REPTE #3 – SMOS: Un Satèl·lit capaç de mesurar la salinitat de l’oceà

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 la salinitat en els voltants del límit de la capa del gel marí antàrtic. 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 específicament aquesta franja? Perquè els satèl·lits capaços de mesurar la salinitat superficial de l’oceà tenen una menor sensibilitat quan la temperatura de l’aigua és molt baixa. Per aquest motiu, reprodueixen pitjor les regions polars afectades pel desglaç. Els satèl·lits no poden travessar la capa de gel, és a dir, no podem saber la salinitat que hi ha per sota. Això implica que, tant a l’Antàrtida com a l’Àrtic, ens trobarem amb grans extensions de superfície oceànica coberta de gel on no tenim dades. Durant el processament de cada imatge s’eliminaran a més molts dels píxels situats en els voltants del gel, perquè bàsicament no ens fiem dels valors a causa de la seva baixa sensibilitat. Això ens deixa una extensió buida fins i tot major, i amb això, ens perdem molts dels processos que ocorren en aquestes regions. 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 Missió SMOS: Aprofundint en el Coneixement 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? Per a mesurar la salinitat SMOS utilitza un radiòmetre. Aquest instrument mesura l’energia de microones emesa per la superfície de la Terra en la banda L, que té una freqüència d’1,4 GHz i una longitud d’ona de 21 cm. A aquesta freqüència, les observacions es veuen menys afectades per la coberta vegetal, la meteorologia o l’atmosfera. In situ, les mesures de salinitat sovint no requereixen instruments tan complexos. Per exemple, durant aquesta campanya farem servir un instrument emprat comunament en oceanografia: 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. En 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.

Però per què és important conèixer millor com funciona el cicle de l’aigua i com evoluciona la salinitat en els oceans? Quins processos estan implicats?

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

Quan parlem de salinitat ens referim a la concentració mitjana de sals dissolta en els oceans. Aquesta heterogènia concentració de sals ha dividit als científics durant dècades sobre quina seria la forma més adequada de mesurar-la, de manera que les seves unitats han anat canviant amb el temps. Avui dia solem mesurar-la en PSU (Unitats Pràctiques de Salinitat), que seria l’equivalent a dir que tenim X grams de sals per cada quilogram d’aigua (o directament, no posem unitats). Els mapes globals de salinitat superficial de l’oceà que generen satèl·lits com el SMOS ens permet observar, estimar o quantificar alguns dels processos o fenòmens que ocorren en el nostre planeta.

En el primer repte identifiquem alguns dels processos en els que la salinitat jugava un paper fonamental. Recordem que la salinitat de la superfície de la mar és una de les variables essencials que determinen el patró de circulació oceànica global, que és, al seu torn, un important regulador del clima. Per exemple, les aigües càlides i salades del Corrent del Golf transporten calor des del Carib fins a l’Àrtic. Això permet a Europa gaudir d’un clima més temperat. Així mateix, la salinitat es troba íntimament lligada al cicle hidrològic a través de diversos processos. L’evaporació (E) i la formació de gel condueixen a un increment de la salinitat; mentre que la precipitació (P), l’escolament i el desglaç provoquen un descens. Tant l’evaporació com la precipitació són processos difícils de mesurar en els oceans, per la qual cosa els mapes de salinitat superficial constitueixen una bona eina per a tenir estimacions del balanç E – P, que permet per exemple definir regions o circumstàncies en les quals domina l’evaporació i viceversa. D’altra banda, aquesta variable pot ser utilitzada com a indicador d’esdeveniments climàtics extrems i ajudar en la seva predicció. Per exemple, valors anòmals poden indicar l’aparició del Nen. Finalment, la salinitat afecta directament la vida marina, atès que molts organismes marins són sensibles als seus canvis. Aquests poden influir en la distribució d’espècies, la reproducció i la supervivència d’unes certes formes de vida. Un dels efectes associats al canvi climàtic és l’increment de la descàrrega dels rius derivat d’un augment de les precipitacions i/o de la fusió del gel. Les regions costaneres pròximes a desembocadures experimentaran una baixada de salinitat. Això tindrà efectes sobre la fauna bentònica (fauna que habita en el fons dels ecosistemes aquàtics) o les poblacions de larves que habiten en la columna d’aigua, provocant canvis locals en la xarxa tròfica.

REPTE #3

Benvolguts exploradors i exploradores antàrtics,

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 i densitat superficial dels oceans.

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

2. Per què creus que la mar Mediterrània té una salinitat tan elevada? Pots identificar el Corrent del Golf? En quina variable?

3. Què creus que està passant en la zona de l’est de l’Índia, Indonèsia, Tailàndia i el sud-est de la Xina?

4. Amb ajuda de la densitat, ets capaç de localitzar les àrees geogràfiques en les quals té lloc el procés de formació d’aigües profundes (que vam veure en el primer repte)?

Bibliografia i 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