La NASA desarrolla tecnología para diseccionar la atmósfera inferior


La parte de la atmósfera más cercana al planeta es la más difícil de medir desde el espacio debido al volumen de gases que hay sobre ella. Estudiar la capa límite planetaria de la Tierra, o PBL, permitirá a los científicos comprender mejor la interacción entre la superficie de la Tierra y el clima y cómo evoluciona en un clima global cambiante.

La capa límite planetaria es donde vive la gente e incluye el clima y las partículas en el aire que nos afectan a todos. Estudiarlo desde el espacio es una prioridad de la NASA para las próximas décadas, pero este objetivo conlleva importantes desafíos. Crédito: Joseph Santanello/NASA PBL Study Team

«La capa límite planetaria es donde vivimos y donde experimentamos el clima», dijo la investigadora de la NASA, la Dra. Antonia Gambacorta. «Se ha estudiado en gran detalle con muchas mediciones terrestres, pero hay grandes lagunas, como sobre los océanos y las regiones polares donde no tenemos tantos instrumentos terrestres. Tener la capacidad desde el espacio para sondear y medir el capa límite es importante para estudiar las conexiones entre esta capa y el resto de nuestra atmósfera a nivel mundial».

La medición precisa y en tiempo real de la temperatura de la PBL y el vapor de agua desde el espacio permite una predicción más precisa de los eventos extremos que cambian rápidamente, proporcionando beneficios significativos para la economía.

Un chip fotónico integrado que incluye varios circuitos descansa sobre un escenario en una configuración de caracterización. Crédito: Fabrizio Gambini

«Desde el espacio, estás tratando de medir una señal que se debilita a medida que es absorbida y reemitida en el camino», dijo Gambacorta, investigadora de ciencias de la Tierra en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. «También hay ruido de interferencia de la superficie y las nubes».

La «señal» que usan los científicos para estudiar la superficie y la atmósfera de la Tierra a escala global va más allá de la luz visible que nuestros ojos pueden ver para incluir frecuencias infrarrojas y de microondas del espectro electromagnético.

Las longitudes de onda infrarrojas de las luces son absorbidas por las gotas de líquido y las partículas de hielo que forman las nubes. Sin embargo, esas mismas nubes son parcialmente transparentes a la luz de microondas. Además, diferentes partes del espectro de microondas brindan información sobre diferentes propiedades de la PBL que pueden afectar el clima: vapor de agua, nubes y temperatura.

Imágenes de circuitos fotónicos: las líneas azules son guías de ondas fotónicas integradas, mientras que las líneas amarillas son líneas metálicas para calentadores integrados. Crédito: Fabrizio Gambini

Sin embargo, los sensores de microondas espaciales existentes e incluso los instrumentos planificados detectan solo un par de docenas de canales dentro del espectro de microondas. Esto limita la resolución vertical y la precisión de los datos, especialmente de la capa límite.

Las mediciones de microondas hiperespectrales dividen la región de microondas del espectro en cientos o incluso miles de frecuencias individuales. La captura e interpretación de estas frecuencias brindaría una visión lo más clara posible de esta capa crucial desde una perspectiva global, dijo Gambacorta.

Las agencias meteorológicas y espaciales de todo el mundo han defendido durante mucho tiempo las mediciones de microondas hiperespectrales para mejorar la recopilación de datos desde la órbita a fin de mejorar el clima y la predicción del tiempo, dijo el Dr. Joseph Santanello, investigador de la NASA que se encontraba entre los principales contribuyentes a la incubación de la capa límite planetaria de la NASA. Informe del Equipo de Estudio y coinvestigador de este proyecto. El informe enumera los sensores de microondas hiperespectrales como un componente esencial del futuro sistema global de observación PBL.

Enfoque de dos frentes

Para proporcionar información y visualizaciones significativas para científicos y meteorólogos, así como para usuarios de big data como NOAA y EPA, el equipo de Gambacorta tiene que resolver dos obstáculos técnicos importantes.

Primero deben reducir drásticamente los requisitos de tamaño, peso y potencia de los procesadores de señales de radiofrecuencia existentes al convertir las frecuencias de microondas en señales ópticas. Estas señales serán procesadas por múltiples circuitos fotónicos integrados (PIC), dijo el Dr. Mark Stephen, ingeniero de la Asociación de Ingeniería de Investigación de Goddard.

«Tenemos modelos de computadora y un sistema preliminar de placa ensamblado para mostrar que el procesamiento óptico en un PIC debería funcionar», dijo Stephen. «Si podemos convertir la frecuencia de radio en una señal óptica y volver a convertirla en radio, podemos demostrar que podemos reducir el tamaño, el peso, la potencia y el costo del instrumento sin degradar el contenido de la información en la señal».

Estos ahorros les permitirán integrar muchos de estos PIC, cada uno procesando un conjunto diferente de anchos de banda. El resultado será el primer instrumento fotónico de microondas hiperespectrales (HyMPI) de su tipo capaz de medir el espectro completo de radiación de microondas de la Tierra. Este instrumento maduró a través de tres años de financiamiento del programa de Investigación y Desarrollo Interno de Goddard, o IRAD. Ahora, la Oficina de Tecnología de Ciencias de la Tierra proporciona más recursos de desarrollo.

El segundo obstáculo es procesar las cantidades masivas de datos que capturarán estos sensores en algo que los científicos y los meteorólogos puedan entender. Gambacorta está trabajando para avanzar en el esfuerzo del software de procesamiento de datos con la ayuda de otra subvención del IRAD.

«Ya hemos concluido cómo funciona el sonido de microondas hiperespectral en condiciones simuladas de cielo despejado», dijo Gambacorta. «Este año, estamos modelando cómo las nubes afectan las mediciones de microondas hiperespectrales. Esta capacidad de sondeo remoto ayudará a lograr una perspectiva global sobre la composición y el comportamiento de la capa límite».

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