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Dispersómetro

Un dispersómetro o difusionómetro es un instrumento científico que mide el retorno de un haz de luz o de ondas de radar dispersadas por difusión en un medio como el aire. Los di...

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Un dispersómetro o difusionómetro es un instrumento científico que mide el retorno de un haz de luz o de ondas de radar dispersadas por difusión en un medio como el aire. Los difusionómetros 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 (σ₀ , "sigma cero") de una superficie. Suelen instalarse en satélites meteorológicos para determinar la velocidad y la dirección del viento, y se utilizan en la industria para analizar la rugosidad de las superficies.

Óptico

Dispersómetro (o difusómetro) de aeropuerto.

Los difusímetros ópticos son dispositivos utilizados en meteorología para determinar el alcance óptico o la visibilidad horizontal. Constan de una fuente de luz, generalmente un láser , y un receptor. Ambos se colocan con una inclinación de 35° hacia abajo, apuntando a un área común. La dispersión lateral producida por el aire a lo largo del haz de luz se cuantifica como un coeficiente de atenuación . Cualquier desviación del coeficiente de extinción en aire claro (por ejemplo, en la niebla) se mide y es inversamente proporcional a la visibilidad (a mayor pérdida, menor visibilidad).

Estos dispositivos se encuentran en estaciones meteorológicas automáticas para medir la visibilidad general, en las pistas de los aeropuertos para medir el alcance visual o en las carreteras para evaluar las condiciones visuales. Su principal inconveniente es que la medición se realiza en el 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 ( por ejemplo, niebla sinóptica ). Esto no siempre es así (por ejemplo, niebla dispersa).

Radar

Dispersómetro de radar

Un dispersómetro de radar funciona transmitiendo un pulso de energía de microondas hacia la superficie terrestre y midiendo la energía reflejada. Se realiza una medición independiente de la potencia del ruido, que se resta de la medición de la señal más el ruido para determinar la potencia de la señal retrodispersada . Sigma-0 (σ⁰) se calcula a partir de la medición de la potencia de la señal utilizando la ecuación del radar de blancos distribuidos. Los instrumentos dispersómetros se calibran con gran precisión para realizar mediciones de retrodispersión exactas.

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 de diferentes ángulos azimutales , 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 ondas capilares-gravitatorias 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 ocurre a partir de las ondas que están en resonancia con las microondas.

La potencia retrodispersada depende de la velocidad y dirección del viento. Vista desde diferentes ángulos azimutales, la retrodispersión observada de estas olas varía. Estas variaciones pueden aprovecharse para estimar el viento en la superficie del mar, es decir, su velocidad y dirección. Este proceso de estimación se denomina a veces « 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 con el vector viento. La recuperación requiere mediciones de diversidad angular del dispersómetro con la GMF, que se obtiene mediante varias mediciones de retrodispersión del mismo punto en la superficie del océano desde diferentes ángulos azimutales.

Una instantánea del tifón Soulik cuando alcanzaba la categoría 4 de intensidad, capturada por el instrumento ASCAT (Advanced Scatterometer) de Eumetsat a bordo del satélite Metop -A.

Las mediciones de viento con dispersómetro se utilizan para la interacción aire-mar, estudios climáticos y son particularmente útiles para el monitoreo de 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 icebergs antárticos [ 3 ] y el cambio global . [ 4 ] Las mediciones de dispersómetro se han utilizado para medir vientos sobre dunas de arena y nieve desde el espacio. Las aplicaciones no terrestres incluyen el estudio de las lunas del Sistema Solar mediante sondas espaciales. Este es el caso especialmente con la misión Cassini de la NASA/ESA a Saturno y sus lunas.

Varias generaciones de dispersómetros de viento han sido lanzadas al espacio por la NASA , la ESA y la NASDA . El primer dispersómetro de viento operativo fue conocido como Seasat Scatterometer (SASS) y fue lanzado en 1978. [ 5 ] Era un sistema de haz en abanico que operaba en banda Ku (14  GHz). En 1991, la ESA lanzó el dispersómetro ERS-1 Advanced Microwave Instrument (AMI) del satélite europeo de teledetección , [ 6 ] seguido por el dispersómetro ERS-2 AMI en 1995. Ambos sistemas de haz en abanico AMI operaban en banda C (5,6  GHz). En 1996, la NASA lanzó el NASA Scatterometer (NSCAT), a bordo del satélite NASDA ADEOS I , [ 1 ] un sistema de haz en abanico de banda Ku. [ 7 ] La NASA lanzó el primer dispersómetro de escaneo, 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 India de Investigación Espacial 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 de Metop -A. [ 8 ] El Sistema Global de Navegación por Satélite Cyclone (CYGNSS), lanzado en 2016, es una constelación de ocho pequeños satélites 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.

Contribución a la botánica

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 producida por el viento para explicar las fuertes afinidades florísticas entre las masas continentales.

Un trabajo publicado en 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 entre las similitudes florísticas y la conectividad del viento que con las proximidades geográficas, lo que respalda la idea de que el viento es un vehículo de dispersión para muchos organismos en el hemisferio sur.

Fabricación de semiconductores y de precisión

Los dispersómetros se utilizan ampliamente en metrología para medir la rugosidad de superficies pulidas y lapeadas en las industrias óptica (es decir, dispersometría integrada total desarrollada por el Dr. Jean M. Bennett y sus colegas [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] ), de semiconductores y de mecanizado de precisión. [ 13 ] Proporcionan una alternativa rápida y sin contacto a los métodos tradicionales de palpador para la evaluación de la topografía. [ 14 ] [ 15 ] Los dispersómetros son compatibles con entornos de vacío, no son sensibles a las vibraciones y pueden integrarse fácilmente con el procesamiento de superficies y otras herramientas de metrología. [ 16 ]

Usos

Ilustración de la ubicación del ISS-RapidScat en la Estación Espacial Internacional.

Ejemplos de uso en satélites de observación de la Tierra o instrumentos instalados, y fechas de operación: [ 17 ]

Referencias

  1. 1 2 F. Naderi; MH Freilich y DG Long (junio de 1991). "Medición de la velocidad del viento sobre el océano mediante radar espacial: una descripción general del sistema de dispersómetros NSCAT" . Actas del IEEE . 79 (6): 850–866 . doi : 10.1109/5.90163 .
  2. ↑ PS Chang, Z. Jelenak, JM Sienkiewicz, R. Knabb, MJ Brennan, DG Long y M. Freeberg. Uso operativo e impacto de los vientos vectoriales de la superficie oceánica detectados por teledetección satelital en el entorno de alerta y pronóstico marino, Oceanography , vol. 22, n.° 2, págs. 194–207, 2009.
  3. ↑ KM Stuart y DG Long, Seguimiento de grandes icebergs tabulares mediante el dispersómetro de microondas de banda Ku SeaWinds, Deep-Sea Research Part II , doi : 10.1016/j.dsr2.2010.11.004 , vol. 58, págs. 1285–1300, 2011.
  4. ↑ DG Long, MR Drinkwater, B. Holt, S. Saatchi y C. Bertoia. Estudios climáticos globales sobre hielo y tierra utilizando datos de imágenes de dispersómetro, EOS, Transactions of the American Geophysical Union , vol. 82, n.º 43, pág. 503, 23 de octubre de 2001.
  5. ↑ WL Grantham, et al., The SeaSat-A Satellite Scatterometer, IEEE Journal of Oceanic Engineering , Vol. OE-2, pp 200–206, 1977.
  6. ↑ E. Attema, El instrumento de microondas activo a bordo del satélite ERS-1, Actas del IEEE , 79, 6, págs. 791–799, 1991.
  7. ↑ WY Tsai, JE Graf, C. Winn, JN Huddleston, S. Dunbar, MH Freilich, FJ Wentz, DG Long y WL Jones. Verificación y calibración del sensor posterior al lanzamiento del dispersómetro de la NASA, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing , vol. 37, n.º 3, págs. 1517–1542, 1999.
  8. ↑ J. Figa-Saldaña, JJW Wilson, E. Attema, R. Gelsthorpe, MR Drinkwater y A. Stoffelen. El dispersómetro avanzado (ASCAT) en la plataforma meteorológica operativa (MetOp): una continuación de los dispersómetros de viento europeos, Canadian Journal of Remote Sensing , vol. 28, n.º 3, junio de 2002.
  9. ↑ Norma ASTM F1048 para la medición de la rugosidad superficial efectiva de superficies ópticas mediante dispersometría integrada total.
  10. ↑ Patente estadounidense n.° 3,947,127, Harold E. Bennett, Marion J. Soileau, Guilford J. Hutcheson, Probador funcional de componentes ópticos, expedida el 30 de marzo de 1976, asignada a los Estados Unidos de América representados por el Secretario de la Marina.
  11. ↑ John M. Guerra. "Un dispersómetro integrado total práctico", Proc. SPIE 1009, Medición y caracterización de superficies, 146 (21 de marzo de 1989)
  12. ↑ Patente estadounidense n.° 4,673,818, John M. Guerra, aparato de medición de rugosidad, expedida el 16 de junio de 1987, asignada a Polaroid Corp.
  13. ↑ John C. Stover. SPIE Optical Engineering Press, 1995 – Ciencia – 321 páginas.
  14. ↑ Myer, G, et al (1988) "Nuevo enfoque óptico para la microscopía de fuerza atómica", Applied Physics Letters, 53, 1045–1047
  15. ↑ Baumeister, Theodore, et al. (1967) Manual estándar para ingenieros mecánicos. McGraw-Hill, LCCN 16-12915
  16. ↑ "Rugosidad mediante dispersometría" . ZebraOptical . Consultado el 30 de diciembre de 2016 .
  17. ↑ "Dispersión y vientos vectoriales oceánicos: estudios satelitales" . Universidad Estatal de Florida . Consultado el 30 de diciembre de 2016 .
  • Sitio web de oceanografía física de la NASA/JPL
  • Sitio del dispersómetro de la ESA
  • Pionero del registro climático del dispersómetro
  • Sitio web meteorológico de la NOAA archivado el 11 de agosto de 2014 en Wayback Machine.
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