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El superpoder del radar de ondas milimétricas: ¿cómo capta los secretos de las pequeñas gotas de agua y de la fuerte lluvia?
Estos sistemas de radar suelen operar en la banda Ka a 35 GHz y en la banda W a 94 GHz, que tienen la mayor eficiencia en la transmisión atmosférica.
El radar de ondas milimétricas tiene una resolución de tiempo y distancia muy alta. La resolución de tiempo generalmente es ajustable y varía entre 1 y 10 segundos, mientras que la resolución de alcance depende del diseño y el propósito del radar. En términos generales, el rango máximo de detección del radar de nubes puede alcanzar de 14 a 20 kilómetros, y su resolución de velocidad Doppler es de unos pocos centímetros por segundo.
Los radares de nubes son en su mayoría sistemas polarimétricos, lo que les permite medir irregularidades de partículas a través de la relación de despolarización lineal (LDR). Los radares generalmente apuntan directamente hacia el cenit, pero a medida que la tecnología ha mejorado, muchos radares han agregado unidades de escaneo que permiten que el radar escanee en diferentes ángulos a velocidades más altas, obteniendo así información adicional como perfiles de viento verticales e información del volumen de aire.Los radares de longitud de onda larga tienen menos atenuación para pequeñas gotas de lluvia y precipitaciones, mientras que los radares de longitud de onda corta son más sensibles a partículas más pequeñas, lo que significa que elegir el radar correcto es particularmente importante en diferentes condiciones climáticas.
En la actualidad, el radar de ondas milimétricas se utiliza ampliamente en muchos campos, incluida la detección de límites de nubes (como la base y la cima de las nubes) y la estimación de características microfísicas de las nubes (como el tamaño de las partículas y el contenido de masa). Estos datos ayudan a comprender cómo se forman las nubes. reflejar, absorber y transformar la energía radiante que pasa a través de la atmósfera. El radar también se utiliza ampliamente en estudios de niebla y se ha utilizado durante más de 40 años en la investigación entomológica, especialmente para detectar objetivos que son casi exclusivamente insectos en días claros y cálidos. Además, recientemente se ha descubierto que el radar de ondas milimétricas puede utilizarse para estudiar aerosoles gigantes.
El entorno operativo del radar de nubes no se limita al suelo, también puede estar en el aire o en el espacio. Algunos ejemplos de sistemas aerotransportados son los radares montados en el avión de investigación HALO (High Altitude Long Range Research Aircraft) y el avión de investigación KingAir en Wyoming. Desde 2006 funciona en el satélite CloudSAT un radar de perfilación de nubes en el espacio. La misión Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer (EarthCARE), cuyo lanzamiento está previsto para marzo de 2023, llevará el primer radar de perfilado de nubes basado en el espacio con capacidades Doppler.
Medición con radar: del cociente intelectual al espectro Los sistemas de radar de pulso se consideran instrumentos de medición activos porque transmiten ondas electromagnéticas a la atmósfera y reciben señales que se reflejan de vuelta. El radar se compone de diferentes componentes de hardware, cada uno de los cuales contiene diferentes elementos. Las ondas electromagnéticas generadas por el oscilador en la unidad transmisora se transfieren a la antena a través de una guía de ondas, que las irradia a la atmósfera.Después de que cada pulso transmitido se dispersa por el volumen de aire que contiene vapor de agua, la señal de retorno es recogida por la antena del radar y digitalizada después del filtrado, la mejora y la conversión descendente.
Aunque la transmisión de cada señal de retorno cambia con el tiempo, el campo eléctrico reflejado en la señal se obtiene de la mezcla de una gran cantidad de vapor de agua. Por lo tanto, la señal recibida está compuesta de ecos de muchas partículas de vapor de agua, y estos ecos no pueden analizarse individualmente. Por lo tanto, al muestrear la señal, podemos determinar la distancia de la onda en un retraso de tiempo específico para centrarnos en la diversidad de los ecos.
Además, al realizar el procesamiento Doppler del radar, mediante el cálculo de la señal I/Q se genera automáticamente un espectro obtenido de la señal de retorno, lo que permite medir la frecuencia Doppler del eco. Esto ayuda a los científicos a evaluar el rango de velocidades de diferentes partículas dentro del volumen de la muestra.
Características de la espectroscopia Doppler
En el volumen de muestra del radar suele haber múltiples objetivos dispersantes. Cada objetivo tiene su propio cambio de frecuencia específico, lo que nos permite analizar el espectro Doppler midiendo la potencia devuelta. La reflectividad se puede calcular a partir del espectro. Al integrar el espectro, podemos obtener datos meteorológicos relevantes y deducir cambios en el clima.
¿A qué debemos prestar atención entre los muchos parámetros?El primer momento del espectro representa la velocidad Doppler promedio, que refleja la velocidad radial en todo el volumen de muestra, mientras que el segundo momento indica el ancho Doppler, que proporciona el grado de variabilidad en el rango de velocidad detectado.
El ancho Doppler, la asimetría y el pico son parámetros clave para describir el espectro Doppler. El estudio de estos parámetros ayuda a revelar los cambios microfísicos y dinámicos en la estructura de las nubes, lo que es crucial para predecir los cambios climáticos. Además, las mediciones polarimétricas del radar proporcionan una visión más profunda de cómo funcionan las precipitaciones y los impactos del cambio climático.
Con el avance de la tecnología, el alcance de aplicación del radar de ondas milimétricas se está volviendo cada vez más amplio, pero en esta exploración interminable, ¿podemos comprender y entender completamente los principios físicos detrás de estas tecnologías?
