La concentración de hielo marino es una variable útil para los científicos del clima y los navegantes náuticos . Se define como el área de hielo marino en relación con el total en un punto determinado del océano . Este artículo se ocupará principalmente de su determinación a partir de mediciones de teledetección .
La concentración de hielo marino ayuda a determinar una serie de otras variables climáticas importantes. Dado que el albedo del hielo es mucho mayor que el del agua, la concentración de hielo regulará la insolación en los océanos polares. Cuando se combina con el espesor del hielo , determina varios otros flujos importantes entre el aire y el mar, como los flujos de sal y agua dulce entre los océanos polares (véase, por ejemplo, el agua del fondo ), así como la transferencia de calor entre la atmósfera. Los mapas de concentración de hielo marino se pueden utilizar para determinar el área de hielo marino y la extensión del hielo marino , que son marcadores importantes del cambio climático .
Los navegantes también utilizan los mapas de concentración de hielo para determinar regiones potencialmente transitables (véase rompehielos ) .
Las mediciones realizadas desde barcos y aviones se basan simplemente en el cálculo del área relativa de hielo y agua visible en la escena. Esto se puede hacer utilizando fotografías o a simple vista. Las mediciones in situ se utilizan para validar las mediciones de teledetección.
Tanto los radares de apertura sintética como los sensores visibles (como Landsat ) suelen tener una resolución lo suficientemente alta como para que cada píxel se clasifique simplemente como un tipo de superficie distinto, es decir, agua o hielo. La concentración se puede determinar contando la cantidad de píxeles de hielo en un área determinada, lo que resulta útil para validar las estimaciones de concentración de instrumentos de menor resolución, como los radiómetros de microondas. Dado que las imágenes SAR normalmente son monocromas y la retrodispersión del hielo puede variar considerablemente, la clasificación se realiza normalmente en función de la textura utilizando grupos de píxeles (consulte reconocimiento de patrones ) .
Los sensores visibles tienen la desventaja de ser bastante sensibles a las condiciones meteorológicas (las nubes oscurecen las imágenes), mientras que los sensores SAR, especialmente en los modos de mayor resolución, tienen una cobertura limitada y deben apuntar. Por eso, la herramienta elegida para determinar la concentración de hielo suele ser un sensor de microondas pasivo. [1] [2]
Todos los cuerpos cálidos emiten radiación electromagnética: véase radiación térmica . Dado que los distintos objetos emiten de forma diferente a distintas frecuencias, a menudo podemos determinar qué tipo de objeto estamos observando en función de la radiación que emite (véase espectroscopia) . Este principio subyace a todos los sensores de microondas pasivos y a la mayoría de los sensores infrarrojos pasivos. El término pasivo se utiliza en el sentido de que el sensor solo mide la radiación que han emitido otros objetos, pero no emite ninguna propia. (Un sensor SAR, por el contrario, es activo ). Los radiómetros SSMR y SSMI volaron en el programa Nimbus y en la serie de satélites DMSP .
Como las nubes son translúcidas en el régimen de microondas, especialmente a frecuencias más bajas, los radiómetros de microondas son bastante insensibles a las condiciones meteorológicas. Como la mayoría de los radiómetros de microondas operan a lo largo de una órbita polar con un barrido amplio y de gran alcance, por lo general se pueden obtener mapas completos del hielo de las regiones polares donde las franjas se superponen en gran medida en un día. Esta frecuencia y confiabilidad se obtienen a costa de una resolución deficiente: el campo de visión angular de una antena es directamente proporcional a la longitud de onda e inversamente proporcional al área de apertura efectiva . Por lo tanto, necesitamos un plato deflector grande para compensar una frecuencia baja. [1]
La mayoría de los algoritmos de concentración de hielo basados en la radiometría de microondas se basan en la doble observación de que: 1. los diferentes tipos de superficies tienen firmas de microondas diferentes y muy agrupadas y 2. la firma radiométrica en el cabezal del instrumento es una combinación lineal de la de los diferentes tipos de superficies, y los pesos toman los valores de las concentraciones relativas. Si formamos un espacio vectorial a partir de cada uno de los canales del instrumento en el que todas las firmas de los diferentes tipos de superficies, excepto una, son linealmente independientes, entonces es sencillo calcular las concentraciones relativas:
donde es la firma radiométrica en el cabezal del instrumento (normalmente medida como temperatura de brillo ), es la firma del tipo de superficie de fondo nominal (normalmente agua), es la firma del i -ésimo tipo de superficie mientras que C i son las concentraciones relativas. [3] [4] [5]
Todos los algoritmos operativos de concentración de hielo se basan en este principio o en una ligera variación. El algoritmo del equipo de la NASA, por ejemplo, funciona tomando la diferencia de dos canales y dividiéndola por su suma. Esto hace que la recuperación sea ligeramente no lineal , pero con la ventaja de que se mitiga la influencia de la temperatura. Esto se debe a que la temperatura de brillo varía aproximadamente de manera lineal con la temperatura física cuando todos los demás factores son iguales (ver emisividad ) y porque la emisividad del hielo marino en diferentes canales de microondas está fuertemente correlacionada. [3] Como sugiere la ecuación, es posible detectar concentraciones de múltiples tipos de hielo, y el equipo de la NASA distingue entre hielo de primer año y de varios años (ver imagen de arriba). [6] [7]
Se puede esperar que las precisiones de la concentración de hielo marino derivadas de sensores pasivos de microondas sean del orden del 5% (absolutas). [6] [8] [9] Una serie de factores actúan para reducir la precisión de las recuperaciones, siendo el más obvio las variaciones en las firmas de microondas producidas por un tipo de superficie determinado. Para el hielo marino, la presencia de nieve, variaciones en el contenido de sal y humedad, la presencia de charcas de deshielo, así como las variaciones en la temperatura de la superficie, producirán fuertes variaciones en la firma de microondas de un tipo de hielo determinado. El hielo nuevo y delgado en particular a menudo tendrá una firma de microondas más cercana a la del agua abierta. Esto normalmente se debe a su alto contenido de sal, no a la radiación que se transmite desde el agua a través del hielo (véase modelado de emisividad del hielo marino ) . La presencia de olas y la rugosidad de la superficie cambiarán la firma en aguas abiertas. Las condiciones climáticas adversas, las nubes y la humedad en particular, también tenderán a reducir la precisión de las recuperaciones. [4]
