Un dispersómetro o difusómetro es un instrumento científico que mide el retorno de un haz de luz u ondas de radar dispersas por difusión en un medio como el aire. Los difusómetros que utilizan luz visible se encuentran en aeropuertos o a lo largo de las carreteras para medir la visibilidad horizontal . Los dispersómetros de radar utilizan radio o microondas para determinar la sección transversal de radar normalizada (σ 0 , "sigma cero" o "sigma cero") de una superficie. A menudo se montan en satélites meteorológicos para encontrar la velocidad y dirección del viento, y se utilizan en las industrias para analizar la rugosidad de las superficies.
Los difumetros ópticos son aparatos que se utilizan en meteorología para determinar el alcance óptico o la visibilidad horizontal. Consisten en una fuente de luz, normalmente un láser , y un receptor. Ambos se colocan en un ángulo de 35° hacia abajo, apuntando a un área común. La dispersión lateral por el aire a lo largo del haz de luz se cuantifica como coeficiente de atenuación . Cualquier desviación del coeficiente de extinción en aire despejado (por ejemplo, en la niebla) se mide y es inversamente proporcional a la visibilidad (cuanto mayor es la pérdida, menor es la visibilidad).
Estos dispositivos se encuentran en estaciones meteorológicas automáticas para visibilidad general, a lo largo de pistas de aeropuertos para alcance visual en pista o a lo largo de carreteras para condiciones visuales. Su principal inconveniente es que la medición se realiza sobre el muy pequeño volumen de aire entre el transmisor y el receptor. Por lo tanto, la visibilidad reportada solo es representativa de las condiciones generales alrededor del instrumento en condiciones generalizadas ( niebla sinóptica , por ejemplo). Este no es siempre el caso (por ejemplo, niebla irregular).
Un dispersómetro de radar funciona transmitiendo un pulso de energía de microondas hacia la superficie de la Tierra y midiendo la energía reflejada. Se realiza una medición separada de la potencia de solo ruido y se resta de la medición de señal + ruido para determinar la potencia de la señal de retrodispersión . Sigma-0 (σ⁰) se calcula a partir de la medición de la potencia de la señal utilizando la ecuación de radar de objetivo distribuido. Los instrumentos de dispersómetro están calibrados con mucha precisión para realizar mediciones precisas de retrodispersión.
La principal aplicación de la dispersometría espacial ha sido la medición de vientos cercanos a la superficie sobre el océano . [1] Estos instrumentos se conocen como dispersómetros de viento. Al combinar mediciones sigma-0 desde diferentes ángulos de acimut , el vector de viento cercano a la superficie sobre la superficie del océano se puede determinar utilizando una función de modelo geofísico (GMF) que relaciona el viento y la retrodispersión. Sobre el océano, la retrodispersión del radar resulta de la dispersión de las ondas de gravedad capilar generadas por el viento, que generalmente están en equilibrio con el viento cercano a la superficie sobre el océano. El mecanismo de dispersión se conoce como dispersión de Bragg , que se produce a partir de las ondas que están en resonancia con las microondas.
La potencia retrodispersada depende de la velocidad y la dirección del viento. Vista desde diferentes ángulos de acimut, la retrodispersión observada de estas olas varía. Estas variaciones se pueden aprovechar para estimar el viento en la superficie del mar, es decir, su velocidad y dirección. Este proceso de estimación a veces se denomina " recuperación del viento" o " inversión de la función del modelo" . Se trata de un procedimiento de inversión no lineal basado en un conocimiento preciso de la GMF (en forma empírica o semiempírica) que relaciona la retrodispersión del dispersómetro y el vector del viento. La recuperación requiere mediciones de diversidad angular del dispersómetro con la GMF, que se proporciona mediante el dispersómetro al realizar varias mediciones de retrodispersión del mismo punto en la superficie del océano desde diferentes ángulos de acimut.
Las mediciones del viento con dispersómetro se utilizan para la interacción aire-mar, estudios climáticos y son particularmente útiles para monitorear huracanes . [2] Los datos de retrodispersión del dispersómetro se aplican al estudio de la vegetación , la humedad del suelo , el hielo polar , el seguimiento de los icebergs antárticos [3] y el cambio global . [4] Las mediciones con dispersómetro se han utilizado para medir los vientos sobre dunas de arena y nieve desde el espacio. Las aplicaciones no terrestres incluyen el estudio de las lunas del Sistema Solar utilizando sondas espaciales. Este es especialmente el caso de la misión Cassini de la NASA/ESA a Saturno y sus lunas.
La NASA , la ESA y la NASDA han lanzado al espacio varias generaciones de dispersómetros de viento . El primer dispersómetro de viento operativo se conocía como Seasat Scatterometer (SASS) y se lanzó en 1978. [5] Era un sistema de haz en abanico que operaba en banda Ku (14 GHz). En 1991, la ESA lanzó el dispersómetro del instrumento avanzado de microondas (AMI) del satélite de teledetección europeo ERS-1, [6] seguido por el dispersómetro AMI ERS-2 en 1995. Ambos sistemas de haz en abanico AMI operaban en banda C (5,6 GHz). En 1996, la NASA lanzó el dispersómetro de la NASA (NSCAT), a bordo del satélite NASDA ADEOS I , [1] un sistema de haz en abanico en banda Ku. [7] La NASA lanzó el primer dispersómetro de barrido, conocido como SeaWinds , en QuikSCAT en 1999. Operaba en banda Ku. Un segundo instrumento SeaWinds voló en el NASDA ADEOS-2 en 2002. La Organización de Investigación Espacial de la India lanzó un dispersómetro de banda Ku en su plataforma Oceansat-2 en 2009. La ESA y EUMETSAT lanzaron el primer ASCAT de banda C en 2006 a bordo del Metop -A. [8] El Sistema Global de Navegación por Satélite Cyclone (CYGNSS), lanzado en 2016, es una constelación de ocho satélites pequeños que utilizan un enfoque biestático al analizar el reflejo de la superficie de la Tierra de las señales del Sistema de Posicionamiento Global (GPS), en lugar de utilizar un transmisor de radar a bordo.
Los dispersómetros ayudaron a demostrar la hipótesis, que data de mediados del siglo XIX, de la dispersión anisotrópica (dependiente de la dirección) a larga distancia por el viento para explicar las fuertes afinidades florísticas entre masas terrestres.
Un trabajo, publicado por la revista Science en mayo de 2004 con el título "El viento como vehículo de dispersión a larga distancia en el hemisferio sur", utilizó mediciones diarias del acimut y la velocidad del viento tomadas por el dispersómetro SeaWinds entre 1999 y 2003. Encontraron una correlación más fuerte de las similitudes florísticas con la conectividad del viento que con las proximidades geográficas, lo que apoya la idea de que el viento es un vehículo de dispersión para muchos organismos en el hemisferio sur.
Los dispersómetros se utilizan ampliamente en metrología para medir la rugosidad de superficies pulidas y lapeadas en las industrias de semiconductores y mecanizado de precisión. [9] Proporcionan una alternativa rápida y sin contacto a los métodos tradicionales de palpador para la evaluación topográfica. [10] [11] Los dispersómetros son compatibles con entornos de vacío, no son sensibles a la vibración y se pueden integrar fácilmente con el procesamiento de superficies y otras herramientas de metrología. [12] [13]
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Ejemplos de uso en satélites de observación de la Tierra o instrumentos instalados y fechas de funcionamiento: [14]