CryoSat-2 es una misión de exploración de la Tierra de la Agencia Espacial Europea (ESA) que se lanzó el 8 de abril de 2010. [3] CryoSat-2 está dedicado a medir el espesor del hielo marino polar y monitorear los cambios en las capas de hielo. [4] Su objetivo principal es medir el adelgazamiento del hielo marino del Ártico, pero tiene aplicaciones en otras regiones y propósitos científicos, como la Antártida y la oceanografía. [5]
CryoSat-2 fue construido como reemplazo de CryoSat-1 , que no logró alcanzar la órbita luego de un fallo en el lanzamiento en octubre de 2005. [6] CryoSat-2 fue lanzado exitosamente cinco años después en 2010, con un software actualizado que apuntaba a medir los cambios en el espesor del hielo con una precisión de ~10% de la variación interanual esperada. [7] A diferencia de misiones de altimetría satelital anteriores, CryoSat-2 proporciona una cobertura ártica incomparable, alcanzando 88˚N (las misiones anteriores estaban limitadas a 81,5˚N). [8]
La carga útil principal de la misión es un altímetro de radar interferométrico (SIRAL) con radar de apertura sintética ( SAR ), que mide la elevación de la superficie. [9] Al restar la diferencia entre la altura de la superficie del océano y la altura de la superficie del hielo marino, se puede calcular el francobordo del hielo marino (la porción de hielo que flota sobre la superficie del mar). El francobordo se puede convertir en espesor del hielo marino asumiendo que el hielo marino está flotando en equilibrio hidrostático . [10]
CryoSat-2 forma parte de la misión CryoSat de la ESA en el marco del Programa Planeta Vivo . [11] La nave espacial fue construida por EADS Astrium y lanzada por ISC Kosmotras utilizando un cohete portador Dnepr . El 22 de octubre de 2010, CryoSat-2 fue declarado operativo tras seis meses de pruebas en órbita. [12]
La propuesta inicial para el programa CryoSat se presentó como parte de una convocatoria de propuestas en julio de 1998 para misiones Earth Explorer como parte del programa Living Planet de la Agencia Espacial Europea. [13] [14] Fue seleccionado para estudios adicionales en 1999, y tras la finalización de un estudio de viabilidad, la misión fue autorizada. La fase de construcción comenzó en 2001, y en 2002 EADS Astrium recibió un contrato para construir la nave espacial. También se firmó un contrato con Eurockot , para realizar el lanzamiento del satélite utilizando un cohete portador Rokot / Briz-KM . [13]
La construcción de la nave espacial original se completó en agosto de 2004. Después de las pruebas, la nave espacial fue enviada al cosmódromo de Plesetsk en Rusia durante agosto de 2005 y llegó el 1 de septiembre. [15] El lanzamiento se produjo desde el Sitio 133/3 el 8 de octubre; sin embargo, debido a una orden faltante en el sistema de control de vuelo del cohete, el motor de la segunda etapa no se apagó al final de su combustión planificada, y en su lugar la etapa se quemó hasta agotarse. [16] Esto impidió que la segunda etapa y Briz-KM se separaran y, como resultado, el cohete no logró alcanzar la órbita. La nave espacial se perdió cuando reingresó sobre el océano Ártico , al norte de Groenlandia . [17] [18]
Debido a la importancia de la misión CryoSat para comprender el calentamiento global y la reducción de los casquetes polares, se propuso un satélite de reemplazo. [19] [20] El desarrollo de CryoSat-2 fue autorizado en febrero de 2006, menos de cinco meses después de la falla. [21]
Al igual que su predecesor, CryoSat-2 fue construido por EADS Astrium, y su instrumento principal fue construido por Thales Alenia Space . [22] La construcción y las pruebas del instrumento principal de la nave espacial se completaron en febrero de 2008, cuando se envió para su integración con el resto de la nave espacial. [23] En agosto de 2009, la infraestructura terrestre de la nave espacial, que había sido rediseñada desde la misión original, se declaró lista para su uso. [24] La construcción y las pruebas de la nave espacial se completaron a mediados de septiembre. [25] El gerente de proyecto de la misión CryoSat-2 fue Richard Francis, quien había sido el gerente de sistemas en la misión CryoSat original. [26]
CryoSat-2 es una copia casi idéntica de la nave espacial original, [27] sin embargo se le realizaron modificaciones, incluida la adición de un altímetro de radar de respaldo. [25] En total, se realizaron 85 mejoras a la nave espacial cuando se reconstruyó. [28]
El objetivo de la misión CryoSat es determinar las variaciones del espesor del hielo en las capas de hielo de la Tierra y la cubierta de hielo marino. [29] Su objetivo principal es medir el espesor del hielo marino del Ártico, probando la hipótesis de que el hielo marino del Ártico se está adelgazando debido al cambio climático. [29] Además, la misión tiene como objetivo monitorear los cambios en el espesor del hielo en la Antártida y Groenlandia, para determinar su contribución al aumento del nivel del mar. [29] Los objetivos de la misión se pueden resumir como:
CryoSat logró sus objetivos de misión iniciales luego del lanzamiento de CryoSat-2, y por lo tanto la misión se amplió con nuevos objetivos. [29]
Cuando fue aprobado en febrero de 2006, el lanzamiento del CryoSat-2 estaba previsto para marzo de 2009. [21] Originalmente se había planeado que, al igual que su predecesor, se lanzaría mediante un Rokot, [30] sin embargo, debido a la falta de lanzamientos disponibles, se seleccionó un cohete Dnepr . Se contrató a ISC Kosmotras para realizar el lanzamiento. [31] Debido a los retrasos en misiones anteriores y a problemas de disponibilidad de alcance, el lanzamiento se retrasó hasta febrero de 2010. [32]
El cohete Dnepr asignado para lanzar CryoSat-2 llegó al cosmódromo de Baikonur en tren el 29 de diciembre de 2009. [33] El 12 de enero de 2010, las dos primeras etapas del cohete se cargaron en el contenedor de lanzamiento, y el contenedor se preparó para el transporte al sitio de lanzamiento. [34] El 14 de enero, se trasladó al sitio 109/95 , donde se instaló en su silo . Al día siguiente, se transportó la tercera etapa al silo y se instaló sobre el cohete. [35]
Tras completar su construcción, el CryoSat-2 fue almacenado a la espera de su lanzamiento. [25] En enero de 2010, la nave espacial fue sacada del almacenamiento y enviada a Baikonur para su lanzamiento. Partió del aeropuerto Franz Josef Strauss de Múnich a bordo de un avión Antonov An-124 el 12 de enero, [36] y llegó a Baikonur al día siguiente. [37] [38] Tras su llegada al lugar de lanzamiento, se realizó el ensamblaje final y las pruebas. [39]
Durante las pruebas finales, los ingenieros detectaron que la antena de comunicaciones de banda X de la nave espacial ( bandas H / I / J de la OTAN) estaba transmitiendo solo una pequeña fracción de la potencia que debería. Las imágenes térmicas mostraron que la guía de ondas de la antena, en el interior de la nave espacial, estaba muy caliente. Claramente, ahí era donde se estaba disipando la energía faltante. La guía de ondas normalmente no podía inspeccionarse ni repararse sin un desmontaje importante del satélite, lo que habría requerido un regreso a las instalaciones en Europa y habría provocado un retraso importante en el lanzamiento. Para evitar hacer esto, se trajo a un cirujano local para que inspeccionara el componente con un endoscopio . [40] La cirujana, Tatiana Zykova, [41] descubrió que dos piezas de ferrita estaban alojadas en el tubo y pudo quitarlas ambas. Los ingenieros pudieron ayudar a quitar la segunda con un imán . [40] Se determinó que la ferrita provenía de una carga de absorción instalada en el interior de la antena, que estaba destinada a mejorar su rendimiento. Se retiró parte de ferrita (el resto de esta carga) del interior de la base de la antena para evitar que cayeran más residuos en la guía de ondas. [40]
El 4 de febrero, la nave espacial CryoSat-2 recibió combustible para su lanzamiento. Luego, el 10 de febrero, se adjuntó al adaptador de carga útil y se encapsuló en el carenado de carga útil [ 42] para formar una unidad conocida como Módulo de Cabeza Espacial [39] . Este se transportó a la plataforma de lanzamiento por medio de un vehículo conocido como el cocodrilo y se instaló encima del cohete portador [43] . El lanzamiento se produjo el 15 de febrero y al día siguiente el satélite se activó para probar sus sistemas después de su integración en el cohete [42] .
Cuando la nave espacial se instaló sobre el Dnepr, el lanzamiento estaba programado para el 25 de febrero, a las 13:57 UTC. [44] Antes de esto, se programó una cuenta regresiva de práctica para el 19 de febrero. [43] Varias horas antes de que se programara el inicio de la práctica, ISC Kosmotras anunció que el lanzamiento se había retrasado y, como resultado, la práctica no se llevó a cabo. [42] El retraso se debió a la preocupación de que los motores de maniobra de la segunda etapa no tuvieran una cantidad suficiente de combustible de reserva. [45]
Tras el retraso, el módulo de la cabeza espacial fue retirado del cohete y devuelto a su edificio de integración el 22 de febrero. [42] Mientras estaba en el edificio de integración, se realizaron inspecciones diarias para garantizar que la nave espacial seguía funcionando con normalidad. Una vez resuelto el problema del combustible, el lanzamiento se reprogramó para el 8 de abril y se reanudaron las operaciones de lanzamiento. [46] El 1 de abril, el módulo de la cabeza espacial fue devuelto al silo y reinstalado sobre el Dnepr. Tras las pruebas integradas, la cuenta atrás de práctica se llevó a cabo con éxito el 6 de abril. [47]
El CryoSat-2 fue lanzado a las 13:57:04 UTC del 8 de abril de 2010. [1] Tras un lanzamiento exitoso, [48] el CryoSat-2 se separó de la etapa superior del Dnepr y pasó a una órbita terrestre baja . Las primeras señales del satélite fueron detectadas por una estación terrestre en el Centro Espacial Broglio en Malindi, Kenia , diecisiete minutos después del lanzamiento. [49]
La carga útil principal a bordo del CryoSat-2 es el Altímetro de Radar Interferométrico SAR (SIRAL), que opera en la banda Ku (13,6 GHz). [50] A diferencia del CryoSat original, a bordo del CryoSat-2 se han instalado dos instrumentos SIRAL, uno de los cuales sirve como respaldo en caso de que el otro falle. [25] El instrumento combina un altímetro de radar limitado por pulsos y una segunda antena con apertura sintética y procesamiento de señales interferométricas. [51] SIRAL tiene un ancho de banda de pulsos de 320 MHz. [51] El instrumento opera en tres modos dependiendo del tipo de superficie que se esté midiendo: modo de baja resolución, modo de radar de apertura sintética (SAR) y modo interferométrico SAR (SARIn). [51] El modo de baja resolución se utiliza sobre el interior de las capas de hielo y los océanos, el SAR se utiliza sobre el hielo marino y posibles áreas oceanográficas, y el SARIn se utiliza alrededor de los márgenes de las capas de hielo y los glaciares de montaña. [51]
El modo de baja resolución funciona en un modo convencional, limitado por pulsos; el área de superficie vista por el instrumento está limitada por la longitud del pulso de radar transmitido por el altímetro. [51] Una sola antena transmite y recibe la señal de radar. [8] Este modo garantiza que los ecos de retorno no estén correlacionados. [8]
La huella del modo de baja resolución es de aproximadamente 1,7 km. [8] La frecuencia de repetición de pulso en este modo es de 1,97 kHz. [51]
En el modo SAR, SIRAL emite una ráfaga de 64 pulsos, separados en haces estrechos a lo largo de la trayectoria aprovechando el efecto Doppler . [10] Cada franja tiene un ancho de ~250 m, y el intervalo entre ráfagas significa que cada ubicación terrestre se mide varias veces, lo que mejora la precisión. [51]
La huella SAR es de aproximadamente 0,31 km a lo largo de la trayectoria y 1,67 km a lo ancho de la trayectoria. [52] La frecuencia de repetición de pulsos en este modo es de 18,181 kHz. [51]
En el modo SARIn, las dos antenas se utilizan para tener en cuenta la pendiente de la superficie. [51] Las dos antenas, montadas a 1 m de distancia, reciben el eco casi simultáneamente. [51] Si la señal de retorno regresa desde fuera del nadir , entonces es posible medir el ángulo entre la línea de base y la dirección del eco, estimando así la pendiente de la superficie. [8]
El sistema de integración de radioposicionamiento y órbita Doppler (DORIS) es el segundo instrumento del CryoSat-2 y calcula con precisión la órbita de la nave espacial. [53] También se transporta a bordo de la nave espacial una serie de retrorreflectores que permiten realizar mediciones desde tierra para verificar los datos orbitales proporcionados por DORIS. [53] [54]
Tras el lanzamiento, CryoSat-2 se colocó en una órbita terrestre baja con un perigeo de 720 kilómetros (450 millas), un apogeo de 732 kilómetros (455 millas), 92 grados de inclinación y un período orbital de 99,2 minutos. [55] Tenía una masa en el lanzamiento de 750 kilogramos (1.650 libras), [30] y ha superado su vida útil esperada de tres años. [54]
Las operaciones de lanzamiento y fase de órbita temprana se completaron en la mañana del 11 de abril de 2010, y SIRAL se activó más tarde ese mismo día. [56] A las 14:40 UTC, la nave espacial envió sus primeros datos científicos. [57] Los datos iniciales sobre el espesor del hielo fueron presentados por el investigador principal de la misión, Duncan Wingham , en el Simposio Planeta Vivo de 2010 el 1 de julio. [58] Más tarde ese mismo mes, los datos se pusieron a disposición de los científicos por primera vez. [59] La nave espacial se sometió a seis meses de pruebas y puesta en servicio en órbita, que concluyeron con una revisión el 22 de octubre de 2010 que encontró que la nave espacial estaba operando como se esperaba y que estaba lista para comenzar las operaciones. [60]
La fase de explotación de la misión comenzó el 26 de octubre de 2010 bajo la responsabilidad de Tommaso Parrinello, quien actualmente es el Director de la Misión.
CryoSat logró con éxito sus objetivos de misión tras el lanzamiento de CryoSat-2. [61]
El Centro de Observación y Modelado Polar , el Instituto Alfred Wegener ( Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research ) y el Laboratorio de Propulsión a Chorro y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA han realizado estimaciones del espesor del hielo marino . [10] [62] [52] [63] Los datos del espesor del hielo marino del Ártico están disponibles para ver y descargar desde el Centro de Observación y Modelado Polar. [64]
Se ha trabajado para ampliar el registro del espesor del hielo marino para incluir el verano (mayo-septiembre). Debido a la presencia de charcas de deshielo en el hielo marino del Ártico durante el verano, ha sido un desafío distinguir los retornos de forma de onda en el hielo marino y el agua del mar. [8] En 2022, se generó un registro del hielo marino del verano del Ártico utilizando una red neuronal, pero se reconoció que se debe realizar más trabajo para resolver las fuentes de incertidumbre en las estimaciones. [65]
Los datos de CryoSat-2 han mostrado 25.000 montes submarinos y se descubrirán más a medida que se interpreten los datos. [66] [67] [68] [69]
Desde el principio del programa CryoSat quedó claro que se necesitaría una serie extensa de mediciones, tanto para entender la interacción de las ondas de radar con la superficie de los casquetes polares como para relacionar el francobordo medido del hielo marino flotante con su espesor. Esto último, en particular, tendría que tener en cuenta la carga de nieve. Para el hielo marino, que se mueve cuando es arrastrado por el viento, también fue necesario desarrollar técnicas que pudieran dar resultados consistentes cuando se midieran desde plataformas que se desplazaran a diferentes velocidades (científicos en la superficie, sondas remolcadas por helicópteros, radares a bordo de aeronaves y el propio CryoSat). Se llevaron a cabo varias campañas en el marco de un programa llamado CRYOVEX [28] que tenía como objetivo abordar cada una de las áreas de incertidumbre identificadas. Estas campañas continuaron durante el desarrollo del CryoSat original y estaba previsto que continuaran después de su lanzamiento.
Tras el anuncio de la construcción del CryoSat-2, se amplió el programa CRYOVEX. Se llevaron a cabo experimentos en la Antártida para determinar cómo la nieve podía afectar a sus lecturas y para proporcionar datos para calibrar el satélite. [70] En enero de 2007, la Agencia Espacial Europea publicó una solicitud de propuestas para más experimentos de calibración y validación. [71] Se llevaron a cabo más experimentos CryoVEx en Svalbard en 2007, [72] seguidos de una expedición final a Groenlandia y al manto glaciar de Devon en 2008. [73] La expedición Arctic Arc y el instrumento ASIRAS (Airborne Synthetic Aperture and Interferometric Radar Altimeter System) del Instituto Alfred Wegener , montado a bordo de un avión Dornier 228 , proporcionaron mediciones adicionales de nieve . [72]
