Un radiómetro de microondas (MWR) es un radiómetro que mide la energía emitida en longitudes de onda de un milímetro a 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 . Generalmente están equipados con múltiples canales receptores para obtener 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, incluida la teledetección , la predicción meteorológica , la vigilancia del clima, la radioastronomía y los estudios de propagación de radio .
El uso del 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 componentes como gases secos, vapor de agua o hidrometeoros interactúan con la radiación de microondas, pero en general ni siquiera la atmósfera nublada es completamente opaca en este rango de frecuencia. [1]
Para la vigilancia del tiempo y el clima se utilizan radiómetros de microondas tanto desde el espacio como desde la Tierra. [1] [2] Como instrumentos de detección remota , están diseñados para funcionar de forma continua y autónoma, a menudo en combinación con otros sensores remotos atmosféricos como, por ejemplo, radares de nubes y lidars . Permiten derivar cantidades meteorológicas importantes, como perfiles verticales de temperatura y humedad , cantidad de vapor de agua en columnas y trayectoria de agua líquida en columnas con una alta resolución temporal del orden de minutos a segundos en casi todas las condiciones climáticas . [3] Los radiómetros de microondas también se utilizan para la detección remota de las superficies terrestres y oceánicas de la Tierra, para obtener la temperatura del océano y la velocidad del viento, las características del hielo y las propiedades del suelo y la vegetación. [1] [2]
Los primeros desarrollos del radiómetro de microondas se dedicaron a la medición de 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 Tecnológico de Massachusetts para determinar mejor la temperatura de la radiación de fondo de microondas. Este primer radiómetro funcionó con una longitud de onda de 1,25 cm y fue operado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts. Dicke también descubrió por primera vez la débil absorción de microondas atmosféricas utilizando tres radiómetros diferentes (en longitudes de onda de 1,0, 1,25 y 1,5 cm). [4]
Poco después de que se utilizaran por primera vez los satélites para observar la atmósfera, los radiómetros de microondas pasaron a formar 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 vapor de agua y temperatura . 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 en el espacio un radiómetro de barrido cónico; fue lanzado al espacio a bordo del satélite Nimbus de la NASA . [5] El lanzamiento de esta misión brindó la oportunidad de obtener imágenes de la Tierra en un ángulo de incidencia constante, lo cual es importante ya que la emisividad de la superficie depende del ángulo. A principios de 1980 se desarrollaron nuevos instrumentos radiométricos multifrecuencia y de doble polarización. 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 Avanzada de Sondeo por Microondas (AMSU) y el Sensor Especial de Imagen/Sonda por Microondas (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 las redes de observación mundiales. [6] Están disponibles artículos de revisión, [7] [8] y un manual detallado en línea [9] .
Los sólidos, los líquidos (p. ej. la superficie terrestre, los océanos, 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 las microondas, varios gases atmosféricos presentan líneas de rotación. Proporcionan características de absorción específicas que se muestran en la figura de la derecha y que permiten obtener información sobre su abundancia y estructura vertical. Ejemplos de tales características de absorción son el complejo de absorción de oxígeno (causado por transiciones dipolares magnéticas ) 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 dipolar) que se usa para observar el perfil vertical de humedad . Otras líneas de absorción importantes se encuentran en 118,75 GHz (absorción de oxígeno) y en 183,31 GHz (absorción de vapor de agua, utilizada para perfilar el vapor de agua en condiciones secas o desde satélites). Las características de absorción débil debidas al ozono también se utilizan para perfilar la densidad y la temperatura del ozono estratosférico.
Además de las distintas características de absorción de las líneas de transición molecular, también existen contribuciones no resonantes de hidrometeoros (gotas de líquido y partículas congeladas). La emisión de agua líquida aumenta con la frecuencia, por lo tanto, medir en dos frecuencias, típicamente una cerca de la línea de absorción de agua (22,235 GHz) y otra en la región de la ventana cercana (típicamente 31 GHz) dominada por la absorción de líquido, proporciona información tanto sobre la cantidad en 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 aportación de líneas lejanas de vapor de agua.
Las gotas de lluvia más grandes, así como los hidrometeoros congelados de mayor tamaño (nieve, graupel, granizo) también dispersan la radiación de microondas, especialmente en frecuencias más altas (>90 GHz). Estos efectos de dispersión se pueden utilizar para distinguir entre la lluvia y el contenido de agua de las nubes aprovechando mediciones polarizadas [10] , pero también para limitar la cantidad de columnas de partículas de nieve y hielo del espacio [11] y del suelo. [12]
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.
El elemento clave es el interruptor Dicke, que alterna alternativamente entre la antena y una carga criogénica a una temperatura conocida. Un cálculo a partir del cambio en el nivel de ruido da la temperatura del cielo.
La señal atmosférica es muy débil y es necesario amplificarla unos 80 dB. Por lo tanto, las técnicas heterodinas se utilizan a menudo para convertir la señal a frecuencias más bajas que permiten el uso de amplificadores comerciales y el procesamiento de señales. Cada vez hay más amplificadores de bajo ruido disponibles en frecuencias más altas, es decir, hasta 100 GHz, lo que hace que las técnicas heterodinas queden 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 propia antena suele medir 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 ventilación 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 .
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 potencia máxima, dividiéndola o dividiéndola en múltiples bandas de frecuencia con un espectrómetro. Para calibraciones de alta frecuencia se utiliza aquí un interruptor Dicke.
La calibración del radiómetro de microondas sienta las bases 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 del agua líquida. La versión más simple de una calibración es la llamada calibración "frío-caliente" que utiliza dos cuerpos negros de referencia a temperaturas "caliente" y "fría" conocidas, pero diferentes, 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 del 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 manera que abarquen todo el rango de medición. Los radiómetros terrestres suelen utilizar un objetivo de temperatura ambiente como referencia "caliente". 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. [8] Los satélites utilizan un objetivo calentado como referencia "caliente" y la radiación cósmica de fondo como referencia "fría". Para aumentar la precisión y estabilidad de las calibraciones MWR, se pueden utilizar otros objetivos de calibración, como fuentes de ruido interno o interruptores Dicke.
La recuperación de cantidades físicas mediante radiometría de microondas (por ejemplo, perfiles de temperatura o vapor de agua ) no es sencilla y se han desarrollado algoritmos de recuperación integrales (que utilizan 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 en la atmósfera y alrededor del mundo, las señales de temperatura de brillo se pueden utilizar 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 en tierra). Al entrar en la región de la ventana, la señal es una superposición de regiones cercanas y lejanas de la atmósfera. Por tanto, la combinación de varios canales contiene 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.
Se utilizan instrumentos de microondas en varios satélites en órbita polar para la observación de la Tierra y la meteorología operativa , así como como parte de misiones extraterrestres.
Se distingue entre instrumentos de imagen que se utilizan con escaneo cónico para la detección remota de la superficie de la Tierra , por ejemplo, AMSR , SSMI , WINDSAT , e instrumentos de sondeo que funcionan en modo transversal, por ejemplo, AMSU / MHS . El primer tipo utiliza 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, las precipitaciones y la nieve. El segundo tipo se utiliza para medir a lo largo de líneas de absorción para recuperar el perfil de temperatura y humedad. Además, para detectar perfiles de gases traza en la atmósfera superior se utilizan sondas de extremidad , como por ejemplo la MLS .
Otros ejemplos de radiómetros de microondas en satélites meteorológicos incluyen el sensor especial de microondas/generador de imágenes , el radiómetro de microondas multicanal de barrido , el WindSat , la unidad de sondeo por microondas y la sonda de humedad por microondas . El radiómetro de imágenes por microondas con síntesis de apertura es un interferómetro/radiómetro de imágenes capaz de resolver la humedad y la salinidad del suelo en pequeñas regiones de la superficie.
En la década de 2010, cuatro radiómetros de microondas volaron en naves espaciales interplanetarias. [13] El primero fue el Mariner 2 , que utilizó un instrumento de microondas para determinar que la alta temperatura de la superficie de Venus provenía de la superficie y no de más arriba en la atmósfera. [14] [13] También hay/había radiómetros en la sonda Juno sobre Júpiter, la sonda del cometa Rosetta y Cassini-Huygens . [13] [15]
La sonda Juno, lanzada en 2011, caracteriza la atmósfera de Júpiter utilizando un conjunto de radiómetros de microondas. [8] El instrumento Radiómetro de Microondas (MWR) de 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. [15]
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 largo plazo, 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.
