Tribunes

Terra i Espai

Ignasi Corbella

RSLab, departament TSC de la UPC

Desxifrar millor el clima de la Terra

17 de novembre de 2009

ESA - A. Le Floc'h

El 2 de novembre passat, a les tres de la matinada, es va posar en òrbita el satèl·lit SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) des del cosmòdrom de Plesetsk, al nord de Rússia. A bord porta un únic instrument, anomenat MIRAS, que quan sigui operatiu observarà de forma periòdica la Terra i proporcionarà un parell de paràmetres molt importants que fins ara ens havien estat amagats, si més no amb la qualitat amb què els obtindrem. La mesura d’aquests dos paràmetres és fonamental per estudiar tots els aspectes relacionats amb el cicle de l’aigua com el canvi climàtic, la desertificació o l’efecte hivernacle.

En particular, MIRAS està dissenyat per mesurar el grau de salinitat dels oceans, quan els sobrevoli, i la quantitat d’humitat del terreny quan passi sobre terra. Amb aquestes mesures els científics podran entendre una mica més el planeta i, en especial, les variacions i els efectes del clima. Els fenòmens climatològics estan molt relacionats amb l’anomenat cicle de l’aigua, que es pot estudiar a partir de la diferència entre precipitació i evaporació. Als oceans, això es tradueix en variacions de salinitat mitjana i, en terra ferma, en diferències en el grau d’humitat.

La fabricació del satèl·lit s’ha dut a terme en el marc de la missió homònima SMOS, al programa d’observació de la Terra Planeta viu, de l’Agència Europea de l’Espai (ESA, d’European Space Agency). El projecte té com a objectiu la millora en la comprensió del funcionament del planeta i l’impacte de l’activitat humana en els processos naturals de la Terra. SMOS és el segon ‘explorador de la Terra’ (Earth Explorer) d’aquest programa després de GOCE, ja operatiu i orientat a la mesura del camp gravitatori terrestre. Està previst que en els propers anys el segueixin quatre ‘exploradors’ més, que mesuraran paràmetres com l’extensió de la capa de gel, el camp magnètic terrestre, el vent i els núvols.

Salvant obstacles

La salinitat no havia estat mai mesurada per la dificultat tecnològica que comporta fer-hoLa missió SMOS és una de les més innovadores que mai s’han dut a terme en termes d’observació de la Terra. Si la humitat i la salinitat no havien estat mai mesurades de forma global no ha estat per manca d’interès, sinó per la dificultat tecnològica que comporta fer-ho. Sigui com sigui, ja fa molts anys que s’utilitza la radiometria per obtenir paràmetres geofísics i per mesurar la temperatura, el vapor d’aigua atmosfèric, el vent sobre l’oceà o l’extensió de la capa de gel.

L’any 1974 l’SkyLab, la primera estació orbital tripulada nord-americana, va fer diverses mesures radiomètriques experimentals en banda L (1,4 gigahertz -GHz-). Els resultats van demostrar una dependència clara amb la humitat i la salinitat, de manera que s’obria la possibilitat d’utilitzar aquesta tècnica de manera operativa. Però per a la mesura radiomètrica a tan baixa freqüència, i amb els requeriments de resolució espaciotemporals necessaris, cal utilitzar antenes molt grans i amb capacitat de moviment exploratori relativament ràpid. Aquest és el repte tecnològic que ha limitat aquest tipus d’observacions fins ara.

Finalment, amb l’SMOS ha estat possible fer-ho, tot utilitzant una nova tècnica: radiometria interferomètrica, heretada de les tècniques de síntesis que fan servir els radioastrònoms per mesurar galàxies i altres cossos celestes llunyans. L’instrument MIRAS està format per una estructura mecànica en forma de Y, amb tres braços d’una longitud aproximada de quatre metres i una part central en forma hexagonal. A l’estructura hi ha repartides un total de 69 antenes relativament petites, que capten al mateix temps la radiació que prové de la Terra. Es combinen tots els senyals rebuts i, amb un algoritme matemàtic, es converteixen en mapes de ‘temperatura de brillantor’ (paràmetre radiomètric que fa referència a la potència de radiació tèrmica dels cossos).

Amb aquest procediment, cada 1,2 segons MIRAS genera la imatge d’una àmplia zona de la terra (uns 1000x1000 quilòmetres) situada sota la seva trajectòria. En aquesta imatge, les zones de terra seca són més brillants que les de terra humida i, al seu torn, aquestes ho són més que l’aigua dolça (les zones menys brillants són les d’aigua salada). Durant el temps de mesura, el satèl·lit recorre només uns set quilòmetres i, per tant, la imatge consecutiva te un grau de solapament molt elevat amb la primera (amb promitjos d’imatges consecutives se’n millora la resolució). En el cas de la salinitat, a més, està previst efectuar promitjos de passades successives en diferents òrbites, ja que aquest paràmetre és summament estable en termes espacials i temporals.

Participació nacional

Un dels aspectes a destacar d’aquesta missió és l’elevat grau de participació espanyola i, en particular, catalana. En la fabricació de l’instrument hi han participat un total de 20 empreses europees d’11 països diferents, tot coordinat per l’empresa EADS-CASA, amb seu a Madrid, que ha actuat com a contractista principal. Els 72 receptors (69 d’ells connectats a antenes) han estat fabricats per l’empresa MIER Comunicaciones, amb seu a La Garriga (Catalunya).

El suport teòric de la missió, que inclou entre d’altres el disseny conceptual de l’instrument, la determinació de les seves prestacions i la definició dels mètodes de calibració, ha estat dut a terme pel grup de Radiometria (RSLab) del Departament de teoria del senyal i comunicacions de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). El coinvestigador principal de la missió per temes de salinitat és Jordi Font, de l’Institut de Ciències del Mar, ubicat a Barcelona.

Pel que fa als algoritmes de recuperació de salinitat i humitat, el mateix grup de Radiometria de la UPC ha tingut un paper clau en proporcionar mesures reals fetes en diverses campanyes al llarg dels anys amb un radiòmetre construït en el propi laboratori. Finalment, el processat de les dades serà realitzat, entre d’altres, pel centre expert SMOS de Barcelona (BEC), en què hi participen investigadors de l’Institut de Ciències del Mar i, de nou, de la UPC.

Tòpics de l'article