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¿Quién vigila al vigilante? Investigadores del Instituto Mediterráneo de Estudios Avanzados (UIBCSIC) fueron los encargados de calibrar, en aguas de Menorca y de Eivissa, uno de los instrumentos del satélite ENVISAT, su radar altímetro. Los datos que éste recoja permitirán conocer los cambios en el nivel del mar y deducir la dirección y la velocidad de las corrientes marinas PALABRAS CLAVE: ENVISAT, altimetría satelitaria, dinámica marina KEYWORDS: ENVISAT, satellite altimetry, marine dynamics El satélite ENVISAT en su órbita sobre el planeta Tierra. La imagen es una reconstrucción artística realizada por la Agencia Espacial Europea. Algunos satélites que orbitan el planeta son auténticos Avanzados (IMEDEA), un centro mixto dependiente de vigilantes. Éste es el caso del ENVISAT, una inmensa la Universitat de les Illes Balears y el Consejo Superior plataforma instrumental diseñada y lanzada por la de Investigaciones Científicas. Dirigido por el doctor Agencia Espacial Europea (ESA) que registra a todas Damià Gomis, este grupo de investigadores ha llevado horas cientos de parámetros ambientales. Pero, a cabo la calibración de uno de los instrumentos del ¿quién vigila al vigilante? ¿Quién se encarga de ENVISAT, su radar altímetro, con el cual es posible confirmar que los datos que nos envía el satélite son conocer en todo momento la altura que alcanza el correctos? Existen equipos científicos en todo el nivel del mar. Además, el grupo del IMEDEA participa mundo que no sólo han ayudado a calibrar los en el seguimiento del satélite, una labor constante de instrumentos del satélite después de ser lanzado, sino calibración a largo plazo. que llevan a cabo una constante tarea de seguimiento. Mediante la acción sinérgica de tres universidades y con la financiación de la ESA, el radar altímetro del Uno de esos equipos está formado por oceanógrafos ENVISAT fue calibrado en el Mediterráneo occidental, físicos del Instituto Mediterráneo de Estudios desde un punto situado al noroeste de la isla de tan distintos como el tipo de vegetación en distintas áreas, la temperatura en la superficie del mar o el contenido de ozono en la atmósfera. Fue lanzado por la ESA el día 1 de marzo de 2002 y colocado en una órbita situada a 800 kilómetros de altitud. Hace, pues, dos años que gira alrededor del planeta con un período de 95 minutos. Entre el instrumental del ENVISAT cabe destacar un radiómetro avanzado (AATSR) que le permite registrar la temperatura superficial del mar; un espectrómetro de mediana resolución (MERIS), con el que es posible medir la concentración de pigmentos (clorofila, por ejemplo) o el transporte de sedimentos por las corrientes marinas; y un radar altímetro que le permite medir el nivel del mar, el instrumento que precisamente nos interesa porque ha sido en su calibración donde se ha producido la participación activa de los investigadores del IMEDEA. ¿Cómo puede medir el ENVISAT el nivel del mar? El satélite envía una señal (un paquete de ondas electromagnéticas) sobre un kilómetro cuadrado de la superficie del mar. Esta señal "rebota" y regresa al satélite. Lo que mide exactamente el radar altímetro Principales instrumentos con aplicaciones oceanográficas del ENVISAT. 1. AATSR, radiómetro. 2. MERIS, espectrómetro de mediana resolución. 3. RA-2, radar altímetro. 4. LRR, láser retrorreflector. 5. ASAR, radar avanzado de abertura sintética. La imagen corresponde a la fase de pruebas del satélite en el centro de la ESA en Holanda (ESTEC). Menorca y también desde Eivissa. Las observaciones del ENVISAT es el tiempo transcurrido entre que la del nivel del mar desde el satélite servirán para señal es enviada y es recibida de nuevo. Suponiendo calcular la dirección y la velocidad de las corrientes que se conoce la velocidad de la señal y el tiempo marinas. En el futuro, cuando la serie de datos sea utilizado por ésta en "ir y venir", puede deducirse la representativa, nos proporcionará información esencial distancia entre el satélite y la superficie del mar. Y para conocer los cambios que el calentamiento global suponiendo que la órbita del satélite es conocida de del planeta puede causar en la circulación marina. forma precisa, es posible deducir finalmente el nivel del mar respecto a una referencia terrestre. Introducción Dicho así el principio físico es muy sencillo. Ahora El ENVISAT es básicamente un satélite de bien, para que las medidas sean precisas no se puede observación de la Tierra. Su misión es el registro de suponer que la velocidad de las ondas datos sobre muy distintos parámetros ambientales, electromagnéticas es la de la luz en el vacío. tanto oceanográficos, como atmosféricos o terrestres; Previamente se tendrán que controlar ciertos no en vano su acrónimo corresponde a las primeras parámetros de la columna de aire que atraviesa la letras de Environmental Satellite. Se trata del satélite señal, como por ejemplo el contenido en vapor de de observación más grande que se ha puesto nunca agua y, a partir de éstos, deducir la velocidad real. en órbita. El ENVISAT no es un satélite específico para medir un determinado parámetro; es una inmensa De otra parte, debe conocerse con exactitud la órbita plataforma constituida por instrumental con muy del satélite. Pensemos que si el ENVISAT fluctúa al diversas funciones. El satélite envía a la Tierra datos orbitar, se podrían confundir esas fluctuaciones con desniveles del mar. Determinar la altitud exacta de un satélite situado a, más o menos, 800 kilómetros con Tierra ya ha girado sobre su eje y, por tanto, el satélite una precisión de centímetros no es una labor trivial. no vuelve a pasar en su siguiente recorrido por encima Para conseguirlo se cuenta con una serie de de las mismas zonas del planeta. La combinación estaciones terrestres que pueden calcular la situación entre la rotación terrestre y la órbita del ENVISAT hace del ENVISAT. Cuando el satélite pasa por encima de que el satélite "barra" toda la superficie del planeta, dichas estaciones, desde éstas es enviado un rayo traza a traza, hasta que al cabo de treinta y cinco láser que debe impactar en un espejo de unos 20 minutos el ciclo se cierra habiendo barrido toda la centímetros de lado (retrorreflector láser, LRR). esfera. La Tierra es analizada, por tanto, en trazas con Cuando el rayo alcanza el espejo es reflejado y una separación entre ellas de cien kilómetros (en retorna a las estaciones. A partir del tiempo que tarda latitudes medianas, por ejemplo en el Mediterráneo). el rayo en ir y venir de las estaciones se deduce Además del ENVISAT, otro satélite altímetro de la l'altura real de la órbita. NASA y el CNES (Francia), el JASON, realiza la Debe tenerse en cuenta que cuando hablamos aquí de misma tarea pero con un ciclo más corto, de diez días, diferencias en el nivel del mar no nos referimos al aunque con una distancia entre trazas mucho mayor y oleaje causado por el viento. El paquete de ondas que por tanto con menos detalle. Ambos satélites se envía el satélite "rebota" sobre un área de 6 x 6 km2 complementan. de la superficie marina. Por tanto, lo que deduce el satélite es el nivel medio de esta área. El interés de La necesaria calibración del instrumental los investigadores es localizar amplias zonas donde el mar está más arriba o más abajo de un nivel Para que las medidas que recoge el satélite sean llamémosle "normal". Esta zonas se corresponden con correctas se debe calibrar todo el instrumental. En el áreas de alta y baja presión en el interior del océano, caso del radar altímetro esta calibración corrió a cargo áreas que darán lugar a distintos regímenes de de científicos de las universidades de Munich y corrientes. Dresden y del IMEDEA. ¿Cómo registra los datos el satélite? Antes de pasar a la calibración conviene establecer algunas nociones sobre el nivel del mar del planeta El ENVISAT sigue una órbita casi polar. Vuela de polo que quizás sean poco conocidas. Todo el mundo sabe a polo y necesita una hora y media para dar una que la Tierra no es exactamente una esfera, ni es vuelta entera al planeta. Transcurrido ese tiempo la perfectamente homogénea. El campo gravitatorio, por En la imagen de la izquierca aparece la trayectoria del ENVISAT en su órbita. El satélite tarda una hora y media en dar una vuelta entera. Al volver al inicio, el planeta ya se ha desplazado por la rotación. De esta manera el ENVISAT va "barriendo" la superficie de la Tierra cada treinta y cinco días. En el gráfico de la derecha, las líneas oblicuas en azul señalan por donde ha pasado el satélite. Son inclinadas de SE a NO cuando el satélite va en sentido ascendente y de NE a SO cuando lo hace en sentido descendente. Las líneas rojas corresponden al satélite JASON, de la NASA y el CNES (al contrario del ENVISAT, este satélite viaja hacia el este y, por tanto, sus trazas ascendentes van de SW a NE, mientras que las ascendentes van de NW a SE). tanto, no tiene simetría esférica en la medida que diversidad de escalas: depende directamente de la distribución de masa. Es evidente que las masas no están distribuidas Olas de viento: fenómenos de pequeña escala uniformemente repartidas en el globo; en un lugar nos horizontal que pueden alcanzar hasta unos 10 metros encontramos con grandes masas montañosas, pero en de desnivel. Como se ha dicho antes, el nivel del mar otro lugar existen inmensas fosas abisales. Así pues, medido por el radar altímetro no es representativo de la Tierra no atrae al mar con la misma intensidad en estas ondas. todos los puntos del planeta. Si el mar estuviera absolutamente quieto podríamos ver como presenta Mareas: desniveles provocados por la atracción de la desniveles de unos 120 metros respecto a la curva Luna y el Sol y que dependen de los movimientos matemática que se toma como referencia: un relativos del sistema Tierra-Luna-Sol. Presentan elipsoide. escalas horizontales de miles de kilómetros y pueden ser de unos cuantos metros de altura según las zonas. Un ejemplo más cercano nos ilustra: entre el En el Mediterráneo las mareas tan solo alcanzan entre archipiélago balear y las costas catalanas el mar está los 10 y los 30 centímetros. En cualquier caso, se trata unos dos metros por debajo del nivel que presenta en de oscilaciones muy bien determinadas y predecibles, ambos litorales. ¿Cómo puede explicarse esto? Cerca a causa de su regularidad y, por tanto, no son el de la costa el campo gravitatorio es más intenso ya objetivo prioritario del radar altímetro. que hay más masa terrestre. En mitad del mar, entre Recreación con la escala vertical exagerada del geoide de la Tierra. Las depresiones y los abultamientos no son tan evidentes, pero las diferencias entre unos puntos y otros del planeta pueden alcanzar los 120 metros respecto al elipsoide de referencia. las Baleares y la Península, la tierra se encuentra a dos kilómetros de profundidad; por tanto, hay menos masa terrestre y el campo gravitatorio es menor. Podríamos decir que el mar se acomoda a las masas terrestres. Este hecho es sabido y debe tenerse en La calibración del radar altímetro del ENVISAT fue encargada a científicos de las universidades de Munich y Dresden y del IMEDEA cuenta a la hora de estudiar la dinámica marina. Lo que interesa estudiar no son los desniveles producidos por el campo magnético gravitatorio (que Los ciclones y los anticiclones: fenómenos que se son constantes en el tiempo) sino los causados por la producen a escalas intermedias, afectando a áreas de dinámica marina. Estos desniveles "dinámicos" se entre 10 y 1.000 kilómetros, con desniveles que se superponen a los anteriores y tienen una gran sitúan entre los 0,1 y 1 metros. Es bastante conocido que el régimen de vientos y lluvias en nuestras latitudes está determinado por la sucesión de anticiclones y ciclones en la atmósfera. Lo que quizá no sea tan conocido es que en el mar también se forman este tipo de estructuras, que son precisamente el objetivo principal del radar altímetro. Al igual que ocurre en la atmósfera, en el mar las zonas de alta presión y de baja presión son provocadas por el hecho de que la densidad no es constante. Allí donde el agua del mar es menos densa (quizás porque está más caliente o por su menor contenido en sales), el nivel está por encima del nivel medio y se origina una zona de alta presión en el interior del fluido. Contrariamente, en una zona de alta densidad, el nivel del mar se halla por debajo del nivel medio, lo cual origina bajas presiones en el interior del fluido. La calibración del radar altímetro del satélite debe ser muy precisa si se quieren apreciar y medir desniveles cumple. Necesitamos, por lo tanto, saber en todo debidos a la presión. Como hemos dicho antes, es momento dónde se encuentra la línea de flotación. fundamental medir bien la órbita desde las estaciones en tierra. El área mediterránea es una de las zonas del Un barómetro situado en la parte sumergida de la planeta mejor equipadas en este tipo de estaciones. boya: proporciona medidas de presión de las que es Por este motivo la calibración del radar altímetro del posible deducir hasta donde está sumergida la boya. ENVISAT se realizó en mitad de la cuenca, en aguas Por tanto, el problema de conocer la distancia entre la de las Islas Baleares. antena GPS y la superficie del mar estaría resuelto…, si no fuera porque la boya también se inclina. La calibración en aguas de las Islas Baleares Un sensor de inclinación: capaz de detectar en cada Simultáneamente al paso del satélite sobre las Islas momento la desviación respecto a la vertical del palo Baleares, se tuvieron que tomar medidas muy exactas de la antena. Nos proporciona, por tanto, el último del nivel de la superficie del mar. El equipo del parámetro necesario para calcular la posición del nivel IMEDEA, dirigido por el doctor Damià Gomis, se del mar respecto al elipsoide de referencia. encargó en primer lugar de dar apoyo logístico para la instalación de boyas instrumentalizadas por la Con la conjunción de todos estos datos registrados por Universidad de Munich. Se escogió como punto los tres instrumentos segundo a segundo, se pudo principal un lugar situado al noroeste de Menorca que determinar el nivel del mar durante cada barrido el coincidía con un nudo en el paso del satélite, es decir, satélite. Las boyas (cuatro), equipadas con baterías un punto por encima del cual el satélite pasaba en alimentadas con energía solar, ponían en órbita ascendente y descendente. El punto estaba funcionamiento todos los instrumentos una hora antes situado en mar abierta para evitar cualquier del paso del satélite por la vertical y los inactivaban "contaminación" de los datos debida a la proximidad una hora después. Estos datos se complementaron de la costa, pero a la vez lo suficientemente cercano con otras medidas con mareógrafos, dos situados en para facilitar el mantenimiento del instrumental. el fondo marino, justo debajo de las boyas, y dos más ubicados en Eivissa, uno en el puerto de Sant Antoni y ¿Cómo es posible medir el nivel del mar en mar abierto, sin tener un punto de referencia como tienen los mareógrafos situados en los puertos? En principio puede parecer difícil hacerlo desde una boya que asciende y desciende según la dinámica de las corrientes y el oleaje. Sin embargo, puede conseguirse mediante la sinergia de tres instrumentos convenientemente colocados en boyas de tres toneladas y lastradas con hormigón. Estos instrumentos son los siguientes: Una antena GPS: proporciona en todo momento la posición vertical de la boya respecto al elipsoide de referencia. El promedio de dos horas continuadas de datos proporciona a los investigadores una idea muy aproximada de la altura media a la que se encuentra la antena. Conociendo la posición de la antena y sabiendo la distancia entre la antena y la línea de flotación de la boya, se puede deducir el nivel del mar…, eso si el mar estuviera en calma y la línea de flotación se mantuviera constante, extremo que no se En el gráfico se puede observar como el satélite envía una señal electromagnética a la superficie del mar. Calculando la velocidad de retorno del rayo, puede deducirse la altura media del nivel del mar. otro junto al islote del Vedrà. También se utilizaron radiómetros, tanto en Menorca como en Eivissa, para saber las condiciones de la columna de aire y ajustar así la velocidad de propagación de la onda electromagnética utilizada por el satélite. La posición de las boyas era seguida en red (internet). Los datos eran transmitidos primero por radio a una estación costera y desde allí a Alemania vía telefónica. Además, quedaban registrados en el ordenador que formaba parte del equipo de cada boya. Además de participar en la fase intensiva de calibración, en la actualidad el equipo del IMEDEA realiza una calibración a largo plazo, fundamentalmente mareógrafos y radiómetros, y que se llevará a cabo durante toda la vida útil del satélite. Las corrientes Como se ha dicho antes, una de las razones por las que es necesario conocer la situación del nivel del mar es la localización de esas zonas de alta y baja presión y cartografiarlas, es decir, contar con "mapas de presión". Dado que los desniveles debidos a la presión son de pocos centímetros, el satélite ha de ser capaz de diferenciar estos desniveles de otros como los debidos a las mareas o los del mismo geoide. Estos En la imagen superior aparece el barco García del Cid, del CSIC, desde donde se izaron las boyas. En el centro, una de las boyas situada en la zona del experimento. En el gráfico inferior se observan los parámetros que tuvieron que ser controlados para saber el nivel medio del mar (NM): A: posición de la antena GPS respecto al elipsoide de referencia. P: presión del agua como medida del grado de inmersión de la boya. Alfa: ángulo de inclinación de la boya. "mapas de presión" son esenciales para poder establecer la fuerza y la dirección de las corrientes que generan. Se trata de un mecanismo idéntico al que sucede en la atmósfera. Los anticiclones, zonas de alta presión, generan corrientes de aire que tienden a huir de la zona. En cambio, los ciclones son zonas de baja presión que tienden a "aspirar" el aire que las circunda. En el mar sucede exactamente lo mismo, solo que el fluido no es aire, sino agua. Estas serían, por tanto, las direcciones que tomarían tanto el aire en la atmósfera como el agua en el mar si la Tierra no girara, pero el movimiento rotatorio incorpora fuerzas que modifican la trayectoria de los fluidos: se trata del llamado efecto de Coriolis. Así, cualquier cuerpo que se mueve en el hemisferio norte se desvía hacia la derecha a causa de la rotación terrestre. Para apreciarlo cabe que el movimiento Como ejemplo, el doctor Damià Gomis recuerda la tenga una duración continuada (mínimo de 24 horas). formación de un remolino anticiclónico durante el mes de septiembre de 1998 al norte de las Islas Baleares. La fuerza bárica que impulsa a todo fluido a Durante seis meses el remolino en cuestión modificó abandonar un área de alta presión es modificada por el régimen de corrientes marinas en la zona. El origen la fuerza de Coriolis que desvía este fluido hacia la del fenómeno fue el ascenso de agua atlántica hacia el derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en norte de las Baleares, en lugar de seguir su camino el hemisferio sur. La resultante de ambas fuerzas es habitual desde Gibraltar a lo largo de la cuenca de un estado de equilibrio (llamado equilibrio geostrófico) Argelia. Una vez llegó el agua atlántica, mucho menos que mantiene al fluido girando en el sentido de las densa que la del Mediterráneo, al norte de las Islas, la agujas del reloj (hemisferio norte). Tramontana hizo el resto, alimentando el remolino En el caso de una zona de baja presión, la corriente durante meses. El satélite, afirma el doctor Gomis, generada en equilibrio geostrófico girará en el sentido puede seguir estos fenómenos casi en tiempo real, contrario a las agujas del reloj (siempre en el puede deducir la dirección de las corrientes generadas hemisferio norte). y su velocidad. La tarea del ENVISAT es proporcionar datos con el Otra aplicación evidente será la medida del incremento objeto de calcular la fuerza bárica. Esta fuerza se del nivel del mar atribuible al calentamiento global del puede conocer a partir de los desniveles del mar entre planeta. Se sabe, según las últimas medidas, que el zonas de alta y baja presión. Una vez que se conoce ritmo de aumento alcanza los 3 milímetros anuales, lo la fuerza bárica, ésta se puede igualar a la fuerza de que supondría un desnivel de entre 20 centímetros y Coriolis, ya que como hemos dicho tienden ambas a un metro a finales del siglo XXI. En este sentido, el equilibrarse. A partir de aquí es posible calcular la estudio de las corrientes marinas es primordial para velocidad de las corrientes, porque la fuerza de poder realizar un seguimiento del cambio climático. Coriolis es directamente proporcional a la velocidad "Pensemos, afirma el doctor Gomis, que una pequeña del fluido. alteración de la corriente del Golfo que lleva agua de los trópicos y que calienta los vientos del oeste que soplan sobre Europa atemperando el clima del continente, podría acarrear variaciones climáticas importantes". A lo anterior cabe añadir que el conocimiento de las corrientes también es de gran valor para los grandes barcos que pueden ahorrar combustible evitándolas o aprovechándolas. En el gráfico de la izquierda se pueden apreciar las fuerzas que actúan en situaciones de alta presión (A) y baja presión (B) y que al igualarse acaban originando el equilibrio geostrófico. Fb: fuerza bárica Fc: fuerza de Coriolis. En el gráfico de la derecha aparecen las isobaras de un remolino originado al norte de las Islas Baleares, una situación de alta presión y fuertes corrientes totalmente anómala en esta zona. Proyecto financiado Referencia: ESTEC-15507/01/NL/SF Títulol: ENVISAT Calibration around the Balearic Islands Acrónimo: ECBI Entidad financiadora: Agencia Espacial Europea (ESA) Instituciones y entidades participantes Agencia Espacial Europea Instituto de Geodesia y Navegación, Universidad de Munich Universidad Técnica de Dresden Instituto Mediterráneo de Estudios Avanzados (UIB-CSIC) Investigador responsable en el IMEDEA Dr. Damià Gomis Bosch. Departamento de Física. Grupo de Oceanografía Edificio Mateu Orfila i Rotger, campus de la UIB 07071 Palma (Islas Baleares) Tel.: 971 17 32 36 Instituto Mediterráneo de Estudios Avanzados Esporles Tel.: 971 61 17 58 E-mail: damia.gomis@uib.es Otros miembros del equipo Dr. Sebastià Monserrat, professor del Departamento de Física de la UIB y adscrito al IMEDEA Dr. Simón Ruiz, con un contrato Marie Curie en el CLS (Collecte Localisation Satellite), Tolouse (Francia) Dra. Ananda Pascual, actualmente con un contrato Marie Curie en el CLS (Collecte Localisation Satellite), Tolouse (Francia) Sra. Marta Marcos, becaria del proyecto, adscrita al IMEDEA Webs de interés Proyecto ECBI: http://www.imedea.uib.es/natural/goi/oceanography/html/research/Projects/WEB_ecbi/ ESA: http://www.esa.int Instituto de Geodesia y Navegación, Universidad de Munich: http://ifen.bauv.unibw-muenchen.de/tmp/index.htm Universidad Técnica de Dresden http://www.tu-dresden.de/fghgipg/ Instituto Mediterráneo de Estudios Avanzados (UIB-CSIC) http://www.imedea.uib.es Trabajos relacionados con el proyecto ENVISAT 2002. Ready for launch. DVD divulgativo con imágenes de todas las aplicaciones del ENVISAT. Editado por la ESA. ENVISAT Validation Workshop (ISBN: 92-9092-841-7). CD que recoge las ponencias de la reunión final de calibración del ENVISAT. Editado por la ESA. ENVISAT: respuestas desde el cielo, por Eva van den Berg. National Geographic, junio de 2003. Publicaciones A. Pascual, B. Buongiorno Nardelli, G. Larnicol, M. Emelianov, D.Gomis. A case of an intense anticyclonic eddy in the Balearic Sea studied from satellite and in situ data. J. Geophys. Res. 107(C11), 3183, doi: 10.1029/2001JC000913. (2001) A. Pascual, D. Gomis. Use of surface data to estimate geostrophic transport. J. Atmos. Ocean Tech. 20, 912-926. (2003)