Medición de temperatura por satélite

Comparación de mediciones terrestres de la temperatura cercana a la superficie (azul) y registros satelitales de la temperatura de la troposfera media (rojo: UAH ; verde: RSS ) desde 1979 hasta 2010. Tendencias representadas gráficamente para el período 1982-2010.

Tendencias de la temperatura atmosférica desde 1979 hasta 2016 basadas en mediciones satelitales; troposfera arriba, estratosfera abajo.

Las mediciones de temperatura satelitales son inferencias de la temperatura de la atmósfera a diversas altitudes, así como de las temperaturas de la superficie del mar y la tierra, obtenidas a partir de mediciones radiométricas realizadas por satélites . Estas mediciones se pueden utilizar para localizar frentes meteorológicos , monitorear la Oscilación del Sur de El Niño , determinar la intensidad de los ciclones tropicales , estudiar las islas de calor urbanas y monitorear el clima global. Los incendios forestales , los volcanes y los focos de calor industriales también se pueden detectar mediante imágenes térmicas de satélites meteorológicos.

Los satélites meteorológicos no miden la temperatura directamente, sino la radiancia en diversas longitudes de onda . Desde 1978, las unidades de sondeo de microondas (MSU, por sus siglas en inglés) a bordo de los satélites de órbita polar de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) han medido la intensidad de la radiación de microondas ascendente proveniente del oxígeno atmosférico , la cual está relacionada con la temperatura de amplias capas verticales de la atmósfera. Desde 1967, se han recopilado mediciones de radiación infrarroja relativas a la temperatura de la superficie del mar.

Los datos satelitales muestran que, en las últimas cuatro décadas, la troposfera se ha calentado y la estratosfera se ha enfriado. Ambas tendencias son consistentes con la influencia del aumento de las concentraciones atmosféricas de gases de efecto invernadero .

Los satélites miden la radiancia en diversas bandas de longitud de onda, la cual debe invertirse matemáticamente para obtener inferencias indirectas de la temperatura. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Los perfiles de temperatura resultantes dependen de los detalles de los métodos utilizados para obtener las temperaturas a partir de la radiancia. Por consiguiente, los distintos grupos que han analizado los datos satelitales han generado conjuntos de datos de temperatura diferentes.

La serie temporal de datos satelitales no es homogénea. Se construye a partir de una serie de satélites con sensores similares, pero no idénticos. Los sensores también se deterioran con el tiempo, y son necesarias correcciones por la deriva orbital y la degradación. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} Se producen diferencias particularmente grandes entre las series de temperatura reconstruidas en los pocos momentos en que hay poca superposición temporal entre satélites sucesivos, lo que dificulta la intercalibración. ^{[ 6 ]}

La radiación infrarroja se puede utilizar para medir tanto la temperatura de la superficie (utilizando longitudes de onda de "ventana" a las que la atmósfera es transparente) como la temperatura de la atmósfera (utilizando longitudes de onda para las que la atmósfera no es transparente, o midiendo las temperaturas de la parte superior de las nubes en ventanas infrarrojas).

Los satélites utilizados para obtener temperaturas superficiales mediante la medición del infrarrojo térmico generalmente requieren condiciones libres de nubes. Algunos de los instrumentos incluyen el Radiómetro Avanzado de Muy Alta Resolución (AVHRR), los Radiómetros de Escaneo a lo Largo de la Trayectoria (AASTR), el Conjunto de Radiómetros de Imágenes Infrarrojas Visibles (VIIRS), el Sonda Infrarroja Atmosférica (AIRS) y el Espectrómetro de Transformada de Fourier ACE (ACE-FTS) a bordo del satélite canadiense SCISAT-1 . ^{[ 9 ]}

Los satélites meteorológicos han estado disponibles para inferir información sobre la temperatura de la superficie del mar (TSM) desde 1967, y los primeros compuestos globales se produjeron durante 1970. ^{[ 10 ]} Desde 1982, ^{[ 11 ]} los satélites se han utilizado cada vez más para medir la TSM y han permitido observar con mayor detalle su variación espacial y temporal . Por ejemplo, los cambios en la TSM monitoreados vía satélite se han utilizado para documentar la progresión de la Oscilación del Sur de El Niño desde la década de 1970. ^{[ 12 ]}

Sobre tierra, la recuperación de la temperatura a partir de radiancias es más difícil debido a las inhomogeneidades en la superficie. ^{[ 13 ]} Se han realizado estudios sobre el efecto de isla de calor urbana mediante imágenes satelitales. ^{[ 14 ]} Mediante la técnica fractal, Weng, Q. et al. caracterizaron el patrón espacial de la isla de calor urbana. ^{[ 15 ]} El uso de imágenes satelitales infrarrojas avanzadas de muy alta resolución puede utilizarse, en ausencia de nubosidad, para detectar discontinuidades de densidad ( frentes meteorológicos ) como frentes fríos a nivel del suelo. ^{[ 16 ]} Utilizando la técnica de Dvorak , las imágenes satelitales infrarrojas pueden utilizarse para determinar la diferencia de temperatura entre el ojo y la temperatura de la cima de la nube de la densa capa central de ciclones tropicales maduros para estimar sus vientos máximos sostenidos y sus presiones centrales mínimas . ^{[ 17 ]}

Los radiómetros de escaneo a lo largo de la trayectoria a bordo de los satélites meteorológicos pueden detectar incendios forestales, que aparecen por la noche como píxeles con una temperatura superior a 308 K (35 °C; 95 °F). ^{[ 18 ]} El espectrorradiómetro de imágenes de resolución moderada a bordo del satélite Terra puede detectar puntos calientes térmicos asociados con incendios forestales, volcanes y puntos calientes industriales. ^{[ 19 ]}

El radiómetro infrarrojo atmosférico del satélite Aqua , lanzado en 2002, utiliza la detección infrarroja para medir la temperatura cercana a la superficie. ^{[ 20 ]}

Las mediciones de temperatura estratosférica se realizan con los instrumentos de la Unidad de Sondeo Estratosférico (SSU), que son radiómetros infrarrojos (IR) de tres canales. ^{[ 21 ]} Dado que esto mide la emisión infrarroja del dióxido de carbono, la opacidad atmosférica es mayor y, por lo tanto, la temperatura se mide a mayor altitud (estratosfera) que las mediciones de microondas.

Desde 1979, las unidades de sondeo estratosférico (SSU) a bordo de los satélites operativos de la NOAA han proporcionado datos de temperatura estratosférica casi globales por encima de la baja estratosfera. La SSU es un espectrómetro de infrarrojo lejano que emplea una técnica de modulación de presión para realizar mediciones en tres canales en la banda de absorción de dióxido de carbono de 15 μm. Los tres canales utilizan la misma frecuencia, pero con diferente presión de celda de dióxido de carbono; las funciones de ponderación correspondientes alcanzan su máximo en 29 km para el canal 1, 37 km para el canal 2 y 45 km para el canal 3. ^{[ 22 ]}

El proceso de derivar tendencias a partir de las mediciones de las SSU ha resultado particularmente difícil debido a la deriva satelital, la intercalibración entre diferentes satélites con escasa superposición y las fugas de gas en las celdas de presión de dióxido de carbono del instrumento. Además, dado que las radiancias medidas por las SSU se deben a la emisión de dióxido de carbono, las funciones de ponderación se desplazan a altitudes más altas a medida que aumenta la concentración de dióxido de carbono en la estratosfera. Las temperaturas de la estratosfera media a superior muestran una fuerte tendencia negativa intercalada con un calentamiento volcánico transitorio después de las erupciones volcánicas explosivas de El Chichón y el Monte Pinatubo ; se ha observado poca tendencia de temperatura desde 1995. El mayor enfriamiento ocurrió en la estratosfera tropical, consistente con una circulación de Brewer-Dobson intensificada bajo un aumento de las concentraciones de gases de efecto invernadero. ^{[ 23 ]}

El enfriamiento de la estratosfera inferior se debe principalmente a los efectos del agotamiento de la capa de ozono, con una posible contribución del aumento del vapor de agua estratosférico y del incremento de los gases de efecto invernadero. ^{[ 24 ] [ 25 ]} Se ha observado un descenso de las temperaturas estratosféricas, intercalado con calentamientos relacionados con erupciones volcánicas. La teoría del calentamiento global sugiere que la estratosfera debería enfriarse mientras que la troposfera se calienta. ^{[ 26 ]}

El enfriamiento a largo plazo en la baja estratosfera se produjo en dos etapas descendentes de temperatura, ambas después del calentamiento transitorio relacionado con las erupciones volcánicas explosivas de El Chichón y el Monte Pinatubo . Este comportamiento de la temperatura estratosférica global se ha atribuido a la variación de la concentración global de ozono en los dos años posteriores a las erupciones volcánicas. ^{[ 27 ]}

Desde 1996 la tendencia es ligeramente positiva ^{[ 28 ]} debido a la recuperación del ozono yuxtapuesta a una tendencia de enfriamiento de 0,1 K/década que es consistente con el impacto previsto del aumento de los gases de efecto invernadero. ^{[ 27 ]}

La tabla que aparece a continuación muestra la tendencia de la temperatura estratosférica a partir de las mediciones de la SSU en las tres bandas diferentes, donde una tendencia negativa indica enfriamiento.

Desde 1979 hasta 2005, las unidades de sondeo de microondas (MSU) y, desde 1998, las Unidades Avanzadas de Sondeo de Microondas (AMS) en los satélites meteorológicos de órbita polar de la NOAA han medido la intensidad de la radiación de microondas ascendente proveniente del oxígeno atmosférico . La intensidad es proporcional a la temperatura de amplias capas verticales de la atmósfera . La radiancia ascendente se mide en diferentes frecuencias; estas diferentes bandas de frecuencia muestrean un rango ponderado diferente de la atmósfera. ^{[ 30 ]}

La figura 3 (derecha) muestra los niveles atmosféricos muestreados mediante reconstrucciones de diferentes longitudes de onda a partir de las mediciones satelitales, donde TLS, TTS y TTT representan tres longitudes de onda diferentes.

La nave espacial Aura utiliza una técnica diferente , el Microwave Limb Sounder , que mide la emisión de microondas horizontalmente, en lugar de apuntar al nadir. ^{[ 9 ]}

Las mediciones de temperatura también se realizan mediante ocultación radioeléctrica GPS . ^{[ 31 ]} Esta técnica mide la refracción de las ondas de radio transmitidas por los satélites GPS a medida que se propagan en la atmósfera terrestre, lo que permite medir perfiles verticales de temperatura y humedad.

Las misiones de ciencia planetaria también realizan mediciones de temperatura en otros planetas y lunas del Sistema Solar , utilizando tanto técnicas infrarrojas (típicas de las misiones orbitales y de sobrevuelo de planetas con superficies sólidas) como técnicas de microondas (más utilizadas para planetas con atmósferas). Los instrumentos de medición de temperatura infrarroja utilizados en las misiones planetarias incluyen mediciones de temperatura superficial tomadas por el espectrómetro de emisión térmica (TES) del Mars Global Surveyor y el Diviner del Lunar Reconnaissance Orbiter ; ^{[ 32 ]} y mediciones de temperatura atmosférica tomadas por el espectrómetro infrarrojo compuesto de la nave espacial Cassini de la NASA . ^{[ 33 ]}

Entre los instrumentos de medición de la temperatura atmosférica mediante microondas se encuentra el radiómetro de microondas de la misión Juno a Júpiter.

• Sondeo atmosférico
• Registro de temperatura instrumental
• Temperatura de la superficie del mar
• Registro de temperatura
• radiación saliente de onda larga

• Un gráfico que compara los registros de superficie, globo y satélite. Archivado el 10 de agosto de 2009 en Wayback Machine (archivo de 2007).
• Tendencias de temperatura en la atmósfera inferior: Pasos para comprender y conciliar las diferencias. Producto 1.1 de síntesis y evaluación del CCSP.
• Lo que las microondas nos enseñan sobre la atmósfera
• Temperaturas atmosféricas promedio globales