Satélites de observación de la banquisa ártica

Desde hace unos 40 años, los instrumentos de observación a bordo de satélites en órbita han supuesto una valiosa y revolucionaria herramienta de detección y seguimiento de la banquisa o hielo marino.

Dichos instrumentos de observación tienen la capacidad de detectar la radiación electromagnética procedente de los distintos elementos que conforman el planeta.

En esta imagen tenemos el espectro electromagnético:

Para observar la banquisa, son útiles el espectro visible, el infrarrojo y, sobre todo, el de microondas.

En el espectro visible, nos encontramos con radiación procedente del sol reflejada por los distintos objetos o superficies. Las cámaras y sensores a bordo de los satélites captan esta radiación como lo harían nuestros ojos. El hielo refleja mucha más luz que la superficie oceánica, por lo que es fácil distinguir la banquisa en el canal visible.

Pero el espectro visible tiene varios problemas. Por un lado, sólo está disponible de día, con luz solar, y no de noche (y en el Ártico la noche dura varios meses). Por otro lado, las nubes también reflejan la radiación visible, por lo que la presencia de nubes impide también la observación de la superficie, aunque exista luz diurna.

En la actualidad, en este tipo de observaciones destaca el instrumento MODIS, a bordo de los satélites de órbita polar Terra y Aqua de la NASA, que nos proporcionan imágenes diarias de todo el globo. Aquí tenemos una imagen MODIS del espectro visible, en este caso del Paso del Noroeste a mediados de agosto de 2010:

Todos los cuerpos con una temperatura superior al cero absoluto (-273ºC) emiten agún tipo de radiación electromagnética. Además del espectro visible, este tipo de satélites son también capaces de detectar la radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre, que varía en función de la temperatura. Por ejemplo, en invierno la superficie del hielo marino suele estar a -20 ó -30ºC, mientras que la superficie oceánica se encuentra cerca de los 0ºC, por lo que es fácil distinguir la banquisa en el espectro infrarrojo.

Mediante un programa informático se transforman las distintas intensidades de la radiación infrarroja (invisible para el ojo humano) en una gama arbitraria de tonos de gris u otros colores.

Lo vemos en esta imagen representando la temperatura del hielo en la canadiense Bahía James, procedente también de MODIS:

Pero el espectro infrarrojo también presenta problemas a la hora de detectar la banquisa mediante el mismo. Por un lado, las nubes también emiten y reflejan radiación infrarroja, ocultando a los satélites el hielo marino que pueda encontrarse bajo ellas. Por otro lado, en verano la temperatura de la banquisa sube hasta cerca del punto de fusión, y se forman en su superficie piscinas con agua de deshielo. En estas condiciones, es más complicado distinguir la banquisa del agua circundante atendiendo al espectro infrarrojo.

Combinando los espectros infrarrojo y visible, MODIS también genera imágenes en falso color, en las que es más fácil distinguir hielo o nieve de nubes que si viéramos sólo el canal visible en color real. Ejemplo del Canadian Ice service:

Pero las distintas superficies presentes en la Tierra no sólo emiten radiación infrarroja, sino también microondas. La radiación de microondas no depende tanto de la temperatura de un cuerpo, como de sus propiedades físicas: composición, estructura… La banquisa emite más microondas que el agua en estado líquido de la superficie oceánica, por lo que los sensores de microondas pueden distinguirlas fácilmente.

Estos sensores que detectan la radiación de microondas emitida naturalmente por la superficie de la Tierra, se denominan sensores pasivos de microondas, y constituyen el instrumento más valioso para la teledetección y seguimiento de la banquisa. Pueden usarse con cielo despejado o cubierto de nubes, de día o de noche.

Así, siguiendo el espectro de microondas, y tras la aplicación de ciertos algoritmos y procesos informáticos, los sensores pasivos de microondas pueden generar mapas diarios de las regiones cubiertas por hielo marino, así como de su concentración.

(Explotando pequeñas diferencias en la emisividad, existen productos que también derivan de las lecturas de microondas el espesor de la nieve sobre el hielo y otros parámetros.)

Los mapas y series de datos que solemos consultar habitualmente sobre la banquisa ártica provienen de estos sensores pasivos de microondas: los del NSIDC, IARC-JAXA,Universidad de Bremen o Cryosphere Today. Ejemplo:

Los sensores pasivos de microondas han podido así proporcionar a lo largo de los años las más completas y consistentes series de datos sobre la banquisa o hielo marino en todo el planeta.

Las observaciones de la banquisa mediante sensores de microondas comenzaron en 1972 con el sensor ESMR (Electrically Scanning Microwave Radiometer) a bordo del satélite Nimbus-5 de la NOAA. En 1978, tomó el relevo el más avanzado sensor SMMR (Scanning Multichannel Microwave Radiometer) de la NASA. A partir de 1987 la serie de observaciones fue continuada por los sensores SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager) a bordo de satélites del DMSP, que continúan activos a día de hoy.

No obstante, desde 2002 se ha incorporado un nuevo y más avanzado sensor a bordo del satélite Aqua de la NASA: el AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer–Earth Observing System).

Pero hay otra forma de utilizar el espectro de microondas para observar la banquisa ártica. Y es hacerlo mediante los denominados sensores activos de microondas, o radar. Su funcionamiento consiste en emitir un haz de microondas hacia la superficie terrestre, que será reflejado de vuelta al sensor, con unas intensidades que variarán según el tipo de superficie.

Hay varios tipos de sensores activos de microondas. Uno de ellos es el Radar de Apertura Sintética (SAR, del inglés Synthetic Aperture Radar). Las imágenes procedentes de los datos de este tipo de radar permiten distinguir entre hielo grueso y fino, así como detectar pequeños canales entre el hielo. El principal satélite de este tipo es el canadiense RADARSAT.

El Canadian Ice Service suele proporcionar mapas regionales basados en los datos de RADARSAT, así como otras imágenes más locales (pinchar en el mapa para verlo a mayor tamaño):

Otros SAR serían el ASAR de la ESA, ó los ERS 1 y 2.
De ASAR, el danés DMI suele proporcionar imágenes locales:

Además de los SAR, otro tipo de sensor activo de microondas está constituido por los denominados escaterómetros, como el ya no operativo Quikscat, o el europeo ASCAT. No son tan detallados en sus observaciones como los SAR, aunque proporcionan imágenes diarias de las banquisas ártica y antártica, permitiendo a menudo también distinguir entre hielo multianual y de primer año.

Imagen de ASCAT:

Finalmente, el tercer tipo de sensor activo de microondas lo conformarían los altímetros. Este tipo de sensores envían un pulso de microondas, o láser, hacia la tierra, y miden el tiempo que tarda en retornar al sensor. Con la suficiente precisión como para poder estimar el francobordo (parte emergida, freeboard) de la banquisa, y a partir de éste calcular el espesor del hielo marino. En este tipo de satélites se encuentra ICESAT, operativo entre 2002 y 2008, o el europeo Cryosat 2, puesto en órbita el pasado 2010.
Han producido composiciones estacionales del espesor de la banquisa, de las que vemos un par de ejemplos:

Fuentes:
NSIDC: All about sea ice: remote sensing
NSIDC: State of the Cryosphere: Sea Ice
Mapas ICESAT
CRYOSAT