Radiómetro de microondas

Humidity and Temperature Profiler (HATPRO-SUNHAT) at the Barbados Clouds Observatory.

Un radiómetro de microondas (MWR) es un radiómetro que mide la energía emitida en longitudes de onda de un milímetro a un metro (frecuencias de 0,3 a 300 GHz) conocidas como microondas. Los radiómetros de microondas son receptores muy sensibles diseñados para medir la radiación electromagnética emitida térmicamente. Por lo general, están equipados con múltiples canales de recepción para derivar el espectro de emisión característico de atmósferas planetarias, superficies u objetos extraterrestres. Los radiómetros de microondas se utilizan en una variedad de aplicaciones ambientales y de ingeniería, que incluyen la detección remota, el pronóstico del tiempo, el monitoreo del clima, la radioastronomía y los estudios de propagación de radio.

Usar el rango espectral de microondas entre 1 y 300 GHz proporciona información complementaria al rango espectral visible e infrarrojo. Lo más importante es que la atmósfera y también la vegetación son semitransparentes en el rango espectral de microondas. Esto significa que sus componentes como gases secos, vapor de agua o hidrometeoros interactúan con la radiación de microondas pero, en general, incluso la atmósfera nublada no es completamente opaca en este rango de frecuencia.

Para monitorear el tiempo y el clima, los radiómetros de microondas se operan desde el espacio y desde tierra. Como instrumentos de teledetección, están diseñados para funcionar de forma continua y autónoma, a menudo en combinación con otros sensores atmosféricos remotos como, por ejemplo, radares de nubes y lidars. Permiten la derivación de cantidades meteorológicas importantes, como perfiles verticales de temperatura y humedad, cantidad de vapor de agua en columna y trayectoria de agua líquida en columna con una alta resolución temporal del orden de minutos a segundos en casi todas las condiciones climáticas. Los radiómetros de microondas también se utilizan para la detección remota de las superficies terrestres y oceánicas de la Tierra, para derivar la temperatura del océano y la velocidad del viento, las características del hielo y las propiedades del suelo y la vegetación.

Historia

Escaneo radiométrico para Venus por Mariner 2, para su vuelo de diciembre de 1962 de ese planeta

Los primeros desarrollos del radiómetro de microondas se dedicaron a la medición de la radiación de origen extraterrestre en las décadas de 1930 y 1940. La forma más común de radiómetro de microondas fue introducida por Robert Dicke en 1946 en el Laboratorio de Radiación del Instituto de Tecnología de Massachusetts para determinar mejor la temperatura de la radiación de fondo de microondas. Este primer radiómetro trabajó a una longitud de onda de 1,25 cm y fue operado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts. Dicke también descubrió por primera vez la absorción débil de microondas atmosféricas utilizando tres radiómetros diferentes (en longitudes de onda de 1,0, 1,25 y 1,5 cm).

Poco después de que los satélites se usaran por primera vez para observar la atmósfera, los radiómetros de microondas se convirtieron en parte de su instrumentación. En 1962, la NASA lanzó la misión Mariner-2 para investigar la superficie de Venus, incluido un radiómetro para observaciones de temperatura y vapor de agua. En los años siguientes se probaron en satélites una amplia variedad de radiómetros de microondas. El lanzamiento del Radiómetro de Microondas Multicanal de Barrido en 1978 se convirtió en un hito importante en la historia de la radiometría. Fue la primera vez que se utilizó un radiómetro de barrido cónico en el espacio; fue lanzado al espacio a bordo del satélite Nimbus de la NASA. El lanzamiento de esta misión brindó la oportunidad de obtener imágenes de la Tierra en un ángulo de incidencia constante que es importante ya que la emisividad de la superficie depende del ángulo. A principios de 1980, se desarrollaron nuevos instrumentos radiométricos de doble polarización y multifrecuencia. Se lanzaron dos naves espaciales que portaban instrumentos de este tipo: Nimbus-7 y Seasat. Los resultados de la misión Nimbus-7 permitieron monitorear globalmente el estado de la superficie del océano, así como la superficie cubierta por nieve y glaciares. Hoy en día, los instrumentos de microondas como la Unidad de Sondeo de Microondas Avanzada (AMSU) y el Sensor Especial de Microondas Imager/Sonda (SSMIS) se utilizan ampliamente en diferentes satélites.

Los radiómetros terrestres para la determinación de perfiles de temperatura se exploraron por primera vez en la década de 1960 y desde entonces han mejorado en términos de reducción de ruido y la capacidad de funcionar sin supervisión las 24 horas del día, los 7 días de la semana dentro de redes de observación mundiales. Se encuentran disponibles artículos de revisión y un manual detallado en línea.

espectro de microondas: Las líneas negras muestran el espectro simulado para un receptor terrestre; las líneas de colores son el espectro obtenido de un instrumento satélite sobre la medición del océano en la polarización lineal horizontal (azul) y vertical (rojo). Las líneas sólidas indican simulaciones para condiciones claras (sin ruido), las líneas punteadas muestran un caso claro con una sola nube líquida de capa. Las líneas verticales indican frecuencias típicas utilizadas por sensores de satélite como el radiometro AMSU.

Principio de funcionamiento

Sólidos, líquidos (p. ej., la superficie de la Tierra, el océano, el hielo marino, la nieve, la vegetación), pero también los gases, emiten y absorben radiación de microondas. Tradicionalmente, la cantidad de radiación que recibe un radiómetro de microondas se expresa como la temperatura equivalente del cuerpo negro, también llamada temperatura de brillo. En el rango de microondas, varios gases atmosféricos exhiben líneas de rotación. Proporcionan características de absorción específicas que se muestran en la figura de la derecha que permiten derivar información sobre su abundancia y estructura vertical. Ejemplos de tales características de absorción son el complejo de absorción de oxígeno (causado por transiciones de dipolo magnético) alrededor de 60 GHz que se usa para derivar perfiles de temperatura o la línea de absorción de vapor de agua alrededor de 22,235 GHz (transición rotacional de dipolo) que se usa para observar el perfil vertical de humedad. Otras líneas de absorción significativas se encuentran en 118,75 GHz (absorción de oxígeno) y en 183,31 GHz (absorción de vapor de agua, que se utiliza para la elaboración de perfiles de vapor de agua en condiciones secas o de satélites). Las características de absorción débil debido al ozono también se utilizan para la densidad del ozono estratosférico y el perfil de temperatura.

Además de las distintas características de absorción de las líneas de transición molecular, también hay contribuciones no resonantes de hidrometeoros (gotas líquidas y partículas congeladas). La emisión de agua líquida aumenta con la frecuencia, por lo tanto, la medición en dos frecuencias, normalmente una cerca de la línea de absorción de agua (22,235 GHz) y otra en la región de la ventana cercana (normalmente 31 GHz) dominada por la absorción de líquido proporciona información sobre la cantidad de columna de vapor de agua y la cantidad columnar de agua líquida por separado (radiómetro de dos canales). El llamado „continuo de vapor de agua" surge de la contribución de líneas de vapor de agua lejanas.

Las gotas de lluvia más grandes, así como los hidrometeoros congelados más grandes (nieve, granizo, granizo), también dispersan la radiación de microondas, especialmente en frecuencias más altas (>90 GHz). Estos efectos de dispersión se pueden utilizar para distinguir entre el contenido de agua de la lluvia y de las nubes aprovechando las mediciones polarizadas, pero también para limitar la cantidad de partículas de nieve y hielo en forma de columna desde el espacio y desde el suelo.

Diseño

Un radiómetro de microondas consta de un sistema de antena, componentes de radiofrecuencia de microondas (front-end) y un back-end para el procesamiento de señales en frecuencias intermedias. La señal atmosférica es muy débil y la señal necesita ser amplificada alrededor de 80 dB. Por lo tanto, las técnicas heterodinas se usan a menudo para convertir la señal a frecuencias más bajas que permiten el uso de amplificadores comerciales y procesamiento de señales. Los amplificadores de ruido cada vez más bajo están disponibles a frecuencias más altas, es decir, hasta 100 GHz, lo que hace que las técnicas heterodinas sean obsoletas. La estabilización térmica es muy importante para evitar desviaciones del receptor.

Por lo general, los radiómetros terrestres también están equipados con sensores ambientales (lluvia, temperatura, humedad) y receptores GPS (referencia de tiempo y ubicación). La antena misma a menudo mide a través de una ventana hecha de espuma que es transparente en el espectro de microondas para mantener la antena limpia de polvo, agua líquida y hielo. A menudo, también se adjunta al radiómetro un sistema de ventilador calentado que ayuda a mantener la ventana libre de gotas de líquido o rocío (fuertes emisores en el MW), pero también libre de hielo y nieve.

Diagrama esquemático de un radiometro de microondas utilizando el principio heterodina.

Como se ve en la figura anterior, después de recibir la señal de radiofrecuencia en la antena, se convierte a la frecuencia intermedia con la ayuda de una señal de oscilador local estable. Después de la amplificación con un amplificador de bajo ruido y el filtrado de paso de banda, la señal se puede detectar en modo de máxima potencia, dividiéndola o dividiéndola en múltiples bandas de frecuencia con un espectrómetro. Para calibraciones de alta frecuencia se usa aquí un interruptor Dicke.

Calibración de radiometralladoras realizada por empleados del Centro de Investigación de R plagaD en Optoelectrónica, Magurele (Rumania).

Calibración

La calibración del radiómetro de microondas establece la base para medir con precisión las temperaturas de brillo y, por lo tanto, para obtener parámetros atmosféricos precisos como perfiles de temperatura, vapor de agua integrado y trayectoria de agua líquida. La versión más simple de una calibración es la llamada "caliente-frío" Calibración utilizando dos cuerpos negros de referencia en condiciones "calientes" conocidas, pero diferentes. y "frío" temperaturas, es decir, asumiendo una relación lineal entre la potencia de entrada y el voltaje de salida del detector. Conociendo las temperaturas físicas de las referencias, se pueden calcular sus temperaturas de brillo y relacionarlas directamente con los voltajes detectados por el radiómetro, por lo tanto, se puede obtener la relación lineal entre las temperaturas de brillo y los voltajes.

Las temperaturas de los objetivos de calibración deben elegirse de modo que abarquen todo el rango de medición. Los radiómetros terrestres suelen utilizar un objetivo de temperatura ambiente como "caliente" referencia. Como objetivo frío, se puede utilizar un cuerpo negro enfriado con nitrógeno líquido (77 K) o un TB de cielo despejado cenital que se obtuvo indirectamente de la teoría de la transferencia radiativa. Los satélites usan un objetivo calentado como "caliente" referencia y la radiación cósmica de fondo como "fría" referencia. Para aumentar la precisión y la estabilidad de las calibraciones MWR, se pueden utilizar otros objetivos de calibración, como fuentes de ruido internas o interruptores Dicke.

Series temporales del 14 de abril de 2015 para (a) temperaturas de brillo medida a 7 frecuencias diferentes en las bandas K (derecha) y V (izquierda), (b) recuperadas verticalmente Vapor de Agua Integrada (IWV) y Cloud Liquid Water Path (LWP), (c) perfiles de temperatura de 0 a 5 km, d) perfiles de humedad absoluta de 0 a 5 km.

Recuperación de perfiles de temperatura y vapor de agua

La recuperación de cantidades físicas mediante radiometría de microondas (p. ej., perfiles de temperatura o vapor de agua) no es sencilla y se han desarrollado algoritmos de recuperación completos (utilizando técnicas de inversión como el enfoque de estimación óptima).

Los perfiles de temperatura se obtienen midiendo a lo largo del complejo de absorción de oxígeno a 60 GHz. La emisión a cualquier altitud es proporcional a la temperatura y densidad del oxígeno. Como el oxígeno se distribuye homogéneamente dentro de la atmósfera y alrededor del globo, las señales de temperatura de brillo se pueden usar para derivar el perfil de temperatura. Las señales en el centro del complejo de absorción están dominadas por la atmósfera más cercana al radiómetro (cuando está basado en tierra). Moviéndose hacia la región de la ventana, la señal es una superposición de regiones cercanas y lejanas de la atmósfera. La combinación de varios canales contiene, por tanto, información sobre la distribución vertical de la temperatura. Se utiliza un enfoque similar para derivar perfiles verticales de vapor de agua utilizando su línea de absorción a 22,235 GHz.

Instrumentación satelital

Los instrumentos de microondas vuelan en varios satélites de órbita polar para la observación de la Tierra y la meteorología operativa, así como también como parte de misiones extraterrestres.

Se distingue entre instrumentos de imagen que se utilizan con exploración cónica para la detección remota de la superficie de la Tierra, p. AMSR, SSMI, WINDSAT, e instrumentos de sonido que se operan en modo de pista cruzada, p. AMSU/MHS. El primer tipo usa frecuencias más bajas (1-100 GHz) en ventanas atmosféricas para observar la salinidad de la superficie del mar, la humedad del suelo, la temperatura de la superficie del mar, la velocidad del viento sobre el océano, la precipitación y la nieve. El segundo tipo se utiliza para medir a lo largo de las líneas de absorción para recuperar el perfil de temperatura y humedad. Además, las sondas de extremidades, por ejemplo, MLS, se utilizan para recuperar perfiles de gases traza en la atmósfera superior.

Otros ejemplos de radiómetros de microondas en satélites meteorológicos incluyen el generador de imágenes/microondas con sensor especial, el radiómetro de microondas multicanal de barrido, WindSat, la unidad de sondeo de microondas y la sonda de humedad de microondas. El radiómetro de imágenes por microondas con síntesis de apertura es un interferómetro/radiómetro de imágenes capaz de determinar la humedad y la salinidad del suelo en pequeñas regiones de la superficie.

Instrumentos de la sonda espacial

Para la década de 2010, cuatro radiómetros de microondas habían volado en naves espaciales interplanetarias. El primero fue Mariner 2, que usó un instrumento de microondas para determinar que la alta temperatura de la superficie de Venus provenía de la superficie, no más arriba en la atmósfera. También hay/hubo radiómetros en la sonda Juno Júpiter, la sonda del cometa Rosetta y Cassini-Huygens.

La sonda Juno, lanzada en 2011, está caracterizando la atmósfera de Júpiter utilizando un conjunto de radiómetros de microondas. El instrumento Radiómetro de microondas (MWR) en Juno tiene varias antenas que observan en varias longitudes de onda de microondas diferentes para penetrar la capa superior de nubes del planeta y detectar características, temperaturas y abundancias químicas allí.

Redes terrestres

MWRnet es una red establecida en 2009 de científicos que trabajan con radiómetros de microondas terrestres. MWRnet tiene como objetivo facilitar el intercambio de información en la comunidad de usuarios de MWR fomentando la participación en proyectos internacionales coordinados. A la larga, la misión de MWRnet apunta a establecer software operativo, procedimientos de control de calidad, formatos de datos, etc. similares a otras redes exitosas como EARLINET, AERONET, CWINDE.