otros que registran la que sale. Durante un tiempo, los instrumentos ERBE midieron ambos parámetros; en la actualidad, la serie de sensores CERES se ocupa con la radiación saliente, en longitudes de onda infrarroja. Actualmente hay en servicio seis (hubo un séptimo durante un tiempo) que cubren casi todo el planeta de polo a polo. Teniendo en cuenta que las zonas polares son las más difíciles de estudiar, incluso con satélites, para resolver la situación se necesita ir al problema.

La región de interés es el infrarrojo lejano, que empieza por encima de los 15 micrones. Sí, se ha estudiado, pero no con la profundidad ni resolución que se necesita. ¿Cómo varía, cuanto sale, qué efecto tienen los gases de efecto invernadero? Estas son las preguntas a responder. 

Para resolverlo, tenemos a la misión PREFIRE, Experimento de Energía Polar Radiante en el Infrarrojo Lejano. Se ha diseñado para ir al problema de manera concreta, y desarrollada con rapidez. Para reducir la factura y el tiempo de desarrollo, se emplean tecnologías ya probadas, curiosamente, fuera de la Tierra.

Para PREFIRE, se ha escogido una plataforma de Cubesat, en el factor de forma 6U, de 90 centímetros de alto y unos 120 de ancho plenamente desplegado, que aloja todo lo básico para que el sistema funcione. Poco sabemos sobre sus componentes, más allá de que usa un paquete de control de actitud XACT para mantener una actitud triaxial, dos paneles solares de dos secciones cada uno más una batería, y un sistema de comunicaciones de alto rendimiento (para un Cubesat, se entiende). Y aún

sobra sitio para un instrumento. Es un espectrómetro de infrarrojo llamado TIRS. Con una masa inferior a los tres kilogramos, encierra un espectrómetro del tipo Offner, una versión miniaturizada del sistema óptico de instrumento M³ de Chandrayaan-1. Un espejo móvil entrega la luz al espejo primario, que de ahí viaja a la rejilla, donde rebota hasta un segundo espejo y de vuelta a la rejilla hasta llegar al conjunto detector. Debido a la limitación de espacio y energía, se recurre a un plano focal no refrigerado. Para ello usa un conjunto de termopilas, del mismo tipo que las usadas en el instrumento MCS de MRO y que las empleadas en el Diviner de LRO. Son, en total, ocho filas situadas en la dirección de vuelo y, sobre

ellos, se sitúa la placa que contiene los filtros, lo que le permite registrar longitudes de onda entre 3 y 54 micrones, con una resolución espectral de 0.84 micrones. Trabajará en modo pushbroom, y si bien cubrirá hasta trescientos kilómetros, la huella superficial será de hasta 11.7 km para cada detector con un espaciado entre detectores de siete kilómetros. La configuración de la placa sensora es de, en total, de 64 x 8 píxels, y por detrás una cobertura de oro para ser sensible al infrarrojo. Su espejo móvil tendrá tres posiciones: observación de la Tierra, observación del espacio (para calibración por un puerto exclusivo) y para el objeto de calibración interno. Esto sirve para cada satélite, puesto que PREFIRE se compone de dos satélites.

A la hora de volar, cada uno lo hará por su cuenta, es decir, un lanzador por satélite. Para cada uno, el tipo escogido es el Electron de Rocket Lab. Cada satélite se pondrá en órbita desde la plataforma de la compañía en Nueva Zelanda, en la península de Mahia, Isla Norte, con el primer lanzamiento ocurriendo el 22 de mayo; el segundo, dependiendo del resultado, tres semanas después. La órbita será a, aproximadamente, 525 km, inclinada a 97°, sin sincronía con el Sol. Eso sí, cada satélite orbitará en un plano orbital distinto.

Su misión base es de, al menos, un año. En cuanto todo esté verificado, los satélites empezarán a trabajar. Los datos que tomarán se extenderán desde lo más bajo de la atmósfera hasta altas altitudes. Su cadencia de datos ayudará a discriminar entre nubes y gases de efecto invernadero para así calcular el total de energía saliente de las regiones polares, del Ártico (especialmente) y del Antártico. Estos datos, básicos para entender qué sucede allí arriba (o abajo) acabarán introducidos en modelos informáticos para entender el papel de esta radiación en el clima polar. Básicamente, cuantificará la variabilidad tanto espacial como temporal de la emisión espectral en infrarrojo lejano, y medir el efecto invernadero atmosférico.

Dos Cubesats, una misión necesaria. ¿Por qué no se ha lanzado antes?