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Reportaje: El océano desde un satélite

martes, 14 junio, 2016

Se cumplen 35 años de las primeros estudios oceanográficos desde el espacio

El satélite SMOS en órbita / ESA

Estudiar el clima, conocer la temperatura, la salinidad, la superficie y el espesor del hielo, la distribución de los vientos, monitorizar las mareas rojas o seguir la evolución de los vertidos de petróleo. Todo a una escala impensable hace unas décadas.

Se cumplen 35 años de las primeras observaciones del océano desde satélite y cada vez son más las variables que somos capaces de medir desde el espacio y cada vez es mayor la precisión y la resolución de la medida. Además, algunas variables tienen hoy una serie histórica de datos lo suficientemente larga como para estudiar cambios en el clima con una escala espacial y una resolución inalcanzable con otra técnica. Esta joven ciencia está alcanzando su madurez, lo que está permitiendo descubrir y comprender procesos fundamentales para entender nuestro planeta.

“Los satélites nos proporcionan una cobertura global diaria de los océanos a la que no podríamos acceder de ninguna otra manera”, explica Carlos García Soto, investigador del Instituto Español de Oceanografía (IEO) y experto en oceanografía por satélite.

Las contribuciones de la teledetección a la oceanografía han sido muy importantes en los últimos años. Gracias a los satélites se ha podido estimar el calentamiento superficial del agua promediado de todo el planeta: 0,17 grados centígrados por década. También se ha calculado el aumento del nivel del mar en 3,2 mm al año, se ha observado una pérdida de hielo en el Ártico del 11,5% cada década y se ha podido ver que la composición del fitoplancton está cambiando.

Un poco de historia

Las primeras observaciones de La Tierra desde el espacio comenzaron hace apenas 50 años. El 1 de abril de 1960 se lanzaba al espacio TIROS-1, el primer satélite meteorológico capaz de medir con éxito parámetros ambientales desde el espacio, tras los intentos fallidos de la serie de satélites Vanguard, que se lanzaron en los años 50.

Científico realizando un test de vibración a TIROS-1 en la Astro- Electronic Products Division en Princeton / NASA

Científico realizando un test de vibración a TIROS-1 en la Astro-Electronic Products Division en Princeton / NASA

El TIROS-1, durante los 76 días que permaneció operativo, envió las primeras imágenes de la Tierra desde el espacio gracias a las dos cámaras de televisión que portaba. A éste le siguieron hasta 10 satélites con el nombre de TIROS (Television Infrared Observation Satellite) y el mismo sistema de cámaras, el último de ellos lanzado en 1965.

A esta serie le siguió ESSA, con nueve satélites; y luego ITOS con ocho más. Todos ellos funcionaban de forma similar, portando cámaras que ofrecían imágenes de la cobertura de nubes y hielo.

No fue hasta 1978 cuando se lanzaron los primeros satélites capaces de medir la radiación emitida por la superficie del mar y de esta forma medir las primeras variables oceanográficas desde el espacio.

El primer sensor con aplicaciones oceanográficas fue un radiómetro capaz de medir la energía que las superficies del mar y la Tierra emiten en el infrarrojo.

Gracias a este sensor, que portó por primera vez TIROS-N, se obtuvieron las primeras medidas de la temperatura superficial del océano. Nacía así la oceanografía por satélite. Aunque hubo que esperar tres años más, hasta que se lanzara el NOAA 7 en 1981, para obtener unas medidas correctas de la temperatura gracias al sensor Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR).

Uno de los primeros mapas de temperatura superficial del océano gracias al sensor AVHRR, que portó por primera vez el NOAA-7. La imagen es de California y está hecha mediante capturas diarias entre el 27 de septiembre y el 2 de octubre de 1981 / NOAA

Uno de los primeros mapas de temperatura superficial del océano gracias al sensor AVHRR, que portó por primera vez el NOAA-7. La imagen es de California y está hecha mediante capturas diarias entre el 27 de septiembre y el 2 de octubre de 1981 / NOAA

1978 fue un año clave para la observación remota del océano. Además de TIROS-N, se lanzaron otros satélites muy importantes, como fueron NIMBUS 7 y SEASAT.

NIMBUS 7, perteneciente a una serie de satélites dedicados a la observación meteorológica, fue el primero en portar un sensor de microondas: el Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR). Este sensor, además de permitir conocer la temperatura superficial del océano, incluso en presencia de nubes, hizo posible medir la superficie del hielo marino. Además, este satélite portó el primer sensor de color –el Costal Zone Color Scanner-, que permitiría estudiar el fitoplancton desde el espacio.

Este mismo año se puso en órbita el SEASAT, el primer satélite con aplicaciones exclusivamente oceanográficas. Solo duró 106 días operativo, pero, en ese tiempo, demostró la necesidad y viabilidad de la monitorización de fenómenos oceanográficos desde el espacio.

SEASAT portó el primer radar de apertura sintética (SAR), capaz de observar las ondas de la superficie del océano y las condiciones del hielo polar. Además, portaba sensores de microondas e infrarrojos, un escáner de microondas para estudiar la velocidad y dirección del viento y uno de los primeros altímetros, aunque aún sin la suficiente precisión para estudiar el nivel del mar.

 

Comparación de una imagen tomada por TIROS-1, el primer satélite meteorológico, y el NOAA15 con el avanzado sensor AVHRR / NOAA

Comparación de una imagen tomada por TIROS-1, el primer satélite meteorológico, y el NOAA15 con el avanzado sensor AVHRR / NOAA

El Radar de Apertura Sintética (SAR), instalado por primera vez en SEASAT, ofrece imágenes donde el brillo de la escena depende de la rugosidad de la superficie y, de esta forma, se pueden observar fenómenos que no podrían apreciarse con sensores ópticos. Esta imagen, tomada el 26 de junio de 1978 por SEASAT, muestra las ondas internas que se forman por el efecto de la marea en el interior del golfo de México / NOAA

El Radar de Apertura Sintética (SAR), instalado por primera vez en SEASAT, ofrece imágenes donde el brillo de la escena depende de la rugosidad de la superficie y, de esta forma, se pueden observar fenómenos que no podrían apreciarse con sensores ópticos. Esta imagen, tomada el 26 de junio de 1978 por SEASAT, muestra las ondas internas que se forman por el efecto de la marea en el interior del golfo de México / NOAA

 

Temperatura del océano

La temperatura superficial del océano fue la primera variable oceanográfica en medirse desde satélite. Existen dos formas de calcular esta variable: una midiendo la energía emitida por la superficie en el infrarrojo y otra midiendo la energía en las microondas. La primera permite una mayor resolución espacial; una medida cada kilómetro, frente a una cada 25. Sin embargo medir en el infrarrojo tiene una gran desventaja, y es que esta energía no atraviesa las nubes, mientras que las microondas si lo hacen y por tanto permiten medir la temperatura en cualquier condición meteorológica.

Mapa de la temperatura media del océano construido con 9 años (1993-2001) de datos tomados con AVHRR / NOAA

Mapa de la temperatura media del océano construido con 9 años (1993-2001) de datos tomados con AVHRR / NOAA

Las primeras medidas de temperatura consideradas válidas por la comunidad científica se obtuvieron a partir de 1981 gracias al sensor AVHRR (Advance Very High Resolution Radiometer), un sensor de infrarrojos que se instaló por primera vez en el satélite NOAA 7, y que desde entonces lo ha portado toda esta serie de satélites, desde el 7 hasta el NOAA 19 (sin contar el 13, que no existió por superstición), el último lanzado en 2009. También portan este sensor los tres satélites europeos MetOp.

El sensor AVHRR/3 escanea el planeta en seis bandas espectrales en un rango que va de las 0,58 a los 12,5 micras. Ofrece imágenes por el día y por la noche de la superficie terrestre, el agua y las nubes y mide la temperatura del agua, el hielo, la nieve y la vegetación / NOAA

El sensor AVHRR/3 escanea el planeta en seis bandas espectrales en un rango que va de las 0,58 a los 12,5 micras. Ofrece imágenes por el día y por la noche de la superficie terrestre, el agua y las nubes y mide la temperatura del agua, el hielo, la nieve y la vegetación / NOAA

 

Este sensor, en la actualidad (AVHRR/3), es capaz de medir la energía reflejada por la superficie terrestre en seis bandas espectrales (los primeros lo hacían en cuatro). Las dos primeras centradas en el rojo (0.6 micrómetro) y en el infrarrojo cercano (0.9 micrómetros), una tercera en torno a los 1.6 micrómetros, una cuarta en 3.5 micrómetros y las dos últimas sobre los 11 y los 12 micrómetros, midiendo la radiación térmica que emite el planeta.

Estos sensores son capaces de detectar la radiación que emiten los objetos en la naturaleza. Tanto la cantidad de energía que emite un cuerpo como la distribución de esta energía en diferentes longitudes de onda depende principalmente de la temperatura a la que se encuentra dicho cuerpo.

Gracias a estos sensores, en la actualidad tenemos una serie de medidas de la temperatura superficial del océano de casi 35 años lo que supone una información espacial y temporal de enorme valor. “Ahora empezamos a poder estudiar los cambios a escala climática gracias a los satélites”, explica Jorge Vázquez, investigador del Jet Propulsion Laboratory de la NASA.  “Esta metodología nos ha permitido investigar, no solo el calentamiento global, sino además otras variaciones térmicas de gran escala asociadas a fenómenos naturales como la Oscilación del Atlántico Norte (NAO) o el Niño”, añade Carlos García Soto.

Imagen de la temperatura superficial tomada con MODIS, donde se observa la dimensión de la corriente del Golfo / Universidad de Wasinghton.

Imagen de la temperatura superficial tomada con MODIS, donde se observa la dimensión de la corriente del Golfo / Universidad de Wasinghton.

Desde 1999, la temperatura del océano también se mide gracias a otros sensores desarrollados por la NASA y que se basan en el mismo principio. Se trata del Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), instalado por primera vez en el satélite Terra y, cuatro años después, en 2003, en el satélite Aqua. Este sensor captura datos en 36 bandas espectrales, desde los 0.4 micrómetros hasta los 14,4 micrómetros, lo que permite estudiar la cobertura de nubes, los incendios, la superficie de hielo, las concentraciones de aerosoles en la atmósfera baja, la superficie vegetal del planeta, la producción primaria del océano o la temperatura del agua, entre otras variables.

Pero lo último en radiómetros es el Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) que desde 2011 opera a bordo del satélite Suomi NPP y que viene a sustituir a la serie de satélites meteorológicos NOAA.

Imagen del lanzamiento de Suomi NPP, el primero en portar el sensor VIIRS y sustituto de la serie NOAA / NASA

Imagen del lanzamiento de Suomi NPP, el primero en portar el sensor VIIRS y sustituto de la serie NOAA / NASA

Al igual que MODIS, VIIRS es un sensor multidisciplinar que proporciona información sobre el océano, la tierra y la atmósfera.

Este sensor permite la adquisición de imágenes de alta resolución en el infrarrojo y el visible, lo que permitirá estudiar con precisión los huracanes, detectar incendios, estudiar los aerosoles atmosféricos, el color del océano y proporcionará mejores medidas de la temperatura superficial del mar de las que se obtienen con los sensores AVHRR.

VIIRS ofrece una imagen completa del planeta cada dos días con una resolución de 750 metros, lo que permitirá estudiar fenómenos oceanográficos costeros que tienen una alta variabilidad y un interés muy alto para las actividades humanas.

Una medición precisa y de gran resolución de la temperatura del mar es esencial para muchas aplicaciones como para la predicción de huracanes o para los modelos meteorológicos y de circulación oceánica. Los datos de este satélite darán continuidad a la serie de datos comenzada por los AVHRR y MODIS y que es fundamental para el estudio del clima.

Este sensor permite además la medición de las concentraciones de pigmentos, la claridad del agua, las partículas en suspensión y otras propiedades fundamentales para la gestión de las zonas costeras, la pesca y la acuicultura y las operaciones navales. Los datos de VIIRS están ya mejorando las predicciones de floraciones de algas nocivas, permitirán la detección de zonas con alto riesgo de blanqueamiento de corales o mejorará las predicciones de reclutamiento de peces, entre otras aplicaciones.

Tras el éxito del satélite Suomi NPP, el sensor VIIRS tendrá continuidad a bordo de la nueva serie de satélites que operarán la NASA y la NOAA: la Joint Polar Satellite System (JPSS), cuyo primer satélite –el JPSS-1– se lanzará a principios del año que viene. Esta serie supondrá la segunda generación de satélites meteorológicos de órbita polar.

Europa también ha desarrollado su propio programa de satélites polares meteorológicos: la serie MetOp. Estos satélites llevan un gran número de sensores, como el AVHRR -al igual que los JPSS- o alguno de desarrollo europeo, como el IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer), un instrumento principalmente atmosférico.

Primera imagen completa de la Tierra tomada con VIIRS el 24 de noviembre de 2011 / NASA

Primera imagen completa de la Tierra tomada con VIIRS el 24 de noviembre de 2011 / NASA

 

Imagen del tifón Bopha tomada con el VIIRS de Suomi NPP en diciembre de 2012 en Filipinas / University of Wisconsin

Imagen del tifón Bopha tomada con el VIIRS de Suomi NPP en diciembre de 2012 en Filipinas / University of Wisconsin

 

El primer sensor IASI se lanzó en 2006 a bordo de MetOp-A, el segundo instrumento lo porta MetOp-B desde septiembre de 2012 y el tercero se lanzará en 2018 a bordo de MetOp-C. IASI tiene un nivel de precisión muy alto, cercano al del VIIRS. Puede medir con una resolución de 1000 metros, lo que permite estudiar procesos de mesoescala.

 

La temperatura a través de las nubes

La radiación en el infrarrojo se atenúa y disipa al atravesar las nubes y por tanto esta tecnología no permite hacer mediciones en ciertas condiciones meteorológicas. En algunos lugares del planeta esto es un problema especialmente grave, puesto que la nubosidad puede permanecer durante semanas.

La solución está en las microondas, una frecuencia para la cual las nubes y aerosoles son transparentes y permite estimar la temperatura del océano.

Ya en 1978, se instalaron los primeros de estos sensores en los satélites NIMBUS7 y SEASAT. El conocido como Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR), consistía en un sensor capaz de medir la radiación emitida por la superficie de la Tierra a 6.63, 10.69, 18.0, 21.0, y 37.0 GHz. Sus medidas no sirvieron para medir la temperatura superficial del océano, pero si para estudiar la cobertura de hielo en los polos.

Al SMMR le sustituyó el SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager) que, desde 1987, se instaló en la serie de satélites F, perteneciente al Programa de Satélites Meteorológicos de las Fuerzas Aéreas de los Estados Unidos, y que permitió obtener las primeras medidas de la temperatura del océano. El sensor lo portaron desde el F8 hasta F15, a excepción del F9. Este sensor, mide las microondas emitidas por la atmósfera y la superficie terrestre a 19.35, 22.235, 37.0 y 85.5 GHz en siete canales, tanto en el plano vertical de polarización, como en el horizontal. Estas mejoras del sensor permitieron obtener de las lecturas de esta radiación, variables como la velocidad del viento cerca de la superficie, el vapor de agua en la atmósfera, las precipitaciones, el espesor de la nieve y la temperatura del agua.

Desde 2010 no se reciben datos del SSM/I, que se instaló por última vez en el satélite F15, lanzado en el 2000. En la actualidad, y desde 2005, los datos de microondas los recibe el sensor SSMIS (Special Sensor Microwave Imager / Sounder), capaz de medir en 24 canales y 21 frecuencias.

La serie de datos que ofrecen estos sensores tiene ya 27 años y es la NOAA, a través de su centro de datos Comprehensive Large Array-data Stewardship System (CLASS), quien lo gestiona y ofrece productos con esta valiosa información.

Gracias a estas largas series de datos de temperatura, con cobertura global y diaria, podemos conocer con precisión las variaciones de temperatura.

Las series de datos de temperatura superficial del mar son las más extensas en oceanografía y, por tanto, esta variable es hasta ahora la que mayor información del clima está ofreciendo. Gracias a estas medidas de escala planetaria los científicos han podido demostrar que el agua del mar se calienta 0,17 grados centígrados cada año.

Lo último en el estudio de la temperatura superficial del océano desde satélite es tratar de combinar los datos de microondas e infrarrojos para lograr la máxima resolución posible, tanto espacial como temporal. Esto era algo impensable hasta hace muy poco, ya que para poder combinar estos datos es necesario conocer muy bien los errores de cada instrumento y utilizar modelos estadísticos muy complejos. Sin embargo, varios equipos científicos como el que coordina Jorge Vázquez en la JPL de la NASA, ya están empezando a desarrollar productos con datos de sensores diferentes.

A la izquierda, imagen hiperespectral de la desembocadura del río Yangtze en el Mar de China, tomada con el instrumento Hyperspectral Imager for the Coastal Ocean (HICO), instalado en la Estación Espacial Internacional. A la derecha la misma imagen centrada en los 605 nm, donde muestra la concentración de arcillas / Oregon State University

A la izquierda, imagen hiperespectral de la desembocadura del río Yangtze en el Mar de China, tomada con el instrumento Hyperspectral Imager for the Coastal Ocean (HICO), instalado en la Estación Espacial Internacional. A la derecha la misma imagen centrada en los 605 nm, donde muestra la concentración de arcillas / Oregon State University

 

Pero el verdadero avance para la radiometría, tanto para medir la temperatura del océano como para otras variables, vendrá con el uso de sensores hiperespectrales. Esto supondrá un cambio para la teledetección enorme, como pasar de ver en blanco y negro a hacerlo en color. Hasta ahora los sensores utilizados eran multiespectrales, capaces de medir a lo sumo en una veintena o treintena de longitudes de onda diferentes. Sin embargo, los instrumentos hiperespectrales serán capaces de medir más de 200 longitudes de onda diferentes, una información que permitirá estudiar la Tierra desde el espacio como nunca antes se había hecho. La NASA ya prepara la primera misión con tecnología hiperespectral: la Hyperspectral Infrared Imager (HyspIRI).  HyspIRI estudiará la Tierra a una escala planetaria con precisión métrica. En el medio terrestre será capaz de identificar el tipo de vegetación y la salud de ésta, la composición química del suelo, etc. y en el océano permitirá distinguir infinidad de especies de plancton y conocer la temperatura superficial con una precisión menor de 50 metros, entre otras variables.

El satélite HyspIRI incluirá dos instrumentos: un espectrómetro que medirá desde el visible hasta el infrarrojo de onda corta (desde 380 nanómetros hasta 2500) y una cámara multiespectral que medirá entre 3 y 12 micrómetros.

“Gracias a esta tecnología estudiaremos procesos en escala de metros y no de kilómetros. Va a ser increíble. Vamos a poder ver cosas que nunca habíamos podido ver”, explica Jorge Vázquez.

 

El nivel del mar

Otra de las variables oceanográficas fundamentales en la cual se ha apostado muy fuerte en teledetección, es la altura del nivel del mar. “Este parámetro medido por satélite es básico para investigar el incremento del nivel mar a nivel regional o global, analizar las corrientes o investigar los giros de mesoescala que afectan intensamente a la distribución de los organismos planctónicos, incluyendo el ictioplancton”, comenta García Soto.

Los instrumentos utilizados para ello se denominan altímetros y su funcionamiento es muy simple: el satélite envía un pulso y registra cuanto tiempo tarda en volver la señal tras rebotar en el océano. De esta forma, conociendo la órbita del satélite, podemos ver cómo varía la superficie del mar. Sin embargo, cuando a partir de estos datos queremos obtener información climática la cosa se complica. Para poder estudiar procesos como el aumento del nivel del mar debido al cambio global o estudiar los efectos de fenómenos como El Niño o La Niña, es necesaria una precisión que ya no depende solo del funcionamiento del satélite sino de la exactitud de los modelos que se aplican para discriminar las variaciones de altura que introducen factores como el oleaje o las mareas.

“Mientras que un cambio en el nivel del mar debido a El Niño es del orden de 10-20 centímetros, la marea puede llegar a ser de 50 metros”, explica Vázquez. Por tanto, para detectar señales de centímetros con un altímetro hay que tener unos modelos muy buenos de las mareas y oleaje. “La altimetría es muy simple pero las correcciones son muy complicadas si se quiere estudiar el calentamiento global y la circulación del océano”, sentencia el científico.

El primer altímetro se instaló en Skylab, la primera estación espacial estadounidense, que orbitó el planeta entre 1973 y 1979. Aunque el primero de estos instrumentos con fines puramente oceanográficos lo portó el satélite SEASAT, lanzado en 1978.

Sin embargo, estos altímetros no permitían detectar cambios en el nivel del mar con la precisión suficiente para estudiar el cambio climático o la circulación marina, solo cambios debidos a grandes accidentes geográficos submarinos.

Altura del nivel del mar durante un evento de El Niño medida con TOPEX/Poseidon / NOAA

Altura del nivel del mar durante un evento de El Niño medida con TOPEX/Poseidon / NOAA

 

El primer altímetro de precisión fue el que portó TOPEX/Poseidon lanzado en 1992 gracias a una colaboración sin precedente entre las agencias espaciales de Estados Unidos y Francia: la NASA y el CNES. Este satélite estuvo operativo hasta 2006 cartografiando con precisión la superficie de todos los océanos cada 10 días de forma ininterrumpida. Muchos oceanógrafos, entre ellos el distinguido Walter Munk, han descrito este satélite como “el mayor experimento oceanográfico de todos los tiempos”.

Los datos de TOPEX/Poseidon han permitido saber que en los últimos 25 años el nivel del mar ha subido 3.2 milímetros anuales debido al cambio climático. Pero este satélite no solo ha sido importante por sus resultados científicos.

TOPEX/Poseidon inició un periodo de colaboración internacional que ha sido fundamental, tanto para la técnica como para la política científica”, apunta Vázquez.

Esta valiosa serie de datos ha tenido continuidad gracias a los satélites Jason-1, OSTM/Jason-2 y, desde enero de este año, Jason-3, operados también por la NASA y el CNES, pero ahora con la participación extra de la NOAA y Eumesat.

Jason-1 se lanzó en diciembre de 2001, en la misma órbita que TOPEX/Poseidon, en 2008 fue OSTM/Jason-2 y el pasado 17 de enero Jason-3. Ahora estos satélites cubren las mismas zonas con cinco días de diferencia, lo que ha permitido duplicar la resolución temporal de los datos y estudiar la circulación oceánica a una escala mucho menor.

Los satélites Jason permiten medir la topografía de la superficie del mar en una escala centimétrica, y así calcular la velocidad y dirección de las corrientes oceánicas, responsables del transporte de calor en el planeta y por tanto fundamentales para entender el clima.

Pero el interés por conocer la topografía de la superficie oceánica no queda aquí y la NASA y el CNES trabajan en un nuevo satélite capaz de estudiar estas variables con una precisión superior a la de los tres satélites Jason juntos. Su resolución será tal, que permitirá el estudio, no solo del océano, sino que también de ríos, lagos y estuarios. Se trata de la misión Surface Water Ocean Topography (SWOT).

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Ilustración de SWOT, altímetro que se prevé lanzar en 2019 / NASA

SWOT permitirá estudiar en el océano procesos de escala inferior a 100 km y casi hasta los 10, donde nuestro conocimiento de la circulación marina es muy pobre. “Esto va a ser increíble”, explica Vázquez. “Podrá medirse el nivel del mar muy cerca de la costa, donde hasta ahora no se podía, y donde realmente más le interesa a la gente saber cómo sube el nivel del mar a nivel local”. Estas medidas mejorarán los modelos de circulación oceánica y permitirá mejores predicciones del tiempo y el clima. Su resolución será tan precisa que, por primera vez, podrá estudiarse la hidrología desde satélite: conocer las variaciones del volumen de agua embalsada, estimar con precisión el agua descargada por los ríos, etc. Su lanzamiento está previsto para 2019.

 

El color del océano

El color del océano es otra de las variables oceanográficas que se estudian desde satélite desde hace ya más de 30 años –aunque lamentablemente hubo algunos años sin datos- y de la cual se obtiene información climática de incalculable valor. Esta variable está relacionada con la presencia de fitoplancton y partículas en suspensión y, dado que estos diminutos organismos son la base de la gran mayoría de las cadenas tróficas, el color supone una buena aproximación de la actividad biológica de los océanos. Además, dado que el fitoplancton es responsable de una buena parte de la fijación del CO2 atmosférico del planeta, las mediciones del color del océano son fundamentales para el estudio del clima.

Para estudiar esta variable desde el espacio se utilizan también radiómetros, al igual que para la temperatura. De hecho, los radiómetros más modernos son capaces de estudiar ambas variables ya que poseen multitud de canales que miden diferentes longitudes de onda.

Sin embargo, el primer radiómetro capaz de estudiar el color del océano medía esta variable exclusivamente. Se trata del Costal Zone Color Scanner (CZCS) que portó el NIMBUS 7 y que envió datos desde 1978 hasta 1986.

Primer mapa global de color realizado con alrededor de 60.000 imágenes del sensor CZCS, que por primera vez portó NIMBUS-7 y que recopiló durante tres años.

Primer mapa global de color realizado con alrededor de 60.000 imágenes del sensor CZCS, que por primera vez portó NIMBUS-7 y que recopiló durante tres años.

 

Hubo que esperar 10 años para tener un sucesor del CZCS. Este fue SeaWiFS, el único instrumento que portó el satélite SeaStar y que estuvo operativo desde 1997 hasta 2010. Un año antes de este lanzamiento, se puso en órbita el sensor Ocean Color and Temperature Scanner (OCTS) a bordo del satélite de la agencia espacial japonesa NASDA: el ADEOS I. Este satélite duró poco más de un año y su sucesor, el ADEOS II, lanzado en 2002, corrió la misma suerte.

El satélite japonés ADEOS II se lanzó en 2002 y solo duró un año, pero aportó valiosa información sobre el color del océano / NASDA

El satélite japonés ADEOS II se lanzó en 2002 y solo duró un año, pero aportó valiosa información sobre el color del océano / NASDA

Sin embargo, los datos tomados por el OCTS han sido de gran utilidad y, desde 2002, gracias a un convenio entre la NASA y la NASDA (desde 2003 es la JAXA –Japan Aerospace Exploration Agency) se tratan con los mismos algoritmos que los datos de SeaWiFS y se ofrecen productos con la información de ambos instrumentos.

Concentración de clorofila y temperatura en julio de 2003. medidas por el satélite japonés ADEOS II / NASDA

Concentración de clorofila y temperatura en julio de 2003 medidas por el satélite japonés ADEOS II / NASDA

De 2002 a 2012 el sensor MERIS, a bordo del satélite ENVISAT de la ESA, también ofreció datos de color del océano.

En la actualidad, estos sensores han sido sustituidos por radiómetros capaces de medir en multitud de canales y diferentes frecuencias y, por tanto, ya no se puede hablar de un sensor específico para estudiar el color del océano sino de sensores que además miden temperatura del agua, nubosidad, aerosoles, vegetación, hielo, etc. Es el caso de MODIS, un radiómetro desarrollado por la NASA que cuenta con 36 canales que miden en longitudes de onda desde los 0,4 µm hasta los 14,4, y que ya mencionamos al hablar de la temperatura del océano. Este sensor lo portan los satélites Terra y Aqua y entre ambos ofrecen una imagen completa del planeta en menos de dos días. Otro de estos radiómetros multicanal y multipropósito es el también mencionado VIIRS, sensor que portará la nueva serie de satélites Joint Polar Satellite System (JPSS), la segunda generación de satélites meteorológicos de órbita polar.

 

“Gracias a la observación del color del océano se ha demostrado que el tamaño del fitoplancton es cada vez más pequeño en ciertos regímenes oceánicos o que los dinoflagelados productores de mareas rojas pasan a ser las especies dominantes, por ejemplo, en el Canal de la Mancha”. explica García Soto. “Los satélites han jugado sin duda un papel clave en esta monitorización”, concluye el investigador.

Impresionante imagen de un bloom de fitoplancton en el golfo de Vizcaya, captado por el sensor MERIS del ENVISAT / ESA

Impresionante imagen de un bloom de fitoplancton en el golfo de Vizcaya, captado por el sensor MERIS del ENVISAT / ESA

 

La rugosidad del mar

El radar de apertura sintética (Synthetic Aperture Radar o SAR) obtiene imágenes de la superficie muy diferentes a las de otros sensores. Las imágenes de un SAR no muestran colores, pero proporcionan datos relacionados con la rugosidad de la superficie. Datos que pueden utilizarse para estudiar el oleaje, la superficie de hielo o realizar el seguimiento de un vertido en el océano. “Los vertidos de petróleo eliminan las ondas capilares de la superficie marina y por ello estos vertidos son observados en las imágenes de satélite como zonas negras carentes de reflexión al radar SAR”, explica Carlos García Soto.

Esta imagen tomada por el SAR de Envisat el 29 de abril de 2010, muestra el vertido de Deep Horizon aproximándose a las costas de Lousiana / ESA.

Esta imagen tomada por el SAR de Envisat el 29 de abril de 2010, muestra el vertido de Deep Horizon aproximándose a las costas de Lousiana / ESA.

Para un sensor SAR, una superficie marina con olas medias o altas provocadas por el viento constituye un ejemplo de superficie rugosa, mientras que un mar en calma o con pequeñas olas representa una superficie lisa. De esta misma forma puede cartografiarse y monitorizarse el avance y el retroceso de los hielos marinos en aguas polares o estudiar la evolución de un vertido de hidrocarburos, tal como hizo García Soto para monitorizar el vertido del Prestige.

El SAR consiste en una antena pequeña que emite una serie de pulsos consecutivos de microondas, recibe una serie de ecos y los combina de modo que parezca que es una sola observación simultánea de una antena grande. De esta forma se crea una “apertura sintética” mucho más grande que la longitud real de la antena.

Esta tecnología, desarrollada en los años 50, comenzó aplicándose en vuelos con aeronaves. Hasta 1978 no se incorporó a un satélite el primer SAR. Fue el SEASAT. En los últimos años, los satélites equipados con radares SAR más conocidos han sido el JERS-1, de la NASA y la NASDA; el RADARSAT, de la agencia canadiense CIDA, la NASA y la NOAA; y el ERS-1 y 2 de la ESA.

En 2014 se lanzó el mayor radar de apertura sintética puesto en órbita hasta ese momento. Se trata del Sentinel-1A, el primero del programa Copernicus, una iniciativa liderada por la Comisión Europea, en colaboración con la Agencia Espacial Europea (ESA), al que se le ha unido recientemente el Sentinel-1B, lanzado el pasado mes de abril. Estos satélites están equipados con un sofisticado radar capaz de monitorizar la superficie de la Tierra en cualquier condición meteorológica, de día o de noche. En concreto, es un radar de apertura sintética de banda C construido por Airbus DS.

Los resultados de esta misión ayudarán a proteger mejor el medio ambiente, permitiendo detectar y monitorizar la evolución de los vertidos de crudo, estudiar las banquisas de hielo, detectar los desplazamientos de la superficie de la tierra o analizar los usos del terreno.

Las imágenes muestran la evolución de un glaciar en la Antártida, tomadas con SAR en agosto de 2007, enero de 2008 y junio de 2008 respectivamente / JAXA

Las imágenes muestran la evolución de un glaciar en la Antártida, tomadas con SAR en agosto de 2007, enero de 2008 y junio de 2008 respectivamente / JAXA

También jugarán un papel fundamental para facilitar las labores de los equipos de ayuda humanitaria y de respuesta ante desastres naturales, distribuyendo mapas actualizados de las zonas afectadas.

En los próximos años se planea poner en órbita los satélites Sentinel-1C y 1D para incrementar la cobertura y resolución de los datos.

 

El hielo marino

La extensión del hielo marino es quizás la primera variable oceánica que se midió desde satélite ya que es tan antigua como la propia observación de la Tierra desde el espacio. Y es que ya el TIROS-1, el primer satélite de observación terrestre, lanzado en 1960, ofreció información sobre la superficie helada gracias a sus cámaras de televisión.

Y es que el hielo puede estudiarse con multitud de sensores diferentes. Pueden usarse datos de observaciones en el visible, infrarrojos y microondas (tanto pasivos como activos) y estos pueden además combinarse para obtener información de multitud de características del hielo: superficie, tipo, rugosidad, movimiento de las capas o el espesor.

Mapa que muestra el espesor del hielo en la Antártida gracias al altímetro SIRAL que porta el satélite CryoSat-2

Mapa que muestra el espesor del hielo en la Antártida gracias al altímetro SIRAL que porta el satélite CryoSat-2

El estudio de esta última variable -el espesor del hielo-, desde satélite, es todavía una tarea pendiente. “Los sistemas de radares de penetración de tierra (GPR) utilizan bandas de microonda de baja frecuencia que pueden penetrar el hielo glacial y proveer información sobre su espesor”, explica Pablo Clemente, investigador de la NOAA y experto en el estudio de la criosfera. “Sin embargo, la capacidad de estos sistemas para penetrar en el hielo marino que, aunque mucho más fino es a su vez salino, está bajo estudio y aún no hay resultados”, apunta Clemente. “Por el momento, el espesor del hielo marino se estudia de forma indirecta, estudiando la altura del francobordo de las banquisas con altímetros de radar o láser, a partir de las cuales se estima el espesor total”.

Hasta los años 70 no comenzaría la observación consistente y rutinaria gracias a los primeros satélites con radiómetros de microondas. Los mismos que han servido para estudiar la temperatura del agua a través de las nubes: los sensores SMMR y SSM/I.

A finales de esta misma década, a bordo del Seasat, se instaló el primer radar de apertura sintética (SAR) que, pese a lo poco que duró la misión, evidenció la capacidad de esta tecnología para el estudio del hielo polar.

Imagen del SAR de Sentinel-1 que muestra la formación de enormes icebrgs en la Antártida / ESA

Imagen del SAR de Sentinel-1 que muestra la formación de enormes icebrgs en la Antártida / ESA

Sin embargo, no fue hasta el lanzamiento del satélite ERS-1 (European Remote Sensing Satellite), en 1991, cuando se obtuvieron las primeras medidas rutinarias de los hielos con SAR. Tanto el ERS-1 como el ERS-2 fueron construidos por la industria europea y operados por la Agencia Espacial Europea (ESA)

A los ERS-1 y ERS-2 los sustituyó el proyecto Cryosat, en el que participó Carlos García Soto como uno de los investigadores principales de este proyecto de la ESA.  El primero de esta serie de satélites, Cryosat-1, no llegó a ponerse en órbita debido al fallo en uno de los motores del cohete que lo transportaba. Pero su repuesto, el Cryosat-2, fue lanzado con éxito en febrero de 2010.

Cryosat-2 es un proyecto de la Agencia Espacial Europea (ESA) que consta de un satélite de tecnología radar diseñado para el estudio de las regiones heladas de la tierra: variaciones de la superficie, espesor del hielo, su masa y cómo varía ésta con el tiempo.

Los satélites que orbitaban hasta el momento, tanto los ópticos como los basados en radares de microondas, proporcionaban información sobre la extensión del hielo de la crioesfera donde los efectos del cambio climático resultan más evidentes. Mostraban dónde se encuentra el hielo, pero no disponían de medios para estimar su masa con precisión, o para determinar cómo varía su tamaño con el tiempo.

El satélite CryoSat-2 transporta el primer altímetro radar de su clase, capaz de superar las dificultades inherentes a la medición de la superficie del hielo desde el espacio. Este sofisticado Altímetro de Interferometría Radar SAR (SIRAL), es el principal instrumento con el que cuenta y puede medir el espesor del hielo marino con una precisión de unos pocos centímetros y monitorizar cambios en el espesor de las grandes capas de hielo que cubren Groenlandia y la Antártida y puede analizar con precisión los bordes de estas capas, que, desde el punto de vista climático es muy interesante  ya que es donde enormes icebergs se precipitan hacia el mar.

El instrumento SIRAL envía miles de pulsos radar hacia la superficie de la Tierra cada segundo, y mide con precisión el tiempo que tarda en recibir los ecos.

CryoSat-2 también lleva instalado a bordo un Sistema Doppler de Orbitografía y Radiolocalización Integrada por Satélite (DORIS), capaz de detectar y medir el efecto Doppler en las señales emitidas por una red de radiobalizas situadas en diferentes puntos del mundo, lo que permite determinar con precisión la órbita del satélite, con una precisión de milímetros, lo que en este caso es esencial para poder medir con precisión la altura de la superficie del hielo.

La misión utiliza dos técnicas diferentes para mejorar la visión del altímetro de CryoSat-2, una mejora la precisión del altímetro en la dirección longitudinal de su desplazamiento y la segunda mejora las medidas realizadas en dirección transversal.

Tras su puesta en órbita, comenzó un duro trabajo para validar los datos de la misión. Para ello fue necesario la realización de una campaña sobre el terreno, una expedición al Ártico que duraría un mes y en la que científicos de la ESA, la NASA y varias organizaciones internacionales más se enfrentaron a temperaturas de hasta -30°C para recoger datos en el interior de Groenlandia, en el archipiélago de Svalbard, en el estrecho del Fram y en la isla de Devon, así como en mar abierto frente a las costas de Alert, en la isla canadiense de Ellesmere.

Para garantizar la precisión de los datos adquiridos por CryoSat, se tomaron datos del hielo y de la nieve sobre el terreno y también desde el aire. Estas mediciones in situ fueron comparadas con los datos recogidos por CryoSat desde el espacio, lo que permitió calibrar sus instrumentos y asegurar que la misión proporcionara resultados con la calidad esperada.

Como parte de la colaboración entre la NASA y la ESA, uno de los aviones P-3 Orion de la agencia americana participó en esta campaña de validación, volando junto a los aviones de la ESA al mismo tiempo que CryoSat sobrevolaba su ruta, tomando medidas simultáneas del hielo ártico.

Después del largo trabajo y del fracaso del primer satélite, los datos generados por CryoSat-2 están permitiendo comprender mejor la dinámica de las masas de hielo. El pasado mes de mayo, científicos del Centro para la Observación y Modelización Polar del Reino Unido, han publicado un trabajo en Geophysical Research Letters en el que aseguran que la capa de hielo de la Antártida pierde 159.000 millones de toneladas de hielo cada año; el doble de lo calculado en la última estimación, que abarcaba los cinco años anteriores. Este dato lo ha facilitado la Agencia Espacial Europea (ESA), a partir de las observaciones de CryoSat-2 desde 2010 hasta 2013.

El trabajo asegura además que estas pérdidas de hielo son suficientes, por sí solas, para elevar el nivel del mar en 0,45 milímetros por año.

 

La salinidad

Desde febrero de 2010 tenemos registros por teledetección de una variable fundamental en oceanografía, la cual resulta complicado imaginar cómo puede medirse desde un satélite a más de 700 kilómetros de altura. Se trata de la salinidad y su medición es posible gracias al satélite SMOS de la ESA. El IEO ha participado también en esta acción a través, por ejemplo, del proyecto de la Agencia Espacial Europea SMOS-AO-4675: Remote sensing of salinity in the northern polar seas: phytoplankton and climate research que lideró García Soto.

Uno de los primeros mapas mundiales de la salinidad obtenidos a partir de datos de SMOS / SMOS Barcelona Expert Center

Uno de los primeros mapas mundiales de la salinidad obtenidos a partir de datos de SMOS / SMOS Barcelona Expert Center

La salinidad, junto a la temperatura, determina la densidad del agua marina, que es a su vez determinante en la formación de las corrientes que, entre otras cosas, son responsables de trasladar el calor desde el ecuador a los polos. La salinidad de la superficie marina, por tanto, es una de las variables esenciales que determinan el patrón de circulación oceánica global, que es, al mismo tiempo, un importante indicador del cambio climático.

La misión SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), también conocida como Misión del Agua de la ESA, se ha concebido, además de para estudiar la salinidad de los océanos, para medir la humedad del suelo en las masas continentales. Los datos obtenidos por este satélite permitirán crear mapas de humedad del suelo al menos cada tres días, y de la salinidad de los océanos al menos cada 30 días.

Un aspecto importante de la misión es que pone en práctica una técnica de medición totalmente novedosa. SMOS transporta el primer radiómetro interferométrico en dos dimensiones para órbita polar que capta imágenes de la radiación de microondas emitida en torno a la frecuencia de 1,4 GHz o una longitud de onda de 21 cm (banda L). “Esto es algo que se usa en astronomía desde los años 50 en los grandes radiotelescopios que a base de distribuir antenas en una zona muy amplia captan información del espacio”, explica Jordi Font, oceanógrafo del Instituto de Ciencias Marinas (CSIC) de Barcelona e investigador líder del proyecto SMOS en lo referente a salinidad. Sin embargo, su aplicación a la observación terrestre desde satélite no es fácil. Normalmente, para realizar observaciones en la gama de microondas de la banda L, se requiere una antena giratoria de decenas de metros de diámetro para obtener una cobertura y una resolución espacial adecuadas. Sin embargo, si dicha técnica se utilizara con un satélite, debería llevar a bordo una carga demasiado pesada que lo haría inviable.

El satélite SMOS en órbita / ESA

El satélite SMOS en órbita / ESA

Pero los científicos han hallado una ingeniosa solución que consiste en el empleo de un radiómetro interferométrico que utiliza varios receptores pequeños para medir la diferencia de fase de la radiación incidente. La técnica se basa en la correlación cruzada de las observaciones de todas las combinaciones posibles de pares de receptores. Hasta 69 receptores. “Durante los cuatro años que llevamos desde el lanzamiento de SMOS no hemos parado de mejorar los algoritmos de proceso de los datos”, explica Jordi Font, “Se trata de una tecnología muy novedosa y hay muchos aspectos que son bastante complicados que implican modelizar multitud de procesos”.

La idea concreta que ha acabado siendo SMOS se empezó a desarrollar a principio de los 90 por parte de la ESA con una participación muy importante de tecnólogos españoles, concretamente y sobre todo de la Universidad Politécnica de Cataluña. Todo esto llevó a que, en el año 98, en una convocatoria de la ESA para observaciones espaciales de la tierra se pudo concretar y proponer el concepto de radiómetro que después fue seleccionado hasta que al cabo de unos 10 años se lanzó.

“Actualmente se están dando de forma operacional mapas de salinidad de todos los océanos; la calidad en algunos puntos es bastante buena, pero en otras, como en aguas muy frías, con presencia de vientos muy fuertes o en zonas cercanas a los continentes hay interferencias y todavía la medición no tiene la calidad suficiente”, explica Font.

¿Pero cómo es posible que un mismo sensor sea capaz de medir dos variables tan diferentes como la salinidad del océano y la humedad del suelo? La clave reside en el hecho de que tanto la humedad como la salinidad ejercen un gran efecto en las propiedades eléctricas de la materia. Toda materia emite energía en forma de radiación electromagnética que se denomina emisividad y SMOS aprovecha el hecho de que la humedad y la salinidad reducen esta propiedad en el suelo y en el agua marina respectivamente.

Una vez puesto en órbita el satélite, es necesario validar sus medidas con datos tomados in situ. Para ello se utilizaron las boyas del programa ARGO, más de 3.500 perfiladores distribuidos por todo el océano que miden la salinidad, entre otras variables. “Comparando los mapas realizados por el satélite con los mapas de las boyas pudimos observar en qué zonas las medidas entran dentro de los limites de error propuestos en la misión y en que zonas no ocurre y preguntarnos por qué”, explica Font. “De esta forma nos dimos cuenta que, en aguas muy frías, en presencia de vientos muy fuertes o en aguas costeras las medidas no eran buenas lo que nos ha servido para mejorar los algoritmos y que nuestro calculo sea cada vez mejor”.

Después de cuatro años, aún se continúan realizando estudios de validación para mejorar los algoritmos, pero también se elaboran ya mapas válidos de algunas zonas. “En lugares del norte del océano Índico, pese a existir un gran interés en su estudio, no hemos conseguido ofrecer datos válidos debido a que se están utilizando radares que emiten en una frecuencia que produce interferencias y que en teoría está prohibido su uso”, comenta Font. “Sin embargo en otros lugares con grandes contrastes de salinidad está dando un gran resultado. Es el caso de la descarga del Amazonas que, gracias a SMOS, se está pudiendo monitorizar y se ha observado que su influencia llega a miles de kilómetros de la costa”.

Otra importante línea de trabajo que se está desarrollando con datos de SMOS es tratar de incluir la salinidad en los modelos operacionales de circulación oceánica. La salinidad es una variable fundamental en la oceanografía y su inclusión podría mejorar sustancialmente estos modelos predictivos. Incluso antes de que hubiese datos de salinidad ya se comprobó que, en fenómenos oceanográficos y climáticos como El Niño, si se incluyeran estas medidas las predicciones aumentarían enormemente su fiabilidad. “El episodio actual de El Niño que estamos sufriendo, por ejemplo, ha provocado un notable descenso de salinidad en la región ecuatorial del Pacifico del orden de 1 pps según datos de SMOS de diciembre de 2015”, apunta Carlos Garcia Soto.

Definitivamente la teledetección se ha consolidado como una herramienta fundamental de la oceanografía. Los satélites nunca podrán sustituir a los barcos a la hora de tomar muestras o estudiar más allá de los primeros centímetros de agua, sin embargo, son y serán indispensables para estudiar el clima y observar nuestro planeta a una escala global.

Este artículo se publicó en junio de 2016 en el número 24 de la Revista IEO

img-responsive center-block Pablo

Me llamo Pablo, soy oceanógrafo y periodista, y he creado Ciencia en Remojo para compartir mis trabajos –científicos y divulgativos- e informar sobre actualidad en ciencias del mar.

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