El papel clave de los satélites en la observación de la Tierra desde el espacio (primera parte)

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    Por Deniz Bozkurt, investigador adjunto (CR)2, y Roberto Rondanelli, investigador asociado (CR)2 y académico DGF-FCFM Universidad de Chile

    La observación de los procesos de la Tierra es vital para determinar las interacciones de los elementos del sistema climático, y el papel y la influencia de los seres humanos en estas interacciones. Probablemente, el mejor ejemplo de esto sea demostrar el innegable rol de las personas en el cambio climático y en la temperatura del planeta. En regiones remotas como los polos, desiertos y océanos, donde no hay asentamientos humanos y prevalecen duras condiciones ambientales, existen algunas incertidumbres debido a redes de observación insuficientes. Sin embargo, con la era de los satélites, que comenzaron a ser más efectivos en nuestras vidas a fines de la década de 1990, se ha hecho posible reducir las incertidumbres mediante la realización de muchos análisis importantes, como el monitoreo de gases de efecto invernadero y aerosoles en la atmósfera, cambio de capas de hielo, temperatura de la superficie del mar y características de las nubes para cualquier región del mundo.

    Una breve historia

    Los primeros pasos en la observación de la Tierra desde el espacio se establecieron en la Guerra Fría, en la década de 1950, y, luego, muchos países se unieron para estudiar nuestro planeta con el denominado Año Internacional de la Geofísica (entre 1957 y 1958). Después de esto, la Unión Soviética lanzó el primer satélite del mundo al espacio, el Sputnik, en octubre de 1957, y, más tarde, Estados Unidos lanzó su primer satélite al espacio, el Explorer 1, en enero de 1958.

    Ciertamente, la meteorología y las ciencias atmosféricas tuvieron un lugar importante entre estos esfuerzos y avances. Por ejemplo, con el Explorer 7, lanzado en 1959, el balance de calor global pudo monitorearse y registrarse como la primera detección remota exitosa del mundo. Lo mismo ocurrió con el TIROS-1, el primer satélite meteorológico, lanzado al espacio en abril de 1960. Más tarde, en 1963, la Organización Meteorológica Mundial estableció el Sistema de Observación Global, que fue creado con satélites meteorológicos en órbitas fijas y polares.

    Hoy en día, con decenas de satélites de observación operados por departamentos y agencias espaciales en los Estados Unidos (NASA), China (CNSA), Rusia (ROSCOSMOS), Europa (ESA) y otros países, es posible monitorear los diferentes componentes del sistema climático como la atmósfera y la criósfera. Además, se proporciona una enorme fuente de datos a través del monitoreo del cambio climático y las actividades ambientales, entre otros.

    ¿Cómo funcionan los satélites?

    Los satélites usan radiómetros para escanear la Tierra. Estos instrumentos suelen tener un tipo de mecanismo de exploración que consiste en un pequeño telescopio o antena, y uno o más dispositivos que detectan la radiación visible, infrarroja o de microondas de la radiación electromagnética emitida desde nuestro planeta al espacio en distintas bandas o líneas espectrales, como si se tratara de ojos robóticos mirando a la Tierra en mayor detalle que lo que podría hacerlo el ojo humano.

    Las mediciones realizadas por estos dispositivos se digitalizan y transmiten a varios centros de datos de todo el mundo, y se presentan en forma de imágenes y datos a través de Internet u otros medios. Por ejemplo, las imágenes creadas con radiación visible (que coincide con la que veríamos los seres humanos desde el espacio) pueden proporcionar información muy útil para situaciones como la formación de nubes, predicción de tormentas, cubierta de nieve, humo de incendios y transporte de polvo, mientras que las imágenes infrarrojas permiten determinar la altura y temperatura de las nubes, ya sea de día o de noche. También se puede determinar información importante, como el balance de radiación del planeta (la tasa de la energía que entra y abandona la Tierra en las distintas partes del espectro electromagnético).

    Los satélites se colocan en uno de los dos tipos de órbitas alrededor de la Tierra. La primera es una órbita fija («órbita geoestacionaria») en la que el satélite se encuentra a una altitud de unos 36.000 kilómetros y orbita alrededor del Ecuador a la velocidad de rotación de la Tierra. De esta manera, el satélite puede ver continuamente la misma área geográfica en alta resolución (entre 1 y 4 kilómetros). Estos satélites proporcionan la mayoría de las imágenes que vemos con frecuencia en la televisión o en Internet. Por ejemplo, los satélites GOES-East y GOES-West controlados por la NASA y el NOAA, cubren muchas partes del hemisferio occidental (como el Pacífico occidental y las Américas), mientras que el satélite Meteosat, de la Agencia Espacial Europea, cubre Europa y África.

    Debido a que estos satélites están en una órbita muy distante, requieren telescopios detallados y mecanismos de escaneo precisos para ver la Tierra con una resolución aún mayor, y solo ven una parte de ella. Para superar estas desventajas, el segundo tipo de satélites, de órbita polar en altitudes más bajas (entre 500 y 900 kilómetros, aproximadamente) tienen un papel clave (Figura 1). Estos satélites viajan en una órbita sincronizada con el sol, de un polo al otro en una órbita circular, lo que permite medir cualquier lugar de la Tierra dos veces al día a la misma hora local en un período de 24 horas. Este rango de medición se puede extender a un intervalo de visualización de seis horas colocando dos satélites diferentes en distintas órbitas sincronizadas con el sol. Con los datos proporcionados por estos satélites, como la temperatura atmosférica, muchas de las características de las nubes, la humedad atmosférica y los fenómenos meteorológicos severos, los procesos criosféricos pueden seguirse incluso en las regiones polares, y algunos de ellos pueden ser una fuente de datos importante para los modelos de pronóstico meteorológico. Además, se pueden observar erupciones volcánicas e incendios forestales independientemente de las condiciones del sitio.

    Ejemplos de uso e importancia de los satélites

    El uso de satélites es muy común, ya que proporcionan una amplia gama de datos rápidos y de alta calidad en campos como las ciencias atmosféricas, la oceanografía, la glaciología y la hidrología. Dado que las imágenes y los datos de satélite se pueden capturar y procesar en tiempo real, una de las áreas más utilizada es en el análisis del clima, y la predicción y seguimiento de eventos climáticos severos, como huracanes, tornados y densas nubes convectivas. La predicción y el análisis de estas últimas también se puede realizar con datos obtenidos de datos satelitales como la altura y temperatura de las nubes y la intensidad de las precipitaciones. La tendencia climatológica de las masas glaciares en las regiones polares y sus cambios durante los fenómenos meteorológicos extremos también se puede analizar con vistas de satélite.

    Figura 1. Flota de observación de la Tierra en órbita polar controlada por la NASA a partir de 2015. Fuente de la foto: NASA (https://climate.nasa.gov/news/2242/briefing-to-highlight-results-from-new-earth-missions/).

    Debido a esto, resulta preocupante la noticia aparecida en la BBC, que menciona que dos satélites que observan los polos llegarán al fin de su vida útil antes de que puedan ser reemplazados, lo que podría generar una brecha en el conocimiento por la falta de observaciones durante su ausencia. Preocupa, sobre todo, por la gran cantidad de datos de eventos climáticos extremos que estos instrumentos tecnológicos han aportado a la ciencia (y que ahora no podríamos ver), algunos de los cuales mencionaremos en la segunda parte de este escrito.

    Referencias
    Ackerman, S. A., Platnick, S., Bhartia, P. K., Duncan, B., et al. Satellites See the World’s Atmosphere. Meteor. Monogr., 59 4.1–4.53, 2019. doi: https://doi.org/10.1175/AMSMONOGRAPHS-D-18-0009.1
    Kidd, C., Levizzani, V., & Bauer, P. A review of satellite meteorology and climatology at the start of the twenty-first century. Progress in Physical Geography: Earth and Environment, 33(4), 474–489, 2009. https://doi.org/10.1177/0309133309346647

    NASA Worldview, https://worldview.earthdata.nasa.gov/

    NASA Space Laser Missions Map 16 Years of Ice Sheet Loss: https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/nasa-space-laser-missions-map-16-years-of-ice-sheet-loss

    The European Space Agency (ESA), https://www.esa.int/