REPTE #2 – SMOS: Un Satèl·lit capaç de mesurar la salinitat de l’oceà i el gruix del gel marí

L’accés a Internet, el GPS dels nostres mòbils, la recerca de l’espai, el temps del cap de setmana o l’observació de la Terra comparteixen una mateixa arrel: els satèl·lits artificials. Aquests instruments s’han convertit en elements essencials de la nostra vida quotidiana, han revolucionat la nostra comprensió del món i han impulsat grans avanços tecnològics. En l’actualitat gairebé 5.000 satèl·lits orbiten el nostre planeta, encara que només 2.000 es troben operatius. Els satèl·lits, equipats amb diferents tipus de sensors, són el vehicle a través del qual podem adquirir informació sobre un objecte, àrea o fenomen sense estar en contacte físic amb ell – el que anomenem teledetecció. Aquesta informació es presenta en forma d’energia electromagnètica emesa o reflectida per l’objecte, i és essencial en una àmplia gamma d’aplicacions científiques, ambientals, agrícoles, militars i comercials.

El llançament del Sputnik 1 per la Unió Soviètica el 4 d’octubre de 1957 va marcar l’inici de l’era espacial. Avui dia, els satèl·lits són molt més complexos i exerceixen diverses funcions. Entre els diferents tipus de satèl·lits trobem els satèl·lits de comunicacions, d’observació de la Terra, de navegació i d’astronomia, entre altres. En aquest repte, ens centrarem en els satèl·lits d’observació de la Terra.

Fins fa relativament pocs anys els únics mesuraments que es tenien de les regions polars eren observacions in situ, és a dir, mesures realitzades exactament en el lloc i condicions on un fenomen es desenvolupa. No obstant això, el desenvolupament dels satèl·lits ha obert un món de possibilitats per a l’estudi de fenòmens a gran escala i el monitoratge en superfície de variables com la temperatura, la salinitat, la concentració de clorofil·la, etc.

Aquesta campanya pretén estudiar el gruix del gel marí. L’objectiu és aprofundir en el coneixement dels processos que tenen lloc en aquestes regions a partir de mesuraments in situ, i posteriorment comparar-los amb dades de satèl·lit. I per què cal fer aquesta campanya? Perquè encara no coneixem bé la sensibilitat de les mesures dels satèl·lits al gruix del gel i de la neu, aixi com a  la temperatura i salinitat del gel i, per tant, això impacta en la qualitat de les dades. Els mesuraments in situ són vitals per a validar les dades que reprodueixen satèl·lits i models. Actualment, només hi ha dos satèl·lits capaços de mesurar la salinitat superficial de l’oceà: el SMAP de la NASA i el SMOS de l’Agència Espacial Europea (ESA); aquest últim serà el que utilitzem en el nostre estudi.

La Misió SMOS: aprofundint en el conneixement del cicle de l’aigua

La missió SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity: Humitat del sòl i salinitat marina) constitueix una de les missions “Earth Explorers” (Exploradors de la Terra) dutes a terme per l’Agencia Espaial Europea (ESA) en resposta a nombrosos problemes detectats per la comunitat científica. Específicament, el satèl·lit SMOS realitza observacions globals de la humitat del sòl i de la salinitat de la superfície dels oceans. La seva finalitat és aprofundir en el coneixement del cicle hidrològic i els processos d’intercanvi que ocorren en la interfase Terra-atmosfera. Les dades recopilades pel satèl·lit poden ser aplicats en la gestió de recursos hídrics, l’agricultura, la climatologia, la meteorologia, l’oceanografia i la recerca sobre el canvi climàtic. SMOS va ser llançat el 2 de novembre de 2009 i, encara que la missió va ser pensada inicialment només per a tres anys, encara continua operatiu.

Com mesura SMOS la salinitat i el gruix del gel?

El satél·lit SMOS utilitza un radiòmetre que mesura l’energia emesa per la superfície de la Terra a les microones, en particular a lafreqüència d’1,4 GHz i una longitud d’ona de 21 cm (també anomenada la banda L). A aquesta freqüència, les observacions es veuen poc afectades per l’atmosfera. Les mesures de salinitat, in situ, sovint no requereixen instruments tan complexos, pero las mesures son molt puntuals comparades amb les mesures dels satèl·lits. Per exemple, un instrument emprat sovinten oceanografia es el CTD (Conductivity, Temperature, and Depth). El conductímetre és un sensor capaç de mesurar la conductivitat de l’aigua, és a dir, mesurar la capacitat de l’aigua per a conduir el corrent elèctric. Com més gran és la concentració de partícules carregades (ions) en l’aigua, major és la seva conductivitat. A l’aigua de mar, les sals dissoltes incrementen el valor de la conductivitat; a partir d’aquesta relació podem estimar la salinitat de la mostra.

La mesura del gruix del gel amb radiometres de 1.4GHz és possible ja que és capaç de detectar quan es produeix el canvi de medi d’aigua-gel i de gel a aire. I així es pot deduir el gruix entre els dos interfícies. Les mesures in situ del gruix del gel es realitzen fent un forat o bé amb sensors electromagnètic.

Però per què és important conèixer millor com funciona el cicle de l’aigua? Quins processos hi participen? Per a respondre a aquestes preguntes, el primer que farem serà repassar el cicle hidrològic. Dins dels relativament estrets marges de temperatura i pressió que es donen en la superfície terrestre, l’aigua és l’única substància coneguda capaç de trobar-se en forma sòlida, líquida i gasosa. Diem cicle hidrològic al procés de circulació de l’aigua entre els diferents reservoris que conformen la hidrosfera, és a dir, descriu on es troba i com es mou l’aigua en el nostre planeta. La quantitat d’aigua disponible és fixa i el Sol alimenta la constant circulació de l’aigua entre la terra, l’oceà, la criosfera i l’atmosfera.

On es troba? En els anomenats reservoris:

• Els oceans són el reservori més gran d’aigua salada i emmagatzemen el 96% de l’aigua total de la hidrosfera. També podem trobar-la en superfície, emmagatzemada en llacs salins
• L’aigua dolça, en la seva forma líquida, la trobem en llacs d’aigua dolça, embassaments artificials, rius, aiguamolls i en el sòl com a humitat del sòl. En profunditat, apareix en aqüífers subterranis entre les esquerdes i porus de la roca.
• El 2% de l’aigua total es troba continguda en forma sòlida en els casquets polars, les glaceres i els mantells de neu. L’aigua congelada també pot trobar-se en el sòl en forma de permagel.
• L’atmosfera conté menys del 0,001% de l’aigua de la Terra. En ella, l’aigua es troba principalment en forma gasosa com a vapor d’aigua, encara que també és present com a gel i en forma líquida dins dels núvols.

Com es mou? Les diferents formes en les quals l’aigua es mou d’un reservori a un altre es coneixen com a fluxos; durant aquest moviment l’aigua pot canviar d’estat. Els fluxos poden ser de diferent naturalesa. La circulació barreja l’aigua en els oceans i transporta el vapor d’aigua en l’atmosfera. L’evaporació, la precipitació i l’evapotranspiració intervenen en l’intercanvi d’aigua entre l’atmosfera, la superfície terrestre i l’oceà. L’aigua flueix sobre la superfície terrestre a través de l’escolament i el desglaç; i es mou cap al subsòl a través de la infiltració i la recàrrega d’aigua subterrània.

Com ja sabràs, l’aigua dolça – menys d’un 2% de l’aigua total disponible en la Terra – és vital per a la nostra supervivència. El canvi climàtic antropogènic ha provocat canvis detectables en el cicle hidrològic des de mitjan segle XX. S’estima que hi ha una major concentració de vapor d’aigua en l’atmosfera, que les precipitacions són més intenses i apareixen irregularment distribuïdes en el temps i l’espai i que l’extracció d’aigua subterrània per a la irrigació de cultius o el consum genera una resposta en el cicle de l’aigua a escala local.

La salinitat superficial de l’oceà i la seva relació amb el gel marí

Quan parlem de salinitat, ens referim a la concentració mitjana de sals dissoltes als oceans. Avui dia, solem mesurar-ho en PSU (Unitats Pràctiques de Salinitat), que equival a dir que tenim X grams de sals per cada quilo d’aigua. Els mapes de salinitat superficial de l’oceà que generen satèl·lits com SMOS ens permeten seguir processos o fenòmens que ocorren al nostre planeta relacionats amb el cicle hidrològic. La formació de gel, així com l’evaporació, condueixen a un augment de la salinitat; mentre que el desglaç, la precipitació i els aportaments fluvials provoquen una disminució.

El gel marí influeix en la salinitat de l’oceà quan es forma o es fon. Durant la formació, el gel expulsa la sal, augmentant la salinitat de l’aigua circumdant. Quan es fon, l’aigua alliberada és menys salina. Així mateix, la formació de gel marí està estretament relacionada amb la temperatura i la salinitat de l’aigua. Quan l’aigua de mar es refreda a la tardor i arriba al seu punt de congelació, es forma el gel marí. La salinitat de l’aigua afecta el seu punt de congelació. L’aigua de mar, al ser més salina que l’aigua dolça, té un punt de congelació més baix (-3 ºC aproximadament).
 

Mesurant el gruix del gel marí

Encara que el satèl·lit SMOS no va ser dissenyat per fer-ho, actualment també s’utilitza per mesurar el gruix del gel marí dels pols. Concretament, degut a la freqüència de les ones que mesura, es capaç de distingir el gruix de gel marí entre 0 i 1 metre, aproximadament. Això fa que sigui clau en la predicció del canvi climàtic al nostre planeta, ja que cada cop hi ha més gel jove i fi, i per tant, el que es pot mesurar amb SMOS.

Les mesures obtingudes a partir d’aquest satèl·lit es poden combinar amb d’altres de radar altimeters, com ara les missions CryoSat-2 de la ESA o ICESat-2 de la NASA. Aquest satèl·lits, a diferència dels satèl·lits com SMOS, s’anomenen radars i son actius, ja que emeten senyals i mesuren la resposta que reben de tornada. Aquesta tecnologia permet distingir gruixos justament de com a mínim 1 metre o més, aproximadament. Per tant, aquests dos grups de satèl·lits constitueixen una unió perfecte per cobrir tot el rang de gruixos que trobem a l’Àrtic i també a l’Antàrtida, que pot ser de més de 4 metres en algunes zones i períodes concrets.

REPTE #2

Benvolguts exploradors i exploradores,

Us proposem un nou repte que us permetrà explorar els oceans des del punt de vista de l’oceanografia física. A continuació, et proporcionem mapes de temperatura, salinitat, gel marí i densitat superficial dels oceans.

1. Descriu els patrons generals que observes en cadascuna d’aquestes variables.

2. ¿Com podria influir la temperatura superficial del mar en la formació i fusió del gel marí en un context de calentament global?

3. Considerant la salinitat superficial del mar, com afecta a la capacitat de l’aigua per formar gel?

4. Quin impacte podria tenir en la formació de gel i la salinitat oceànica en un Àrtic on hi hagi un major aport fluvial i fusió del gel continental?

Bibliografia i recursos

Enllaços

• IPCC Sixth Assessment Report. Capítulo 8: Water Cycle Changes. Disponible a 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