RETO #3 – SMOS: Un Satélite capaz de medir la salinidad del océano

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 de la salinidad en las inmediaciones del límite de la capa del hielo marino antártico. 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 específicamente esta franja? Porque los satélites capaces de medir la salinidad superficial del océano tienen una menor sensibilidad cuando la temperatura del agua es muy baja. Por este motivo, reproducen peor las regiones polares afectadas por el deshielo. Los satélites no pueden atravesar la capa de hielo, es decir, no podemos saber la salinidad que hay por debajo. Ello implica que, tanto en la Antártida como en el Ártico, vamos a encontrarnos con grandes extensiones de superficie oceánica cubierta de hielo donde no tenemos datos. Durante el procesado de cada imagen se eliminarán además muchos de los píxeles situados en las inmediaciones del hielo, porque básicamente no nos fiamos de los valores debido a su baja sensibilidad. Esto nos deja una extensión vacía incluso mayor, y con ello, nos perdemos muchos de los procesos que ocurren en estas regiones. Las mediciones in situ son vitales para validar los datos que reproducen satélites y modelos. Actualmente, solo hay dos satélites capaces de medir 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? Para medir la salinidad SMOS utiliza un radiómetro. Este instrumento mide la energía de microondas emitida por la superficie de la Tierra en la banda L, que tiene una frecuencia de 1,4 GHz y una longitud de onda de 21 cm. A esta frecuencia, las observaciones se ven menos afectadas por la cubierta vegetal, la meteorología o la atmósfera. In situ, las medidas de salinidad a menudo no requieren de instrumentos tan complejos. Por ejemplo, durante esta campaña utilizaremos un instrumento empleado comúnmente en oceanografía: 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) 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.

¿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

Cuando hablamos de salinidad nos referimos a la concentración media de sales disuelta en los océanos. Esta heterogénea concentración de sales ha dividido a los científicos durante décadas sobre cuál sería la forma más adecuada de medirla, de forma que sus unidades han ido cambiando con el tiempo. 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 (o directamente, no ponemos unidades). Los mapas globales de salinidad superficial del océano que generan satélites como el SMOS nos permite observar, estimar o cuantificar algunos de los procesos o fenómenos que ocurren en nuestro planeta.

En el primer reto identificamos algunos de los procesos en los la salinidad jugaba un papel fundamental. Recordemos que la salinidad de la superficie del mar es una de las variables esenciales que determinan el patrón de circulación oceánica global, que es, a su vez, un importante regulador del clima. Por ejemplo, las aguas cálidas y saladas de la Corriente del Golfo transportan calor desde el Caribe hasta el Ártico. Ello permite a Europa disfrutar de un clima más templado. Asimismo, la salinidad se encuentra íntimamente ligada al ciclo hidrológico a través de varios procesos. La evaporación (E) y la formación de hielo conducen a un incremento de la salinidad; mientras que la precipitación (P), la escorrentía y el deshielo provocan un descenso. Tanto la evaporación como la precipitación son procesos difíciles de medir en los océanos, por lo que los mapas de salinidad superficial constituyen una buena herramienta para tener estimaciones del balance E – P, que permite por ejemplo definir regiones o circunstancias en las que domina la evaporación y viceversa. Por otra parte, esta variable puede ser utilizada como indicador de eventos climáticos extremos y ayudar en su predicción. Por ejemplo, valores anómalos pueden indicar la aparición de El Niño. Finalmente, la salinidad afecta directamente a la vida marina, dado que muchos organismos marinos son sensibles a sus cambios. Estos pueden influir en la distribución de especies, la reproducción y la supervivencia de ciertas formas de vida. Uno de los efectos asociados al cambio climático es el incremento de la descarga de los ríos derivado de un aumento de las precipitaciones y/o de la fusión del hielo. Las regiones costeras cercanas a desembocaduras experimentarán una bajada de salinidad. Ello tendrá efectos sobre la fauna bentónica (fauna que habita en el fondo de los ecosistemas acuáticos) o las poblaciones de larvas que habitan en la columna de agua, provocando cambios locales en la red trófica.

RETO #3

Queridos exploradores y exploradoras antárticos,

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 y densidad superficial de los océanos. 

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

2. ¿Por qué crees que el Mar Mediterráneo tiene una salinidad tan elevada? ¿Puedes identificar la Corriente del Golfo? ¿En qué variable?

3. ¿Qué crees que está pasando en la zona del este de la India, Indonesia, Tailandia y el sureste de China?

4. Con ayuda de la densidad, ¿eres capaz de localizar las áreas geográficas en las que tiene lugar el proceso de formación de aguas profundas (que vimos en el primer reto)?

Bibliografía y recursos

Links

• 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