RETO #2 – SMOS: Un Satélite capaz de medir la salinidad del océano y el grosor del hielo marino

El acceso a Internet, el GPS de nuestros móviles, la investigación del espacio, el tiempo del fin de semana o la observación de la Tierra comparten una misma raíz: los satélites artificiales. Estos instrumentos se han convertido en elementos esenciales de nuestra vida cotidiana, han revolucionado nuestra comprensión del mundo y han impulsado grandes avances tecnológicos. En la actualidad casi 5.000 satélites orbitan nuestro planeta, aunque solo 2.000 se encuentran operativos. Los satélites, equipados con diferentes tipos de sensores, son el vehículo a través del cual podemos adquirir información sobre un objeto, área o fenómeno sin estar en contacto físico con él – lo que llamamos teledetección. Esta información se presenta en forma de energía electromagnética emitida o reflejada por el objeto, y es esencial en una amplia gama de aplicaciones científicas, ambientales, agrícolas, militares y comerciales.
El lanzamiento del Sputnik 1 por la Unión Soviética el 4 de octubre de 1957 marcó el inicio de la era espacial. Hoy en día, los satélites son mucho más complejos y desempeñan diversas funciones. Entre los diferentes tipos de satélites encontramos los satélites de comunicaciones, de observación de la Tierra, de navegación y de astronomía, entre otros. En este reto, nos centraremos en los satélites de observación de la Tierra.

Hasta hace relativamente pocos años las únicas mediciones que se tenían de las regiones polares eran observaciones in situ, es decir, medidas realizadas exactamente en el lugar y condiciones donde un fenómeno se desarrolla. Sin embargo, el desarrollo de los satélites ha abierto un mundo de posibilidades para el estudio de fenómenos a gran escala y el monitoreo en superficie de variables como la temperatura, la salinidad, la concentración de clorofila, etc.

Esta campaña está dirigida al estudio del grosor del hielo marino. El objetivo es profundizar en el conocimiento de los procesos que tienen lugar en estas regiones a partir de mediciones in situ, y posteriormente compararlos con datos de satélite. ¿Y por qué es necesario realizar esta campaña? Porque aun no conocemos bien la sensibilidad de las mediciones de los satélites al grosor del hielo y de la nieve. asi como a la temperatura y salinidad del hielo, y por lo tanto esto impacta en la calidad de los datos. Las mediciones in situ son vitales para validar los datos que reproducen satélites y modelos. Actualmente, solo hay dos satélites capaces de medir el grosor del hielo fino y la salinidad superficial del océano: el SMAP de la NASA y el SMOS de la Agencia Espacial Europea (ESA); este último será el que utilicemos en nuestro estudio. 

La Misión SMOS: Profundizando en el Conocimiento del Ciclo del Agua

La misión SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity: Humedad del suelo y salinidad marina) constituye una de las misiones “Earth Explorers” (Exploradores de la Tierra) llevadas a cabo por la ESA en respuesta a numerosos problemas detectados por la comunidad científica. Específicamente, el satélite SMOS realiza observaciones globales de la humedad del suelo y de la salinidad de la superficie de los océanos. Su finalidad es profundizar en el conocimiento del ciclo hidrológico y los procesos de intercambio que ocurren en la interfase Tierra-atmósfera. Los datos recopilados por el satélite pueden ser aplicados en la gestión de recursos hídricos, la agricultura, la climatología, la meteorología, la oceanografía y la investigación sobre el cambio climático. SMOS fue lanzado el 2 de noviembre de 2009 y, aunque la misión fue pensada inicialmente sólo para tres años, aún continúa operativo.

¿Cómo mide SMOS la salinidad y el grosor del hielo?

SMOS utiliza un radiómetro que mide la energía emitida por la superficie de la Tierra en el microondas, en particular a la frecuencia de 1.4 GHz y una longitud de onda de 21 cm (llamada banda L). A esta frecuencia, las observaciones se ven poco afectadas por la atmósfera. Las medidas de salinidad in situ a menudo no requieren de instrumentos tan complejos, pero las medidas son muy puntuales comparadas con las medidas de los satélites. Por ejemplo, un instrumento empleado comúnmente en oceanografía par medir la salinidad es el CTD (Conductivity, Temperature, and Depth). El conductímetro es un sensor capaz de medir la conductividad del agua, es decir, medir la capacidad del agua para conducir la corriente eléctrica. Cuanto mayor es la concentración de partículas cargadas (iones), que es la sal, en el agua, mayor es su conductividad. En el agua de mar, las sales disueltas incrementan el valor de la conductividad; a partir de esta relación podemos estimar la salinidad de la muestra.

La medida del grosor del hielo con radiómetros de 1.4GHz es posible porqué es capaz de detectar cuando se produce el cambio de medio agua-hielo y el cambio hielo-aire. Y así deducir el grosor entre las dos interfaces. Las medidas in situ del grosor del hielo se realizan haciendo un agujero o bien con sensores electromagnéticos.

¿Pero por qué es importante conocer mejor cómo funciona el ciclo del agua y cómo evoluciona la salinidad en los océanos? ¿Qué procesos están implicados? Para responder a estas preguntas, lo primero que haremos será repasar el ciclo hidrológico. Dentro de los relativamente estrechos márgenes de temperatura y presión que se dan en la superficie terrestre, el agua es la única sustancia conocida capaz de encontrarse en forma sólida, líquida y gaseosa. Llamamos ciclo hidrológico al proceso de circulación del agua entre los distintos reservorios que conforman la hidrósfera, es decir, describe dónde se encuentra y cómo se mueve el agua en nuestro planeta. La cantidad de agua disponible es fija y el Sol alimenta la constante circulación del agua entre la tierra, el océano, la criosfera y la atmósfera.

¿Dónde se encuentra? En los llamados reservorios:

• Los océanos son el mayor reservorio de agua salada y almacenan el 96% del agua total de la hidrósfera. También podemos encontrarla en superficie, almacenada en lagos salinos.
• El agua dulce, en su forma líquida, la encontramos en lagos de agua dulce, embalses artificiales, ríos, humedales y en el suelo como humedad del suelo. En profundidad, aparece en acuíferos subterráneos entre las grietas y poros de la roca.
• El 2% del agua total se halla contenida en forma sólida en los casquetes polares, los glaciares y los mantos de nieve. El agua congelada también puede encontrarse en el suelo en forma de permafrost.
• La atmósfera contiene menos del 0,001% del agua de la Tierra. En ella, el agua se encuentra principalmente en forma gaseosa como vapor de agua, aunque también está presente como hielo y en forma líquida dentro de las nubes.

¿Cómo se mueve? Las diferentes formas en las que el agua se mueve de un reservorio a otro se conocen como flujos; durante este movimiento el agua puede cambiar de estado. Los flujos pueden ser de distinta naturaleza. La circulación mezcla el agua en los océanos y transporta el vapor de agua en la atmósfera. La evaporación, la precipitación y la evapotranspiración intervienen en el intercambio de agua entre la atmósfera, la superficie terrestre y el océano. El agua fluye sobre la superficie terrestre a través de la escorrentía y el deshielo; y se mueve hacia el subsuelo a través de la infiltración y la recarga de agua subterránea.

Como ya sabrás, el agua dulce – menos de un 2% del agua total disponible en la Tierra – es vital para nuestra supervivencia. El cambio climático antropogénico ha provocado cambios detectables en el ciclo hidrológico desde mediados del siglo XX. Se estima que hay una mayor concentración de vapor de agua en la atmósfera, que las precipitaciones son más intensas y aparecen irregularmente distribuidas en el tiempo y el espacio y que la extracción de agua subterránea para la irrigación de cultivos o el consumo genera una respuesta en el ciclo del agua a nivel local.

La Salinidad Superficial del Oceáno y su relación con el hielo marino

Cuando hablamos de salinidad nos referimos a la concentración media de sales disuelta en los océanos. Hoy en día solemos medirla en PSU (Unidades Prácticas de Salinidad), que sería el equivalente a decir que tenemos X gramos de sales por cada kilogramo de agua. Los mapas de salinidad superficial del océano que generan satélites como SMOS nos permiten trazar procesos o fenómenos que ocurren en nuestro planeta relacionados con el ciclo hidrológico. La formación de hielo, así como la evaporación, conducen a un incremento de la salinidad; mientras que el deshielo, la precipitación, y los aportes fluviales provocan un descenso.

El hielo marino influye en la salinidad del océano cuando se forma o se derrite. Durante la formación, el hielo expulsa la sal, aumentando la salinidad del agua circundante. Cuando se derrite, el agua liberada es menos salina. Así mismo, la formación de hielo marino está estrechamente relacionada con la temperatura y la salinidad del agua. Cuando el agua de mar se enfría en otoño, y cuando alcanza su punto de congelación, se forma hielo marino. La salinidad del agua afecta su punto de congelación. El agua de mar, al ser más salina que el agua dulce, tiene un punto de congelación más bajo (-3 ºC aproximadamente). 

Midiendo el grosor del hielo marino

Aunque el satélite SMOS no fue diseñado para esto, actualmente también se utiliza para medir el grosor del hielo marino en los polos. Concretamente, debido a la frecuencia de las ondas que mide, es capaz de distinguir el grosor del hielo marino entre 0 y 1 metro, aproximadamente. Esto lo convierte en clave para la predicción del cambio climático en nuestro planeta, ya que cada vez hay más hielo joven y fino, y por lo tanto, lo que se puede medir con SMOS.

Las medidas obtenidas a partir de este satélite se pueden combinar con otras de altímetros de radar, como las misiones CryoSat-2 de la ESA o ICESat-2 de la NASA. Estos satélites, a diferencia de los satélites como SMOS, se llaman radares y son activos, ya que emiten señales y miden la respuesta que reciben de vuelta. Esta tecnología permite distinguir grosores de al menos 1 metro o más, aproximadamente. Por lo tanto, estos dos grupos de satélites constituyen una unión perfecta para cubrir todo el rango de grosores que encontramos en el Ártico y también en la Antártida, que puede ser de hasta 4 metros en algunas zonas y períodos específicos.

RETO #2

Queridos exploradores y exploradoras,

Os proponemos un nuevo reto que os permitirá explorar los océanos desde el punto de vista de la oceanografía física. A continuación, te proporcionamos mapas de temperatura, salinidad, hielo marino y densidad superficial de los océanos. 

1. Describe los patrones generales que observas en cada una de estas variables.

2. ¿Cómo podría influir la temperatura superficial del mar en la formación y derretimiento del hielo marino en un contexto de calentamiento global?

3. Considerando la salinidad superficial del mar, ¿cómo afecta a la capacidad del agua para formar hielo?

4. ¿Qué impacto podría tener en la formación de hielo y la salinidad oceánica un Ártico donde haya mayor aporte fluvial y derretimiento del hielo continental?

Bibliografía y recursos

Enlaces

• IPCC Sixth Assessment Report. Capítulo 8: Water Cycle Changes. Disponible en Chapter 8: Water Cycle Changes | Climate Change 2021: The Physical Science Basis (ipcc.ch) Presentation of the Ocean and Climate scientific sheets – Ocean & Climate Platform (ocean-climate.org)
• SMOS – Earth Online (esa.int)
• SMOS 10 años en órbita – YouTube