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sondeo atmosférico

El sondeo atmosférico o perfilado atmosférico es una medida de la distribución vertical de las propiedades físicas de la columna atmosférica , como la presión , la temperatura , la velocidad y dirección del viento (derivando así la cizalladura del viento ), el contenido de agua líquida, la concentración de ozono , la contaminación y otras propiedades. Estas mediciones se realizan de diversas formas, incluida la teledetección y las observaciones in situ .

El sondeo in situ más común es una radiosonda , que suele ser un globo meteorológico , pero también puede ser un cohete sonda .

Los sondeos de teledetección generalmente utilizan radiómetros infrarrojos pasivos y microondas :

Métodos directos

Los sensores que miden los componentes atmosféricos directamente, como termómetros, barómetros y sensores de humedad, pueden enviarse a lo alto en globos, cohetes o sondas de descenso . También pueden transportarse en los cascos exteriores de barcos y aviones o incluso montarse en torres. En este caso, lo único que se necesita para capturar las medidas son dispositivos de almacenamiento y/o transpondedores .

Métodos indirectos

El caso más complicado son los sensores, principalmente montados en satélites, como radiómetros , sensores ópticos, radares , lidar y ceilómetros , así como sodar , ya que no pueden medir directamente la cantidad de interés, como temperatura, presión, humedad, etc. Al comprender los procesos de emisión y absorción, podemos descubrir qué mira el instrumento entre las capas de la atmósfera. Si bien este tipo de instrumento también puede operarse desde estaciones terrestres o vehículos (también se pueden usar métodos ópticos dentro de instrumentos in situ), los instrumentos satelitales son particularmente importantes debido a su cobertura extensa y regular. Los instrumentos AMSU instalados en tres satélites NOAA y dos EUMETSAT , por ejemplo, pueden tomar muestras de todo el planeta con una resolución superior a un grado en menos de un día.

Podemos distinguir entre dos grandes clases de sensores: activos , como los radares , que tienen su propia fuente, y pasivos que sólo detectan lo que ya está allí. Puede haber una variedad de fuentes para un instrumento pasivo, incluida la radiación dispersa, la luz emitida directamente por el sol, la luna o las estrellas (ambas más apropiadas en el rango visual o ultravioleta), así como la luz emitida por objetos cálidos, que es más apropiada. Apropiado en microondas e infrarrojos.

Ver geometría

Una sonda de extremidad observa el borde de la atmósfera donde es visible sobre la Tierra. Lo hace de dos maneras: o sigue el sol, la luna, una estrella u otro satélite transmisor a través del limbo cuando la fuente queda oculta detrás de la Tierra, o mira hacia el espacio vacío, recogiendo la radiación que se dispersa desde uno de los lados. de estas fuentes. Por el contrario, una sonda nadir mira hacia abajo (al nadir ) a través de la atmósfera hacia la superficie. El instrumento SCIAMACHY opera en estos tres modos. Una sonda cenital mira hacia arriba (en el cenit ) desde una ubicación terrestre.

Problema inverso atmosférico

Planteamiento del problema

Lo siguiente se aplica principalmente a sensores pasivos, pero tiene cierta aplicabilidad a sensores activos.

Normalmente, existe un vector de valores de la cantidad a recuperar, llamado vector de estado y un vector de medidas ,. El vector de estado podría ser temperaturas, densidades numéricas de ozono, humedades, etc. El vector de medición suele ser recuentos, radiancias o temperaturas de brillo de un radiómetro o detector similar, pero podría incluir cualquier otra cantidad relacionada con el problema. El modelo directo asigna el vector de estado al vector de medición:

Por lo general, el mapeo, , se conoce a partir de los primeros principios físicos, pero puede que no siempre sea así. En cambio, es posible que sólo se conozca empíricamente , haciendo coincidir las mediciones reales con los estados reales. Los satélites y muchos otros instrumentos de teledetección no miden las propiedades físicas relevantes, es decir, el estado, sino más bien la cantidad de radiación emitida en una dirección particular, a una frecuencia particular. Generalmente es fácil pasar del espacio de estados al espacio de medidas (por ejemplo, con la ley de Beer o la transferencia radiativa ), pero no al revés; por lo tanto, necesitamos algún método para invertir o encontrar el modelo inverso .

Métodos de solución

Si el problema es lineal , podemos usar algún tipo de método de matriz inversa; a menudo el problema está mal planteado o es inestable , por lo que necesitaremos regularizarlo : los métodos buenos y simples incluyen la ecuación normal o la descomposición en valores singulares . Si el problema es débilmente no lineal, puede ser apropiado un método iterativo como el de Newton-Raphson .

A veces, la física es demasiado complicada para modelarla con precisión o el modelo directo es demasiado lento para utilizarlo eficazmente en el método inverso. En este caso, se pueden utilizar métodos estadísticos o de aprendizaje automático , como regresión lineal , redes neuronales , clasificación estadística , estimación del kernel , etc., para formar un modelo inverso basado en una colección de pares ordenados de muestras que asignan el espacio de estados al espacio de medición. , eso es, . Estos pueden generarse a partir de modelos (por ejemplo, vectores de estado a partir de modelos dinámicos y vectores de medición a partir de transferencia radiativa o modelos directos similares) o a partir de mediciones empíricas directas. Otras ocasiones en las que un método estadístico podría ser más apropiado incluyen problemas altamente no lineales .

Lista de métodos

Ver también

Referencias

enlaces externos