Espectro en la Meteorología

Utilización del Espectro en la Meteorología

Las frecuencias radioeléctricas representan un recurso escaso y fundamental utilizado por los servicios nacionales de meteorología para medir y recopilar los datos de observación en los que se basan o procesan los análisis y predicciones, incluidos los avisos, y para divulgar esta información a los gobiernos, responsables políticos, organizaciones de gestión en caso de catástrofe, intereses comerciales y al gran público.

Que es la radiación electromagnética

La radiación electromagnética, son ondas producidas por la oscilación o la aceleración de una carga eléctrica. Las ondas electromagnéticas tienen componentes eléctricos y magnéticos. Las ondas electromagnéticas viajan en el vacío a la rapidez de la luz c, transportando energía y cantidad de movimiento desde alguna fuente a un receptor. 

Usos

Los sistemas utilizados para obtener y difundir esta información requieren un acceso fiable a las frecuencias radioeléctricas que van desde unos pocos kHz a varios cientos de GHz y hacen uso de una gran variedad de tecnologías radioeléctricas, tales como radiocomunicaciones (por ejemplo, para radio sondas o satélites), radares (de precipitación y de perfil del viento) y detección basada en las radiocomunicaciones (por ejemplo, teledetección pasiva por satélite o detección del rayo).

Ejemplo de teledeteccion por satelite.

Otros ejemplos del espectro en la atmósfera.

La luz, llamada también luz visible o luz blanca, es uno de los componentes del espectro electromagnético, y se define como aquella parte del espectro de radiación que puede percibir la sensibilidad del ojo humano.

La radiación electromagnética se puede ordenar en un espectro que se extiende desde longitudes de onda corta de billonésimas de metro (frecuencias muy altas) hasta longitudes de onda larga de muchos kilómetros (frecuencias muy bajas). La luz visible es sólo una pequeña parte del espectro electromagnético. Por orden creciente de longitudes de onda (o decreciente de frecuencias), el espectro electromagnético está compuesto por rayos gamma, rayos X duros y blandos, radiación ultravioleta, luz visible, rayos infrarrojos, microondas y ondas de radio.

Radiación Solar

La radiación del Sol es emitida en todas las longitudes de onda, pero tiene un máximo en la región de luz visible. La luz visible está compuesta por varios colores, que cuando se mezclan forman la luz blanca, por lo que también se le da ese nombre. Cada uno de los colores tiene una longitud de onda específica. Considerando desde las longitudes de onda más cortas a las más largas, los diferentes colores tienen los valores centrales de longitudes de onda que se indican en la tabla.

Son los colores que forman el arco iris, que se muestra en la figura. En sus extremos se tienen el ultravioleta y el infrarrojo. La mayor cantidad de energía radiante del Sol se concentra en el rango de longitudes de onda del visible y visible cercano del espectro, con las siguientes proporciones: luz visible 43%, infrarrojo cercano 49%, ultravioleta 7%, y el 1% restante en otros rangos.

Influencia de la radiación solar y de los distintos elementos que forman la Tierra en la Meteorología. 

Entre los distintos elementos que afectan los sistemas meteorologicos tenemos las distintas capas de la tierra como las siguientes:

TROPOSFERA: 

Es la zona donde se desarrolla la vida y donde se producen los fenómenos meteorológicos. Contiene el 75% de la masa atmosférica y casi todo el vapor de agua. El aire de esta capa es muy homogéneo, debido a los movimientos verticales que se producen. Su característica más importante es la disminución de la temperatura con la altura, que en promedio es de 0.6 grados centígrados por cada 100 metros. 

Estructura vertical de la atmósfera.

ESTRATOSFERA: Esta capa comienza a partir de la tropopausa y llega hasta los 50 kilómetros de altitud, donde se encuentra la estratopausa, que la separa del siguiente manto atmosférico. Este gas tiene la particularidad de absorber parte de la radiación ultravioleta del Sol y calentarse.

MESOSFERA: Caracterizada por el descenso muy acusado de la temperatura. Suelen ocurrir en esta capa fenómenos luminosos debidos a la presencia de pequeñas cantidades de vapor de agua, que ha logrado subir de las capas inferiores, que se congela muy rápidamente y da lugar a pequeños cristales de hielo, que al reflejar la luz solar forman las llamadas "nubes irisadas".

TERMOSFERA: En esta capa se alcanzan las mayores temperaturas de la atmósfera, que a unos 300 kilómetros de altura puede alcanzar los 900º centígrados. Este aumento de la temperatura es debido a la bajísima densidad del aire que se calienta rápidamente al recibir las radiaciones muy energéticas del Sol. A esta capa también se la conoce con el nombre de ionosfera, por la abundancia de iones de oxígeno y nitrógeno, que provocan dos fenómenos muy importantes, como son las auroras polares y el rebote de las ondas de radio que ayuda a la propagación de las comunicaciones a largas distancias.

LA ATMÓSFERA COMO UN OCÉANO DE AIRE AGITADO

Los distintos fenómenos meteorológicos que componen el tiempo tienen como escenario la atmósfera "masa gaseosa que constituye la capa externa y envolvente de la Tierra", que con un espesor aproximado de 2.000 kilómetros hace posible la vida en nuestro planeta.

Nuestra atmósfera es densa, factor importante para el establecimiento y desarrollo de la vida sobre el planeta. Esta envoltura, no solamente sirve como un techo protector contra las radiaciones procedentes del Sol y los posibles impactos de otros cuerpos celestes, sino que es la base de la vida terrestre, ya sea como fuente de oxígeno para el reino animal y de anhídrido carbónico para el vegetal.

Esta envoltura gaseosa es una mezcla de distintos gases, 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno, 0.9% de argón y 0.1% de otros gases.

Dentro de estos gases minoritarios los más importantes en los factores meteorológicos son:

VAPOR DE AGUA: Componente atmosférico muy variable, llegando a un máximo cercano al 4%. Procede de la evaporación de las zonas húmedas, así como de las superficies terrestres cubiertas por hielo y nieve y también de la vegetación debido a su transpiración. Su importancia es fundamental en el ciclo del agua y formación de las nubes, así como en el balance de la radiación entre la Tierra y el Sol, ya que es muy permeable a la radiación solar de onda corta, pero absorbe parte de la radiación terrestre de onda larga.

OZONO: Su función principal es la de protegernos de las peligrosas radiaciones ultravioletas procedentes del Sol. Forma una especie de cinturón alrededor de nuestro planeta, alcanzando su máximo de concentración entre 25 y 30 kilómetros de altura.

DIÓXIDO DE CARBONO: Más conocido normalmente como "CO2". Durante las últimas décadas, y debido a la acción del hombre, su cantidad está aumentando notablemente en la atmósfera, aproximadamente un 0.5% de su concentración al año, ayudando al aumento de las temperaturas medias de la Tierra, ya que permite el paso de la radiación solar pero absorbe fácilmente la radiación terrestre saliente.

Otros componentes:

También son componentes atmosféricos las PARTÍCULAS DE POLVO, HOLLÍN, SAL, ARENA FINA Y CENIZAS VOLCÁNICAS procedentes en su totalidad de la superficie terrestre. Las de mayor tamaño se depositan rápidamente por efecto de la gravedad o por las precipitaciones. Las partículas más pequeñas permanecen suspendidas en la atmósfera, donde se encuentran en cantidades enormes. Una de sus funciones principales es la de ayudar en la formación de las nubes, además de ser un factor importante de contaminación atmosférica.

Sistemas de vigilancia Meteorológicas

Para analizar, prevenir y predecir el tiempo, la moderna meteorología depende del intercambio casi instantáneo de informaciones meteorológicas a lo largo de todo el mundo. El sistema de Vigilancia Meteorológica  Mundial (VMM), que es el núcleo de los programas de la OMM y combina los sistemas de observación, las instalaciones de telecomunicaciones y los centros de procesamiento de datos y de predicción, es explotado 

por los 187 Estados Miembros y pone a disposición la información meteorológica y geofísica conexa necesaria para proporcionar servicios eficaces en todos los países. 

El sistema de Vigilancia Meteorológica Mundial (VMM) consta de tres elementos integrados que componen el núcleo del sistema (véase la Fig. 1-1): 

• – El Sistema Mundial de Observación (SMO) que proporciona observaciones normalizadas de gran calidad de la atmósfera y de la superficie del océano en cualquier parte del mundo y del espacio exterior. 

• – El Sistema Mundial de Telecomunicaciones (SMT) que proporciona el intercambio en tiempo real de datos procedentes de las observaciones meteorológicas, productos procesados e información afín, entre los servicios meteorológicos e hidrológicos nacionales. 

• – El Sistema Mundial de Procesamiento de Datos y Previsiones que proporciona productos meteorológicos procesados (análisis, alertas y predicciones) generados por una red de centros meteorológicos mundiales y regionales especializados. 

Sistema Meteorológico por satélite (MetSat):

El servicio de meteorología por satélite (MetSat) se define en el número 1.52 del Reglamento de Radiocomunicaciones (RR) como un "Servicio de exploración de la Tierra por satélite con fines meteorológicos". Permite el empleo de enlaces de radiocomunicaciones entre las estaciones terrenas y una o más estaciones espaciales a fin de suministrar:

• Información sobre las características de la Tierra y sus fenómenos naturales procedente sensores activos y pasivos situados en satélites terrestres.
• Información recogida de plataformas aéreas o terrestres.
• Información distribuida a las estaciones terrestres.

Transmisión de Datos mediante satélites meteorológicos

Los datos obtenidos por los sensores de imágenes visibles, casi infrarrojas e infrarrojas y otros sensores a bordo de satélites meteorológicos OSG se transmiten a las principales estaciones de operación (denominadas a menudo estaciones de tele-mando y adquisición de datos o estaciones TAD) en la banda 1 670-1 690 MHz. La figura anterior proporciona ejemplo de imágenes de datos procesados procedentes de un instrumento sensor de  imágenes a bordo de un satélite meteorológico OSG. 

Existen sólo unas pocas estaciones de este tipo en el mundo, normalmente una o dos por cada sistema de satélites. Están equipadas con antenas de aproximadamente 10 m a 18 m de diámetro y suelen funcionar con un mínimo ángulo de elevación de 3°. El factor de calidad (G/T) de estas estaciones es del orden de 23 dB/K.

Las anchuras de banda de transmisión típicas de la actual generación de las redes MetSat OSG se encuentran entre 2 MHz y 20 MHz dependiendo de las características del instrumento y de los métodos de modulación empleados.




Teledetección Radioméctrica Pasiva

La radiometría pasiva de microondas es un instrumento de importancia primordial para la observancia de la Tierra. El SETS funciona mediante sensores pasivos diseñados para recibir y medir las emisiones naturales producidas por la superficie terrestre y por su atmósfera. La frecuencia e intensidad de estas emisiones naturales caracterizan el tipo y el estado de varios parámetros importantes, geofísicos, atmosféricos y de la superficie (tierra, mar y casquetes polares), que describen el estado del sistema Tierra/atmósfera/océanos y de sus mecanismos: 

• Parámetros de la superficie terrestre tales como la humedad del suelo, la temperatura de la  superficie del mar, la intensidad de los vientos oceánicos, la extensión del hielo y su antigüedad, el  manto de nieve, la pluviosidad sobre tierra, etc.; y 
• Parámetros atmosféricos tridimensionales (atmósfera baja, media y superior) tales como los perfiles  de temperatura, el contenido de vapor de agua y los perfiles de concentración de los gases residuales  de importancia radioactiva y química (por ejemplo el ozono, el ácido nitroso y el cloro).

Las técnicas de microondas permiten la observación de la superficie de la Tierra y su atmósfera desde órbitas terrestres incluso en presencia de nubes, que resultan transparentes a frecuencias por debajo de 100 GHz. Esta independencia del clima tiene un enorme interés para la observación de la Tierra porque más del 60% de la superficie terrestre está cubierta normalmente de nubes. Además de esta independencia del clima, las mediciones pasivas por microondas pueden realizarse a cualquier hora del día puesto que no dependen de la luz solar. La tele-detección pasiva de microondas constituye un instrumento importante ampliamente utilizado para supervisión y para los estudios meteorológicos, climatológicos y medioambientales (en aplicaciones operacionales y científicas), para los que es indispensable la fiabilidad de la cobertura mundial reiterada.