El sondeo atmosférico o el perfil atmosférico es una medida de la distribución vertical de las propiedades físicas de la columna atmosférica , como la presión , la temperatura , la velocidad y la dirección del viento (derivando así la cizalladura del viento ), el contenido de agua líquida, la concentración de ozono , la contaminación y otras propiedades. Estas mediciones se realizan de diversas formas, incluidas la teledetección y las observaciones in situ .
El sondeo in situ más común es una radiosonda , que generalmente es un globo meteorológico , pero también puede ser una sonda cohete .
Los sondeos de teledetección generalmente utilizan radiómetros pasivos de infrarrojos y microondas :
- instrumentos aerotransportados
- estaciones de superficie
- Instrumentos satelitales de observación de la Tierra como AIRS y AMSU
- observación de atmósferas en diferentes planetas, como la sonda climática de Marte en el Mars Reconnaissance Orbiter
Métodos directos
Los sensores que miden directamente los componentes atmosféricos, como termómetros, barómetros y sensores de humedad, se pueden enviar a lo alto en globos, cohetes o sondas de caída . También pueden llevarse en los cascos exteriores de barcos y aviones o incluso montarse en torres. En este caso, todo lo que se necesita para capturar las medidas son dispositivos de almacenamiento y / o transpondedores .
Métodos indirectos
El caso más desafiante involucra sensores, principalmente montados en satélites, como radiómetros , sensores ópticos, radar , lidar y ceilómetro , así como sodar, ya que estos no pueden medir la cantidad de interés, como temperatura, presión, humedad, etc., directamente. Al comprender los procesos de emisión y absorción, podemos averiguar qué está mirando el instrumento entre las capas de la atmósfera. Si bien este tipo de instrumento también se puede operar desde estaciones terrestres o vehículos (los métodos ópticos también se pueden usar dentro de instrumentos in situ), los instrumentos satelitales son particularmente importantes debido a su amplia cobertura regular. Los instrumentos AMSU en tres satélites NOAA y dos EUMETSAT , por ejemplo, pueden tomar muestras de todo el mundo con una resolución superior a un grado en menos de un día.
Podemos distinguir entre dos amplias clases de sensores: activos , como el radar , que tienen su propia fuente, y pasivos que solo detectan lo que ya está allí. Puede haber una variedad de fuentes para un instrumento pasivo, incluida la radiación dispersa, la luz emitida directamente por el sol, la luna o las estrellas, ambas más apropiadas en el rango visual o ultravioleta, así como la luz emitida por objetos cálidos, que es más Apropiado en microondas e infrarrojos.
Ver geometría
Una sonda de extremidad mira el borde de la atmósfera donde es visible sobre la Tierra. Lo hace de una de dos maneras: o rastrea el sol, la luna, una estrella u otro satélite transmisor a través de la extremidad cuando la fuente se oculta detrás de la Tierra, o mira hacia el espacio vacío, recolectando radiación que se dispersa desde uno. de estas fuentes. En contraste, una sonda atmosférica que mira hacia el nadir mira hacia abajo a través de la atmósfera en la superficie. El instrumento SCIAMACHY opera en estos tres modos.
Problema inverso atmosférico
Planteamiento del problema
Lo siguiente se aplica principalmente a los sensores pasivos, pero tiene cierta aplicabilidad a los sensores activos.
Normalmente, existe un vector de valores de la cantidad a recuperar, , llamado vector de estado y vector de medidas,. El vector de estado podría ser temperaturas, densidades de número de ozono, humedades, etc. El vector de medición es típicamente recuentos, radiancias o temperaturas de brillo de un radiómetro o detector similar, pero podría incluir cualquier otra cantidad relacionada con el problema. El modelo directo asigna el vector de estado al vector de medición:
Por lo general, el mapeo , se conoce a partir de los primeros principios físicos, pero no siempre es así. En cambio, solo puede conocerse empíricamente , al hacer coincidir las medidas reales con los estados reales. El satélite y muchos otros instrumentos de teledetección no miden las propiedades físicas relevantes, es decir, el estado, sino la cantidad de radiación emitida en una dirección particular, a una frecuencia particular. Por lo general, es fácil pasar del espacio de estados al espacio de medición, por ejemplo, con la ley de Beer o la transferencia radiativa, pero no al revés, por lo tanto, necesitamos algún método de inversión. o de encontrar el modelo inverso ,.
Métodos de solución
Si el problema es lineal , podemos usar algún tipo de método inverso de matriz; a menudo el problema está mal planteado o es inestable, por lo que tendremos que regularizarlo : los métodos buenos y simples incluyen la ecuación normal o la descomposición de valores singulares . Si el problema es débilmente no lineal, un método iterativo como Newton-Raphson puede ser apropiado.
A veces, la física es demasiado complicada para modelar con precisión o el modelo directo es demasiado lento para usarse con eficacia en el método inverso. En este caso, se pueden utilizar métodos estadísticos o de aprendizaje automático como regresión lineal , redes neuronales , clasificación estadística , estimación del kernel , etc. para formar un modelo inverso basado en una colección de pares ordenados de muestras que mapean el espacio de estados con el espacio de medición. , es decir,. Estos se pueden generar a partir de modelos, por ejemplo, vectores de estado de modelos dinámicos y vectores de medición de transferencia radiativa o modelos directos similares, o de medición empírica directa. Otras ocasiones en las que un método estadístico podría ser más apropiado incluyen problemas altamente no lineales .
Lista de métodos
- Espectroscopia de absorción diferencial
- Recuperación de isoline
- Estimación óptima
Ver también
- Colocación (teledetección)
- Problemas inversos
- Meteorología satelital
- Diagrama Skew-T log-P
- Diagramas termodinámicos
Referencias
- Egbert Boeker y Rienk van Grondelle (2000). Física ambiental (2ª ed.). Wiley.
- Clive D. Rodgers (2000). Métodos inversos para sondeo atmosférico: teoría y práctica . World Scientific.
enlaces externos
- Medios relacionados con el sondeo atmosférico en Wikimedia Commons
- Sondeos atmosféricos de la Universidad de Wyoming