Vectores de vientos de la superficie marina del Pacífico obtenidos por el satélite QuikScat de la NASA el 13 de junio de 2000. QuikScat utiliza un radar de microondas para medir la velocidad y la dirección del viento justo sobre la superficie del agua. Un satélite lidar con base en el espacio podría complementar los datos de la superficie marina midiendo a los vientos a través de una atmósfera de aire claro, incluyendo a los vientos en altitudes donde vuelan los aviones. Crédito por la Imagen: Seawinds on QuikScat Daily Wind Report, de JPL

Los Científicos de la NASA en el Centro Global de Hidrología y Clima están estudiando un tipo de rada que utiliza luz láser en lugar de microondas para proporcionar instantáneas de alta calidad de los vientos que surcan el globo. El conocimiento de la velocidad y dirección del viento sobre grandes áreas podría ayudar a los meteorólogos a resolver el acertijo del tiempo de mañana con antelación, salvando vidas y beneficiando a muchas áreas de la economía mundial, especialmente al transporte aéreo.

El lidar (Light Detection and Ranging = Detección y Localización por Luz) es una técnica que ha sido utilizada por años para estudiar la atmósfera desde el suelo. Pero ahora los investigadores están pregonando los beneficios del lidar desde el espacio.

El Dr. Michael Kavaya, un científico del Centro Global de Hidrología y Clima (GHCC = Global Hidrology and Climate Center) en Hunstville, Alabama, aboga por el uso de los láseres con base en el espacio para el estudio de los vientos de la Tierra, por “el inmediato beneficio de los sensores de viento orbitando la Tierra”.

“Los sensores orbitales podrían ayudar a los pilotos de las aerolíneas a evitar los vientos frontales, llevando a ahorros de combustible”, explica Kavaya. De acuerdo con un estudio, estos ahorros podrían ser de entre US$ 100 millones a US$ 200 millones por año para las aerolíneas.|

El ahorro de combustible apenas roza la superficie de lo que puede lograrse con el lidar.
“Los sensores lidar a bordo de cada aeroplano serían valiosos para las advertencias sobre turbulencias y micro-estallidos de viento en el aire claro. Éstas son amenazas significativas para la seguridad de los pasajeros”, dice Kavaya.

El Sensor Multi-centro Coherente de Viento Atmosférico Aerotransportado (MACAWS = Multi-center Airborne Coherent Atmospheric Wind Sensor) es un radar láser aerotransportado (lidar) que detecta remotamente la distribución de la velocidad del viento dentro de volúmenes tridimensionales en la troposfera. MACAWS está hoy día configurado para volar en los aviones de investigación DC-8. (más información en el Centro Global de Hidrología y Clima). Crédito por la Imagen: Centro Ames de Investigación de la NASA

“La turbulencia en aire claro ocasionalmente hiere a la gente, e incluso la mata. Han habido algunas muertes en el pasado par de años, la gente no tiene sus cinturones de seguridad ajustados y son lanzados al techo, o el carrito de la comida cae sobre ellos. Los micro-estallidos de viento pueden causar accidentes en los despegues y/o en los aterrizajes.

El lidar puede también probar ser invaluable para el monitoreo del flujo de agua en los ríos, para mejores las predicciones meteorológicas, y aún para la comprensión del complejo fenómeno El Niño / La Niña..

Detección y Localización por Luz

El lidar funciona enviando pulsos de luz láser a través de la atmósfera y detectando la luz reflejada por el polvo y otras pequeñas partículas en el aire, llamadas aerosoles. El lapso entre el pulso y el eco determina la distancia, y el cambio en el color de la luz determina la velocidad de las partículas a lo largo de la línea de visión del láser. La velocidad real del viento, así como su dirección, pueden ser calculados por estos resultados. La NASA ha empleado esta tecnología sobre aviones en estudios meteorológicos, la que ha sido demostrada con el Sensor Multi-centro Coherente de Viento Atmosférico Aerotransportado (MACAWS = Multi-center Airborne Coherent Atmospheric Wind Sensor) en el Centro Global de Hidrología y Clima.

Un haz de resonancia lidar de sodio es disparado hacia arriba en el cielo nocturno desde el Laboratorio Lidar con base en tierra del Centro Nacional de Astronomía e Ionosfera en Arecibo, Puerto Rico. Los científicos utilizan esta instalación para estudiar la química y la dinámica de la atmósfera sobre el Caribe. Una instalación en órbita alrededor de la Tierra gozaría de una vista global para el mismo tipo de estudios (más información en el Observatorio de Arecibo.)

Si ésto suena muy parecido a un radar Doppler, es porque éso es lo que es. Pero hay algunas diferencias importantes entre las dos tecnologías.

“El radar es excelente para atravesar el mal tiempo, pero necesita gotas de lluvia o hidrometeoros (granizo o nieve) para conseguir una señal“, dijo Kavaya. “El lidar tiene que luchar para atravesar las nubes espesas o la lluvia, pero puede conseguir mediciones del viento en aire claro, ya que se apoya en los aerosoles”.

La razón para esta diferencia está en la frecuencia de la radiación que utiliza cada tecnología. Ambas emiten ondas electromagnéticas, pero mientras que típicamente el radar usa frecuencias en el rango de las microondas, el lidar utiliza frecuencias más altas en el rango de la luz visible o casi visible. La radiación de frecuencia más alta (luz) será reflejada por partículas más pequeñas que la de frecuencia más baja (microondas).

También, el lidar emita un haz más delgado que el radar, lo que minimiza la interferencia del desorden del suelo y aumenta la resolución de los datos. La desventaja es que el lidar tiene más problemas que el radar para cubrir grandes áreas.

Los Ríos También son una Presa Legal

El haz más delgado abre otra posibilidad de aplicación para el lidar: la medición del flujo del agua en los ríos.

Los científicos del Centro Marshall de Vuelo Espacial y el GHCC han estado trabajando con la Inspección Geológica de los EE.UU. (USGS = U.S. Geological Survey). para ver si el lidar puede ser capaz de reemplazar la técnica de medición manual de flujo de corriente que actualmente utiliza USGS.

El río Potomac, aguas arriba de Washington D.C.

“El caso es que algunos de sus métodos estándar para la medición del flujo de corriente implicaba un elemento de riesgo para el personal”, dijo el Dr. Jeff Rothermel, un científico de la NASA en GHCC. “De hecho, un empleado de USGS perdió la vida en el cumplimiento del deber mientras realizaba mediciones. Así que hay un interés en determinar si el lidar puede ser utilizado para esta labor”.

Montado ya sea a un lado de la corriente o en un satélite en el espacio, un sistema lidar mediría la velocidad de la superficie de agua en varios puntos en el ancho del río. Conociendo la forma del fondo del río, ésto permitiría que a partir de estas mediciones pudiera ser calculado el volumen de agua fluyendo en el río.

“Además de los ríos de los EE.UU., imagino que podríamos contribuir grandemente al estudio de la hidrología de la Tierra mejorando los datos sobre sus flujos en todo el mundo”, dijo Kavaya.

La medición del flujo en los ríos es una aplicación más nueva del lidar que la medición del viento, y está solamente en sus primeras etapas de desarrollo.
“Hemos intentado realizar una prueba de experimento conceptual en el río Tennessee”, dijo Rothermel, “y hasta ahora los resultados son prometedores”.

Los científicos de GHCC están probando sistemas lidar como monitores de flujo en el río Tennessee

La Bola de Cristal del Lidar

La predicción de tiempo inclemente o peligroso podría beneficiar a muchos sectores de la economía de los EE.UU. Un estudio estima que se podrían ahorrar unos ciento diez mil millones de dólares cada año si las predicciones meteorológicas confiables pudieran ser extendidas hasta una anticipación de siete días.

Los científicos que trabajan con lidar creen que un satélite equipado con lidar en una órbita polar podría proporcionar esa mejora en la predicción meteorológica.

Agua, agua por todos lados; ¿pero adónde va a parar?. Esta imagen infrarroja de la Tierra del satélite GOES 8 muestra el vapor de agua en la atmósfera. La predicción de dónde irá a caer con días de anticipación es un reto para los investigadores meteorológicos. Crédito por la Imagen: NASA/Centro Goddard de Vuelo Espacial

¿Por qué son tan importantes las mediciones del viento en la predicción meteorológica?.
“El viento transporta calor, humedad, energía, gases traza radiactivos y aerosoles”, responde Rothermel. “El viento interactúa con las nubes y con la radiación para producir el tiempo meteorológico y el clima, y sus variaciones. Más aún, las simulaciones de modelos numéricos indican que el agregado de nuevas observaciones del viento puede mejorar las predicciones más que el agregado de nuevos datos de temperatura o humedad”.

Mejores datos sobre el viento podrían también ayudar a refinar los modelos matemáticos de patrones de tiempo en gran escala tales como la Oscilación Meridional El Niño (ENSO = El Niño-Southern Oscillation).

#Robertson destacó que los datos zonales del viento proporcionados por radiosondas, estaciones terrenas, aviones y satélites de observación de nubes dejan agujeros sin datos en los trópicos, donde son particularmente importantes en su investigación.

Al ayudar a “validar como se comparan los modelos predictivos con la realidad”, los datos de un sistema lidar con base en un satélite permitirían al equipo de Robertson mejorar sus modelos matemáticos para ENSO, lo que a su vez mejoraría las predicciones de mediano alcance, aquellas con una previsión de siete a diez días, dijo Robertson. En esas escalas de tiempo, las ondas de presión en el aire sobre el Pacífico (donde ocurre ENSO) tienen tiempo para extenderse al continente norteamericano y afectar los patrones meteorológicos de los EE.UU.

Durante una fase La Niña del ENSO, fuertes vientos que soplan de este a oeste a lo largo del ecuador empujan el agua de la superficie hacia el sudeste de Asia. El agua fría de las profundidades se eleva en el Pacífico oriental cerca de América del Sur para reemplazar el agua que se dirige hacia el Asia. Cuando el ciclo cambia a una fase El Niño, el viento se desvanece, la elevación del agua se debilita, y el Pacífico oriental se vuelve más cálido de lo usual cerca del ecuador (más información).

Mayores datos del viento pueden ayudar a extender las predicciones meteorológicas, pero Robertson advirtió que hay un límite teórico sobre la antelación en que las futuras predicciones serán alguna vez posibles.

“No importa cuán bien se conozcan las condiciones iniciales, hay una cierta cantidad de comportamiento caótico en la atmósfera”, dijo Robertson. “Así... una predicción meteorológica realmente determinística será posible solamente para quizás un máximo de dos semanas”.

El Dr. James Keesling, un profesor de matemáticas de la Universidad de Florida que se especializa en la teoría del caos, realizó comentarios sobre este límite teórico.
“El sistema lidar puede proporcionarnos una información detallada sin precedentes sobre la dirección e intensidad de los vientos a través de todo el mundo”, dijo Keesling. “Sin embargo, sabemos que a menos que estos datos sean perfectos y las computadores que usan estos datos para sus cálculos empleen un número imposible de dígitos, no seremos capaces de predecir muy lejos hacia el futuro. El problema son las mismas matemáticas, no la precisión de los datos”.

Una típica Mariposa Lorenz muestra las trayectorias divergentes de dos partículas casi idénticas alrededor de un par de “atractores caóticos”. Visite la página web del San Francisco Exploratorium sobre Edward Lorenz para aprender más sobre el papel del caos en la predicción meteorológica y para una demostración manual de las Mariposas Lorenz.

La teoría del caos predice que sistemas tales como el clima global que comprende el comportamiento caótico (en el sentido matemático de “caótico”) exhibirá a veces una propiedad llamada “el efecto mariposa”. Identificado por primera vez en 1963 por un meteorólogo llamado Edward Lorenz, el efecto mariposa se refiere a una situación en la que pequeñas diferencias pueden llevar a enormes diferencias con el correr del tiempo. De ahí el famoso ejemplo de que una mariposa que bate sus alas en el Parque Central de Nueva York causa un tornado en Texas.

Es posible que el lidar no sea sensible a la gentil brisa causada por una mariposa en vuelo, pero con la predicción de tormentas y la detección de turbulencias, ésta tecnología podría ahorrar millones de dólares y aún salvar vidas humanas.

El Centro Global de Hidrología y Clima es un emprendimiento conjunto entre el gobierno y los académicos para estudiar el ciclo global del agua y su efecto en el clima de la Tierra. Financiado conjuntamente por la NASA y sus socios académicos, y operado por el Centro Marshall de Vuelo Espacial de la NASA en Huntsville, Alabama, y la Universidad de Alabama en Huntsville, el Centro realiza investigaciones en varias áreas críticas.