Un dispersómetro o difusionómetro es un instrumento científico para medir el retorno de un haz de luz o de ondas de radar dispersas por difusión en un medio como el aire. Los difusímetros que utilizan luz visible se encuentran en aeropuertos o a lo largo de carreteras para medir la visibilidad horizontal . Los dispersómetros de radar utilizan radio o microondas para determinar la sección transversal normalizada del radar (σ 0 , "sigma cero" o "sigma cero") de una superficie. A menudo se montan en satélites meteorológicos para encontrar la velocidad y la dirección del viento, y se utilizan en las industrias para analizar la rugosidad de las superficies.
Óptico
Los difusímetros ópticos son dispositivos que se utilizan en meteorología para encontrar el rango óptico o la visibilidad horizontal. Consisten en una fuente de luz, generalmente un láser , y un receptor. Ambos se colocan en un ángulo de 35 ° hacia abajo, apuntando a un área común. La dispersión lateral del aire a lo largo del haz de luz se cuantifica como un coeficiente de atenuación . Cualquier desviación del coeficiente de extinción del aire limpio (por ejemplo, en la niebla) se mide y es inversamente proporcional a la visibilidad (cuanto mayor es la pérdida, menor es la visibilidad).
Estos dispositivos se encuentran en estaciones meteorológicas automáticas para la visibilidad general, a lo largo de las pistas de los aeropuertos para el alcance visual de la pista o en las carreteras para las condiciones visuales. Su principal inconveniente es que la medición se realiza sobre el muy pequeño volumen de aire entre el transmisor y el receptor. Por lo tanto, la visibilidad informada es solo representativa de las condiciones generales alrededor del instrumento en condiciones generalizadas ( niebla sinóptica, por ejemplo). Este no es siempre el caso (por ejemplo, niebla irregular).
Dispersómetro de radar
Un dispersómetro de radar funciona transmitiendo un pulso de energía de microondas hacia la superficie de la Tierra y midiendo la energía reflejada. Se realiza una medición separada de la potencia de solo ruido y se resta de la medición de señal + ruido para determinar la potencia de la señal de retrodispersión . Sigma-0 (σ⁰) se calcula a partir de la medición de la potencia de la señal utilizando la ecuación del radar objetivo distribuido. Los instrumentos del dispersómetro están calibrados con mucha precisión para realizar mediciones precisas de retrodispersión.
La aplicación principal de la dispersometría espacial ha sido la medición de vientos cercanos a la superficie sobre el océano . [1] Estos instrumentos se conocen como dispersómetros de viento. Combinando mediciones sigma-0 desde diferentes ángulos de azimut , el vector de viento cercano a la superficie sobre la superficie del océano se puede determinar usando una función de modelo geofísico (GMF) que relaciona el viento y la retrodispersión. Sobre el océano, la retrodispersión del radar resulta de la dispersión de las ondas de gravedad capilar generadas por el viento, que generalmente están en equilibrio con el viento cercano a la superficie sobre el océano. El mecanismo de dispersión se conoce como dispersión de Bragg , que se produce a partir de las ondas que están en resonancia con las microondas.
La potencia retrodispersada depende de la velocidad y dirección del viento. Visto desde diferentes ángulos de acimut, la retrodispersión observada de estas ondas varía. Estas variaciones se pueden aprovechar para estimar el viento en la superficie del mar, es decir, su velocidad y dirección. Este proceso de estimación a veces se denomina " recuperación del viento" o " inversión de la función del modelo" . Este es un procedimiento de inversión no lineal basado en un conocimiento preciso de la GMF (en forma empírica o semi-empírica) que relaciona la retrodispersión del dispersómetro y el viento vectorial. La recuperación requiere mediciones de un dispersómetro de diversidad angular con el GMF, que es proporcionado por el dispersómetro que realiza varias mediciones de retrodispersión del mismo punto en la superficie del océano desde diferentes ángulos de azimut.
Las mediciones de viento con dispersómetro se utilizan para la interacción aire-mar, estudios climáticos y son particularmente útiles para monitorear huracanes . [2] Los datos de retrodispersión del dispersómetro se aplican al estudio de la vegetación , la humedad del suelo , el hielo polar , el rastreo de los icebergs antárticos [3] y el cambio global . [4] Las mediciones del dispersómetro se han utilizado para medir los vientos sobre dunas de arena y nieve desde el espacio. Las aplicaciones no terrestres incluyen el estudio de las lunas del Sistema Solar utilizando sondas espaciales. Este es especialmente el caso de la misión Cassini de la NASA / ESA a Saturno y sus lunas.
La NASA , la ESA y la NASDA han transportado al espacio varias generaciones de dispersómetros de viento . El primer dispersómetro de viento operativo se conoció como Seasat Scatterometer (SASS) y se lanzó en 1978. [5] Era un sistema de haz de abanico que operaba en la banda Ku (14 GHz). En 1991, la ESA lanzó el dispersómetro europeo por satélite de detección remota ERS-1 Advanced Microwave Instrument (AMI), [6] seguido por el dispersómetro ERS-2 AMI en 1995. Ambos sistemas de haz de abanico AMI funcionaban en la banda C (5,6 GHz) . En 1996, la NASA lanzó el NASA Scatterometer ( NSCAT ), a bordo del satélite NASDA ADEOS I , [1] un sistema de haz de abanico de banda Ku. [7] La NASA lanzó el primer dispersómetro de exploración, conocido como SeaWinds , en QuikSCAT en 1999. Operó en la banda Ku. Un segundo instrumento SeaWinds voló en el NASDA ADEOS-2 en 2002. La Organización de Investigación Espacial de la India lanzó un dispersómetro de banda Ku en su plataforma Oceansat-2 en 2009. La ESA y EUMETSAT lanzaron el primer ASCAT de banda C en 2006 a bordo de Metop - UNA. [8] El Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS), lanzado en 2016, es una constelación de ocho pequeños satélites que utilizan un enfoque biestático al analizar el reflejo de la superficie terrestre de las señales del Sistema de posicionamiento global (GPS), en lugar de utilizar un transmisor de radar.
Contribución a la botánica
Los dispersómetros ayudaron a probar la hipótesis, que data de mediados del siglo XIX, de la dispersión anisotrópica (dependiente de la dirección) a larga distancia por el viento para explicar las fuertes afinidades florísticas entre las masas de tierra.
Un trabajo, publicado por la revista Science en mayo de 2004 con el título "El viento como vehículo de dispersión de larga distancia en el hemisferio sur", utilizó mediciones diarias del azimut y la velocidad del viento tomadas por el dispersómetro SeaWinds de 1999 a 2003. Encontraron un una correlación más fuerte de las similitudes florísticas con la conectividad del viento que con las proximidades geográficas, lo que apoya la idea de que el viento es un vehículo de dispersión para muchos organismos en el hemisferio sur.
Fabricación de semiconductores y precisión
Los dispersómetros se utilizan ampliamente en metrología para la rugosidad de superficies pulidas y lapeadas en las industrias de semiconductores y mecanizado de precisión. [9] Proporcionan una alternativa rápida y sin contacto a los métodos tradicionales de lápiz para la evaluación de la topografía. [10] [11] Los dispersómetros son compatibles con el entorno de vacío, no son sensibles a las vibraciones y pueden integrarse fácilmente con el procesamiento de superficies y otras herramientas de metrología. [12] [13]
Usos
Ejemplos de uso en satélites de observación de la Tierra o instrumentos instalados y fechas de funcionamiento: [14]
- Instrumento NSCAT (dispersómetro de la NASA) en ADEOS I (1996–97)
- Instrumento SeaWinds en QuikSCAT (2001-2009)
- Instrumento OSCAT-2 en SCATSAT-1 (lanzado en 2016)
- Instrumento SCAT sobre Oceansat-2 (2009-2014)
- ISS-RapidScat en la Estación Espacial Internacional (2014-2016)
- ASCAT en satélites MetOp
- La constelación CYGNSS (lanzada en 2016)
Referencias
- ^ a b F. Naderi; MH Freilich y DG Long (junio de 1991). "Medición de radar espacial de la velocidad del viento sobre el océano: una descripción general del sistema de dispersómetro NSCAT" . Actas del IEEE . 79 (6): 850–866. doi : 10.1109 / 5.90163 .
- ^ PS Chang, Z. Jelenak, JM Sienkiewicz, R. Knabb, MJ Brennan, DG Long y M. Freeberg. Uso operacional e impacto de los vientos vectoriales de la superficie oceánica detectados a distancia por satélite en el entorno marino de alerta y pronóstico, Oceanografía , vol. 22, núm. 2, págs. 194–207, 2009.
- ^ KM Stuart y DG Long, Seguimiento de grandes icebergs tabulares utilizando el dispersómetro de microondas SeaWinds Ku-band, Deep-Sea Research Part II , doi : 10.1016 / j.dsr2.2010.11.004 , vol. 58, págs. 1285-1300, 2011.
- ^ DG Long, MR Drinkwater, B. Holt, S. Saatchi y C. Bertoia. Estudios globales de hielo y clima terrestre utilizando datos de imágenes de dispersómetros, EOS, Transactions of the American Geophysical Union , vol. 82, núm. 43, pág. 503, 23 de octubre de 2001.
- ^ WL Grantham, et al., El dispersómetro satelital SeaSat-A, IEEE Journal of Oceanic Engineering , vol. OE-2, págs. 200–206, 1977.
- ^ E. Attema, El instrumento de microondas activo a bordo del satélite ERS-1, Actas del IEEE , 79, 6, págs. 791–799, 1991.
- ^ WY Tsai, JE Graf, C. Winn, JN Huddleston, S. Dunbar, MH Freilich, FJ Wentz, DG Long y WL Jones. Verificación y calibración de sensores posteriores al lanzamiento del dispersómetro de la NASA, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing , vol. 37, núm. 3, págs. 1517-1542, 1999.
- ^ J. Figa-Saldaña, JJW Wilson, E. Attema, R. Gelsthorpe, MR Drinkwater y A. Stoffelen. El dispersómetro avanzado (ASCAT) en la plataforma meteorológica operativa (MetOp): un seguimiento de los dispersómetros de viento europeos, Canadian Journal of Remote Sensing , vol. 28, No. 3, junio de 2002.
- ^ John C. Stover. SPIE Optical Engineering Press, 1995 - Ciencia - 321 páginas.
- ^ Myer, G, et al (1988) "Nuevo enfoque óptico de microscopía de fuerza atómica", Cartas de física aplicada, 53, 1045-1047
- ^ Baumeister, Theodore, et al. (1967) Manual estándar para ingenieros mecánicos. McGraw-Hill, LCCN 16-12915
- ^ John M. Guerra. "Un dispersómetro integrado total práctico", Proc. SPIE 1009, Medición y caracterización de superficies, 146 (21 de marzo de 1989)
- ^ "Rugosidad por dispersometría" . ZebraOptical . Consultado el 30 de diciembre de 2016 .
- ^ "Scatterometry & Ocean Vector Winds: Satellite Studies" . Universidad Estatal de Florida . Consultado el 30 de diciembre de 2016 .
enlaces externos
- Sitio web de Oceanografía física de NASA / JPL
- Sitio del dispersómetro de la ESA
- Pathfinder de registro climático del dispersómetro
- Sitio meteorológico NOAA