Un radiómetro de microondas (MWR) es un radiómetro que mide la energía emitida en longitudes de onda de un milímetro a un 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 . Por lo general, están equipados con múltiples canales de recepción para derivar 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 previsión 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 los gases secos, el vapor de agua o los hidrometeoros interactúan con la radiación de microondas, pero en general incluso la atmósfera nublada no es completamente opaca en este rango de frecuencia. [1]
Para la vigilancia del clima y el tiempo , los radiómetros de microondas se utilizan tanto desde el espacio como desde la Tierra. [1] [2] Como instrumentos de teledetección , están diseñados para funcionar de forma continua y autónoma, a menudo en combinación con otros sensores atmosféricos remotos, como por ejemplo los radares de nubes y los lidars . Permiten la derivación de importantes magnitudes meteorológicas, como los perfiles verticales de temperatura y humedad , la cantidad de vapor de agua en columnas y la trayectoria del agua líquida en columnas, con una alta resolución temporal del orden de minutos a segundos en casi todas las condiciones meteorológicas . [3] Los radiómetros de microondas también se utilizan para la teledetección de las superficies terrestres y oceánicas de la Tierra, para derivar 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 la radiación de origen extraterrestre en los años 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 trabajaba en una longitud de onda de 1,25 cm y se utilizaba en el Instituto Tecnológico de Massachusetts. Dicke también fue el primero en descubrir la absorción atmosférica débil de microondas utilizando tres radiómetros diferentes (en longitudes de onda de 1,0, 1,25 y 1,5 cm). [4]
Poco después de que los satélites se utilizaran por primera vez 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 una amplia variedad de radiómetros de microondas en satélites . 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 un radiómetro de barrido cónico en el espacio; fue lanzado al espacio a bordo del satélite Nimbus de la NASA . [5] El lanzamiento de esta misión dio 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 de polarización dual. Se lanzaron dos naves espaciales que llevaban 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 de la superficie cubierta de nieve y glaciares . Hoy en día, los instrumentos de microondas como la Unidad de Sondeo de Microondas Avanzada (AMSU) y el Sensor Especial de Imágenes/Sonda de 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 redes de observación mundiales. [6] Hay artículos de revisión, [7] [8] y un manual detallado en línea [9] .
Los sólidos, líquidos (por ejemplo, la superficie de la Tierra, el océano, 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 microondas, varios gases atmosféricos exhiben líneas rotacionales. Proporcionan características de absorción específicas que se muestran en una figura a la derecha que permiten derivar 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 utiliza para derivar perfiles de temperatura o la línea de absorción de vapor de agua alrededor de 22,235 GHz (transición rotacional dipolar) que se utiliza para observar el perfil vertical de la humedad . Otras líneas de absorción significativas se encuentran en 118,75 GHz (absorción de oxígeno) y en 183,31 GHz (absorción de vapor de agua, utilizada para el perfil de vapor de agua en condiciones secas o desde satélites). Las características de absorción débil debido al ozono también se utilizan para la densidad del ozono estratosférico y el perfil de temperatura.
Además de las características distintivas de absorción de las líneas de transición molecular, también hay contribuciones no resonantes de los hidrometeoros (gotas líquidas y partículas congeladas). La emisión de agua líquida aumenta con la frecuencia, por lo tanto, la medición a dos frecuencias, normalmente una cerca de la línea de absorción de agua (22,235 GHz) y otra en la región de la ventana cercana (normalmente 31 GHz) dominada por la absorción de líquido, proporciona información tanto sobre la cantidad de columna de vapor de agua como sobre la cantidad de columna de agua líquida por separado (radiómetro de dos canales). El llamado "continuo de vapor de agua" surge de la contribución de líneas de vapor de agua lejanas.
Las gotas de lluvia de mayor tamaño, así como los hidrometeoros congelados de mayor tamaño (nieve, granizo, granizo), también dispersan la radiación de microondas, especialmente a frecuencias más altas (>90 GHz). Estos efectos de dispersión se pueden utilizar para distinguir entre el contenido de agua de la lluvia y de las nubes aprovechando las mediciones polarizadas [10], pero también para limitar la cantidad de partículas de nieve y hielo en forma de columna desde el espacio [11] y desde el 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 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 en unos 80 dB. Por ello, a menudo se utilizan técnicas heterodinas para convertir la señal a frecuencias más bajas que permitan el uso de amplificadores comerciales y 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 un sistema de soplador calentado al radiómetro que ayuda a mantener la ventana libre de gotas de líquido o rocío (emisores fuertes en el MW), pero también libre de hielo y nieve .
Como se puede ver en la figura anterior, después de recibir la señal de radiofrecuencia en la antena, se convierte a una 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 máxima potencia, dividiéndola o dividiéndola en múltiples bandas de frecuencia con un espectrómetro. Para calibraciones de alta frecuencia se utiliza aquí un conmutador Dicke.
La calibración de un radiómetro de microondas establece las bases para medir con precisión las temperaturas de brillo y, por lo tanto, para recuperar con precisión los parámetros atmosféricos, como los perfiles de temperatura y la trayectoria integrada del vapor de agua y del agua líquida. La versión más simple de una calibración es la denominada calibración "caliente-fría", que utiliza dos cuerpos negros de referencia a temperaturas "calientes" y "frías" conocidas, pero diferentes , es decir, suponiendo 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 cubran 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 en el cénit que se obtuvo indirectamente a partir de la teoría de 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 la estabilidad de las calibraciones de MWR se pueden utilizar otros objetivos de calibración, como fuentes de ruido interno o interruptores de 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 la densidad del oxígeno . Como el oxígeno se distribuye homogéneamente dentro de la atmósfera y alrededor del globo, 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 basado en tierra). Moviéndose hacia la región de la ventana, la señal es una superposición de regiones cercanas y lejanas de la atmósfera. La combinación de varios canales contiene, por lo tanto, 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 y también alrededor de la línea de absorción de 183,31 GHz.
Los instrumentos de microondas se utilizan 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 los instrumentos de formación de imágenes que se utilizan con escaneo cónico para la teledetección de la superficie de la Tierra , por ejemplo, AMSR , SSMI , WINDSAT , y los instrumentos de sondeo que funcionan en modo transversal, por ejemplo, ATMS/ 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, la precipitación y la nieve. Además de los sensores ópticos de observación de la Tierra, se pueden utilizar microondas pasivas para determinar el equivalente de agua de la nieve (contenido de agua líquida de la nieve) comparando varias frecuencias. [13] [14] El segundo tipo se utiliza para medir a lo largo de líneas de absorción para recuperar el perfil de temperatura y humedad. Además, las sondas de limbo , por ejemplo, MLS, se utilizan para recuperar perfiles de gases traza en la atmósfera superior .
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 , WindSat , la unidad de sondeo por microondas y el sondeo de humedad por microondas . El radiómetro de imágenes por microondas con síntesis de apertura es un radiómetro de imágenes/interferómetro 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. [15] El primero fue Mariner 2 , que utilizó un instrumento de microondas para determinar que la alta temperatura superficial de Venus provenía de la superficie, no de más arriba en la atmósfera. [16] [15] También hay/había radiómetros en la sonda Juno para Júpiter, la sonda para cometas Rosetta y Cassini-Huygens . [15] [17]
La sonda Juno, lanzada en 2011, está caracterizando la atmósfera de Júpiter utilizando un conjunto de radiómetros de microondas. [8] El instrumento Radiómetro de Microondas (MWR) en 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. [17]
MWRnet es una red creada en 2009 por 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 es establecer software operativo, procedimientos de control de calidad, formatos de datos, etc. similares a otras redes exitosas como EARLINET, AERONET y CWINDE.
