Termodinámica de la atmósfera



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Sondeos atmosféricos


Los globos sonda vienen usándose de manera rutinaria desde 1958 para medir perfiles verticales meteorológicos con detalle, que los satélites todavía no son capaces de resolver. Se sueltan varias veces al día a la vez en todo el planeta (como mínimo a las 0 UTC y a las 12 UTC, i.e. 00:00Z y 12:00Z) desde casi unas mil estaciones meteorológicas a lo largo del planeta (varias en España). Recuérdese que la hora internacional (UTC, Universal Time Coordinated), es llamada ‘hora zulú’ en terminología de radiocomunicaciones (zulú es el identificador redundante de la letra Z), pues antes de las siglas UTC (y antes de GMT) se usaba la Z de ‘zona cero’ para referirse a la hora solar en el observatorio de Greenwich.
La sonda es una pequeña caja electrónica de plástico (del orden de un litro y un kilogramo en total) con sensores, procesador de señales, transmisor de radio y baterías. Se mide como mínimo la temperatura ambiente y el punto de rocío durante el ascenso (cada minuto, o así), aunque lo normal es que se mida también la presión, y la velocidad y dirección del viento (mediante posicionamiento tridimensional, que actualmente se basa en GPS por ser más barato que con radar desde el suelo). La sonda va colgada del globo mediante un hilo de unos 30 m de longitud que incluye un paracaídas de papel rojo o anaranjado (ya cerca del globo) para que la sonda no presente peligro al caer sobre zonas habitadas. El globo es de goma natural (látex; a veces se usa goma artificial, neopreno), y se llena hasta 1..2 m de diámetro inicial con hidrógeno (o con helio, aunque es más caro, y en raras ocasiones con gas natural, por disponibilidad). Al ascender (la velocidad de diseño es de 5 m/s) y disminuir la presión exterior, la goma se va expandiendo por sobrepresión hasta que, cuando alcanza unos 30 km de altitud (del orden de 1 kPa) y algunas decenas de metros de diámetro, se produce su rotura natural. El riesgo aeronáutico es mínimo, habiéndose desintegrado la sonda sin apenas huella sobre el avión en los escasos impactos documentados. No siempre es rentable recuperar el equipo, que puede costar 100 € o 200 €, aunque se sepa donde ha caído (suele recuperarse un 20% o 30% de ellos); la caja electrónica va protegida con poliestireno expandido etiquetado para su fácil identificación por el público en general.
El ascenso del globo no es vertical, a causa del viento (puede derivar unos 100 km en la hora larga que suele tardar en alcanzar la cota de rotura), pero no importa mucho porque los gradientes horizontales de las magnitudes atmosféricas son mucho menores que los verticales. Las medidas tampoco son sincrónicas porque el globo tarda una o dos horas en el ascenso; suele tomarse una medida cada minuto (a unos 5 m/s, cada 300 m). El sensor de temperatura suele ser un termistor de baja inercia (< 1 mm de tamaño, <1 s de retraso), con recubrimiento reflectante y de baja emisividad para minimizar el intercambio radiativo (aluminizado), calibrado para dar una precisión de 0,1 ºC en el rango 90..50 ºC, aunque en la estratosfera la radiación puede llegar a contribuir con 1 ºC de más durante el día y 1 ºC de menos durante la noche. El sensor de humedad suele ser una delgada lámina dieléctrica entre electrodos, formando un condensador cuya capacidad eléctrica varía con la humedad relativa del aire ambiente, con una respuesta rápida (menor de 0,5 s a 15 ºC, aunque a 50 ºC puede ser mayor de 100 s y resulta inservible) y una precisión mejor del 5% en todo el rango (0..100% RH); este detector va protegido contra las precipitaciones. El sensor de presión es una cápsula aneroide con transductor capacitivo para la deflexión de la membrana, que ha de ser de alta precisión (mejor de 100 Pa en todo el rango de 0,5 kPa a 105 kPa); sin embargo, puede prescindirse del barómetro si se usa el GPS pues la incertidumbre típica puede ser de 0,1 kPa si se usa un modelo de atmósfera adecuado; con el modelo ISA puede ser de 1 kPa). En la Fig. 9 se presentan algunas medidas del perfil de temperaturas sobre Madrid.

Fig. 9. Perfiles verticales ambientales de temperatura en Madrid. Sondeos del 1-Ene-2009 y del 1-Jul-2009 (0 UTC y 12 UTC horas, i.e. 00Z y 12Z), y comparación con el modelo ISA.


Para el estudio de la estratosfera se usan otros globos mucho mayores [13], llenos de helio parcialmente para facilitar la suelta, que suben hasta 40 km cargas científicas de hasta algunas toneladas, y permanecen flotando varias semanas, arrastrados por el viento, recuperándose la carga en paracaídas tras romper por radio el globo. Para mayores altitudes, para medir en la ionosfera, se lanzan cohetes con radiosondas hasta unos 100 km de altitud, con un paracaídas para ralentizar la toma de datos durante el descenso. En cuanto a otras atmósferas planetarias [14], la única experiencia data de 1985 cuando las dos sondas Vega lanzaron sendos globos en Venus, de unos 12 kg cada uno, que recorrieron miles de kilómetros a unos 50 km de altitud. ¿Podría flotar un globo en la atmósfera de Júpiter sabiendo que ésta es de hidrógeno, el gas más ligero conocido? Sí, calentando el gas interior (i.e. como los terrestres de aire caliente).
A partir de 1960 en que se lanzó el primer satélite meteorológico, la disponibilidad de datos globales, simultáneos, y cada vez más precisos espacial y espectralmente (rutinarios desde el primer Meteosat en 1978), ha cambiado radicalmente la capacidad de predicción, que ya es muy precisa en el corto periodo (hasta 3 días suele haber un 90% de aciertos) en el que todavía es válida la extrapolación casi-lineal; para predicciones de medio y largo plazo (más de 10 días), la dinámica atmosférica tiende a ser caótica (pequeños detalles iniciales predicen estados finales muy diferentes), y ya no son de utilidad los modelos teóricos deterministas, sino que es necesario realizar una simulación estadística, a partir no de un estado inicial único detallado, sino a partir de las predicciones para un conjunto de estados iniciales parecidos.
Actualmente se están desarrollando las medidas meteorológicas basadas en el análisis de la propagación de las señales GPS, con lo que podría llegar el día en que, además del posicionamiento tridimensional del portador, los ubicuos micro-receptores GPS nos proporcionasen la predicción continua del tiempo local.


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