Radiómetro de microondas

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 . Generalmente están equipados con múltiples canales de recepción para obtener el espectro de emisión característico de atmósferas planetarias, superficies u objetos extraterrestres. Los radiómetros de microondas se utilizan en diversas aplicaciones ambientales y de ingeniería, como la teledetección , la predicción meteorológica , la monitorización 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 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 nubosa no es completamente opaca en este rango de frecuencia. ^{[ 1 ]}

Para el monitoreo del clima y el tiempo , los radiómetros de microondas se operan tanto desde el espacio como desde tierra. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Como instrumentos de teledetección , están diseñados para operar de forma continua y autónoma, a menudo en combinación con otros sensores remotos atmosféricos, como por ejemplo radares de nubes y lidars . Permiten derivar cantidades meteorológicas importantes, como perfiles verticales de temperatura y humedad , cantidad de vapor de agua columnar y trayectoria de agua líquida columnar 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 y la velocidad del viento del océano, 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 las décadas de 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 (MIT), durante la guerra, para determinar con mayor precisión la temperatura de la radiación de fondo de microondas. Este primer radiómetro funcionaba a una longitud de onda de 1,25  cm y se operaba en el MIT. Dicke también fue el primero en descubrir la débil absorción atmosférica de microondas utilizando tres radiómetros diferentes (a 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 se convirtieron en parte de su instrumentación. En 1962, la misión Mariner-2 fue lanzada por la NASA para investigar la superficie de Venus , incluyendo un radiómetro para observaciones de vapor de agua y temperatura . En los años siguientes, se probó una amplia variedad de radiómetros de microondas en satélites . El lanzamiento del Radiómetro de Microondas Multicanal de Escaneo en 1978 se convirtió en un hito importante en la historia de la radiometría . Fue la primera vez que se utilizó un radiómetro de escaneo cónico en el espacio; fue lanzado al espacio a bordo del satélite Nimbus de la NASA . ^{[ 5 ]} El lanzamiento de esta misión brindó 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 y de doble polarización. Se lanzaron dos naves espaciales que transportaban instrumentos de este tipo: Nimbus-7 y Seasat . Los resultados de la misión Nimbus-7 permitieron monitorear globalmente el estado de la superficie oceánica , así como la superficie cubierta de nieve y glaciares . Hoy en día, instrumentos de microondas como la Unidad Avanzada de Sondeo por Microondas (AMSU) y el Generador de Imágenes/Sonda de Microondas de Sensor Especial (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 ]} Se encuentran disponibles artículos de revisión, ^{[ 7 ] [ 8 ]} y un manual detallado en línea ^{[ 9 ]} .

Los sólidos, líquidos (por ejemplo, la superficie terrestre, el océano, el hielo marino, la nieve, la vegetación) y 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 de cuerpo negro , también llamada temperatura de brillo . En el rango de microondas, varios gases atmosféricos presentan líneas rotacionales. Estas líneas proporcionan características de absorción específicas , mostradas en la figura de la derecha, que permiten obtener información sobre su abundancia y estructura vertical. Ejemplos de estas características de absorción son el complejo de absorción de oxígeno (causado por transiciones de dipolo magnético  ) alrededor de 60 GHz, que se utiliza para obtener perfiles de temperatura, o la línea de absorción de vapor de agua alrededor de 22,235  GHz (transición rotacional de dipolo), que se utiliza para observar el perfil vertical de humedad . Otras líneas de absorción significativas se encuentran a 118,75  GHz (absorción de oxígeno) y a 183,31  GHz (absorción de vapor de agua, utilizada para la elaboración de perfiles de vapor de agua en condiciones secas o desde satélites). Las débiles características de absorción debidas al ozono también se utilizan para la elaboración de perfiles de densidad y temperatura del ozono estratosférico.

Además de las características de absorción distintivas de las líneas de transición molecular, también existen contribuciones no resonantes de hidrometeoros (gotas líquidas y partículas congeladas). La emisión de agua líquida aumenta con la frecuencia; por lo tanto, la medición en dos frecuencias, típicamente una cercana a la línea de absorción del agua (22,235  GHz) y otra en la región de ventana cercana (típicamente 31  GHz) dominada por la absorción del líquido, proporciona información sobre la cantidad columnar de vapor de agua y la cantidad columnar 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 más grandes, así como los hidrometeoros congelados de mayor tamaño (nieve, granizo blando, granizo), también dispersan la radiación de microondas, especialmente a frecuencias más altas (>90  GHz). Estos efectos de dispersión pueden utilizarse para distinguir entre la lluvia y el contenido de agua de las nubes mediante mediciones polarizadas ^{[ 10 ]} , pero también para limitar la cantidad columnar de partículas de nieve y hielo desde el espacio ^{[ 11 ]} y desde el suelo ^{[ 12 ] .}

Un radiómetro de microondas consta de un sistema de antenas, componentes de radiofrecuencia de microondas (etapa frontal) y una etapa posterior 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. A partir del cambio en el nivel de ruido, se calcula la temperatura del cielo.

La señal atmosférica es muy débil y requiere una amplificación de aproximadamente 80  dB. Por ello, se suelen utilizar técnicas heterodinas para reducir la señal a frecuencias más bajas que permitan el uso de amplificadores y procesadores de señal comerciales. Cada vez hay más amplificadores de bajo ruido disponibles para frecuencias más altas, hasta 100  GHz, lo que hace que las técnicas heterodinas queden obsoletas. La estabilización térmica es fundamental para evitar la deriva del receptor.

Por lo general, los radiómetros terrestres también están equipados con sensores ambientales ( lluvia , temperatura , humedad ) y receptores GPS (referencia horaria y de ubicación). La antena suele medir a través de una ventana de espuma transparente en el espectro de microondas para mantenerla libre de polvo, agua y hielo. A menudo, también se le acopla un sistema de ventilación con calefacción que ayuda a mantener la ventana libre de gotas de líquido o rocío (fuentes de alta emisión en las microondas), así como de hielo y nieve .

Como se observa en la figura anterior, tras recibir la señal de radiofrecuencia en la antena, esta se convierte a una frecuencia intermedia mediante una señal estable de oscilador local. Después de amplificarla con un amplificador de bajo ruido y filtrarla en banda, la señal se puede detectar a máxima potencia, dividiéndola en múltiples bandas de frecuencia con un espectrómetro. Para calibraciones de alta frecuencia, se utiliza un conmutador Dicke.

La calibración del radiómetro de microondas sienta las bases para la medición precisa de las temperaturas de brillo y, por lo tanto, para la obtención precisa de parámetros atmosféricos como perfiles de temperatura , vapor de agua integrado y contenido de agua líquida. La versión más sencilla de una calibración es la denominada calibración "caliente-fría", que utiliza dos cuerpos negros de referencia a temperaturas conocidas, pero diferentes, una "caliente" y otra "fría" , es decir, asumiendo una relación lineal entre la potencia de entrada y la tensión de salida del detector. Conociendo las temperaturas físicas de las referencias, se pueden calcular sus temperaturas de brillo y relacionarlas directamente con las tensiones detectadas por el radiómetro; de esta forma, se puede obtener la relación lineal entre las temperaturas de brillo y las tensiones.

Las temperaturas de los objetivos de calibración deben elegirse de manera que abarquen todo el rango de medición. Los radiómetros terrestres suelen usar un objetivo a temperatura ambiente como referencia "caliente". Como objetivo frío se puede usar un cuerpo negro enfriado con nitrógeno líquido (77 K) o un TB de cielo despejado cenital obtenido indirectamente a partir de la teoría de transferencia radiativa. ^{[ 8 ]} Los satélites usan 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 MWR, se pueden usar objetivos de calibración adicionales, como fuentes de ruido internas o interruptores Dicke.

La obtención de magnitudes físicas mediante radiometría de microondas (por ejemplo, perfiles de temperatura o vapor de agua ) no es sencilla, y se han desarrollado algoritmos de obtención exhaustivos (que utilizan técnicas de inversión como el método 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 densidad del oxígeno . Dado que el oxígeno se distribuye homogéneamente en la atmósfera y alrededor del globo, las señales de temperatura de brillo pueden utilizarse 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 en tierra). Al moverse 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 de órbita polar para la observación de la Tierra y la meteorología operativa , así como también forman parte de misiones extraterrestres.

Se distingue entre instrumentos de imagen que se utilizan con escaneo cónico para la teledetección de la superficie terrestre , por ejemplo AMSR , SSMI , WINDSAT , e instrumentos de sondeo que operan 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, las microondas pasivas se pueden utilizar 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 las líneas de absorción para obtener el perfil de temperatura y humedad . Además, los sondeos de limbo , por ejemplo MLS, se utilizan para obtener 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 Escaneo , WindSat , la Unidad de Sondeo de Microondas y el Sonda de Humedad de Microondas . El Radiómetro de Imágenes de Microondas con Síntesis de Apertura es un radiómetro de imágenes/interferómetro capaz de determinar la humedad y la salinidad del suelo en pequeñas regiones de la superficie.

Para la década de 2010, se habían enviado cuatro radiómetros de microondas 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 y no de las capas superiores de la atmósfera. ^{[ 16 ] [ 15 ]} También hay/hubo radiómetros en la sonda Juno a Júpiter, la sonda Rosetta al cometa y Cassini-Huygens . ^{[ 15 ] [ 17 ]} .

La sonda Juno, lanzada en 2011, está caracterizando la atmósfera de Júpiter mediante un conjunto de radiómetros de microondas. ^{[ 8 ]} El instrumento Radiómetro de Microondas (MWR) de Juno cuenta con varias antenas que observan en diferentes longitudes de onda de microondas para penetrar la capa superior de nubes del planeta y detectar características, temperaturas y abundancias químicas en ella. ^{[ 17 ]} El instrumento MWR también se utilizó para proporcionar una estimación del espesor de la capa de hielo de Europa . ^{[ 18 ]}

MWRnet es una red creada en 2009 por científicos que trabajan con radiómetros de microondas terrestres. Su objetivo es 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 busca establecer software operativo, procedimientos de control de calidad, formatos de datos, etc., similares a los de otras redes exitosas como EARLINET , AERONET y CWINDE .

• Biblioteca Digital Nacional de Ciencias – Página de vista rápida de MWR
• Descripción del instrumento MWR de medición de radiación atmosférica del DOE
• Radiómetro Juno (MWR)