TOMADAS DESDE SATELITES METEOROLOGICOS (PARTE I) Objetivos:
Comprender los principios básicos del canal infrarrojo, IR, de los
satélites meteorológicos, interpretar imágenes IR, analizar estructuras
nubosas y detalles de interés, particularmente las estructuras tormentosas. Notas de autor:
se recomienda al lector que lea antes el primer trabajo sobre el "Uso e interpretación
de imágenes en el canal VIS" en este mismo apartado de "artículos",
sino lo ha hecho ya. Qué es una imagen IR: la temperatura de brillo e imagen térmica Una imagen infrarroja (IR, desde ahora) es aquella que toma un satélite en el llamado canal o banda infrarroja. Las longitudes de onda IR, a las cuales son sensibles los sensores u "ojos" del satélite, son del orden de los 10-12 micrómetros. En dicha zona del espectro electromagnético el "ojo" IR del satélite está detectando estructuras nubosas, terrestres o marítimas que emiten señales en dichas longitudes de onda. El sensor IR como un ojo "térmico" El canal IR se basa en un principio básico de la física nos dice que: " Todo cuerpo que se encuentre a una temperatura determinada emite una radiación electromagnética que depende de dicha temperatura de emisión. A esta temperatura se le denomina temperatura de brillo del cuerpo emisor, Tb de aquí en adelante." El Sol emite a una Tb equivalente del orden de 6.000 ºC. La Tierra, y para un observador en el espacio como es un satélite, emite, por termino medio, como si tuviera una Tb del orden de 17 ºC a 20 ºC. Lo mismo le sucede al ser humano: por poseer un temperatura dada, nuestro cuerpo emite radiación térmica que nuestros ojos, sensible a la luz visible o "blanca", no ven. Otros principios físicos y básicos que vamos a manejar son los siguientes: "A mayor Tb, mayor es la energía emitida por el cuerpo emisor y mayor es el intervalo de longitudes de onda de emisión". O sea, un cuerpo como el Sol (a 6.000 ºC) emite más energía que la Tierra (entre 17 y 20 ºC), como era de esperar, y esta energía está repartida en un espectro de longitudes de ondas mayor: El Sol emite energía en longitudes de onda visible o luz blanca, infrarroja, ultravioleta, rayos X, etc.. Por contra la Tierra, emite menos energía y ésta se concentra, sobretodo, en longitudes de onda del IR (de esto se aprovecha el satélite). El ojo del ser humano es sensible a las longitudes de onda del espectro visible, al igual que el canal VIS de los satélites, pero no ve casi nada en las longitudes de onda del IR. Durante el día vemos sin problemas los cuerpos que nos rodean pero en las noches cerradas o en zonas oscuras nuestra visión no es sensible a la energía térmica o IR que emana de los cuerpos por poseer una temperatura determinada. No ocurre así con otros animales que sus sensores están preparados para trabajar en plena oscuridad y detectar focos de calor: ellos son capaces de ver y generar mapas térmicos de sus presas. Esto mismo hace el satélite en el canal IR: detecta focos térmicos
en el sistema tierra-atmósfera. Por lo tanto, y como consecuencia fundamental
tenemos que:
Cuando el satélite explora a la Tierra en el IR estaremos viendo
las Tb o de emisión con las que emiten las diferentes superficies o
blancos térmicos: el suelo, zonas marítimas, nubes a diferentes alturas,
etc. Por lo tanto:
a.- El día y la noche en el IR: 24 horas de imágenes e información disponible Aquí no tenemos el problema que se presentaba en las imágenes del VIS: las estructuras analizadas siempre emiten con una Tb, independientemente de que estén o no iluminadas por el Sol, por lo que: SIEMPRE tendremos información de las superficies emisoras en el IR (nubes, tierra, mar, etc..). Por este motivo las imágenes IR se suelen utilizar para hacer secuencias o "loops" de imágenes de forma continua en 24 horas y en periodos nocturnos. Los canales de TV en sus informativos meteorológicos suelen usar estás imágenes en sus presentaciones estándares. b.- Imágenes IR y sus representaciones básicas: escala de grises Una imagen IR se suele representar generalmente en una escala de grises. Para hacerlas comprensibles al ojo del ser humano se toman los siguientes convenios: - Las superficies emisoras cálidas (suelos y agua) se presentan con tonalidades negras y oscuras. A mayor temperatura de emisión, mayor es el grado o tonalidad oscura. - Las nubes, que en general son superficies emisoras frías, se representan en grises claros o blanquecinos, y en blanco las más frías. De esta forma mantenemos que las nubes son blancas o grisáceas para la vista humana. En muchos portales de INTERNET o emisoras de TV que suministran imágenes IR las superficies emisoras como los suelos y el mar se colorean con falsos colores para hacerlas más atractivas al público. Nosotros utilizaremos la escala de grises con el convenio anterior, mientras no se diga lo contrario. c.- El IR y las zonas de precipitación Hasta ahora hemos visto que las imágenes IR son en realidad mapas térmicos de las superficies emisoras y, por el convenio anterior, podemos derivar la cobertura nubosa. No le pidamos a las imágenes IR lo que NO nos pueden dar: conocer directamente las zonas donde llueve, nieva, graniza, etc. Al igual que en la imagen VIS, al menos sabremos donde no hay precipitaciones por ausencia de nubes. d.- El IR y la altura de las nubes Si suponemos que
la temperatura en la troposfera decrece a medida que nos elevamos tendremos
que: las nubes más altas (cirros y tormentas bien desarrolladas) poseerán
topes más fríos que las nubes más bajas (estratos y nieblas). De aquí
podemos sacar otra consecuencia importantísima:
Las nubes en los canales VIS e IR: comparación Mira en este ejemplo una imagen IR (izquierda) y compárala con su
contemporánea en el canal VIS (derecha). Recuerda que las superficies
en la imagen VIS deben ser iluminadas por el Sol para poder ser analizadas
y ver sus detalles. Recuerda que en VIS las nubes que más reflejan son
las más espesas y formadas por gotitas de agua; el mar refleja poco
y aparece oscuro en VIS.
En gran parte de Europa era de noche, como se ve en el VIS, pero en el canal IR estamos viendo una imagen térmica de las superficies emisoras, independiente de que estén o no iluminadas por el Sol. Destacar que para las escalas de grises el suelo del desierto, desprovisto de nubes, ofrece una tonalidad oscura o negra ya que su Tb o de emisión es alta o cálida en IR. Las nubes muy altas poseen topes muy fríos y aparecen en blanco como se observa en el sistema frontal del Atlántico y orientado de norte-sur. Las nubes más bajas poseen topes menos fríos por lo que aparecen en tonalidades de gris. Un ejemplo lo tenemos en las nubes del Golfo de Valencia y al norte de la cornisa cantábrica. El suelo de la península sin nubes aparece menos oscuro que él del desierto. Los restos de huracán Félix se encuentran en el borde inferior izquierdo de ambas imágenes. En la VIS se aprecia el giro ciclónico de la perturbación. Las tonalidades grisáceas asociadas en el IR nos indican que los topes nubosos no son muy fríos. Una banda nubosas blanca y fría (IR) pero poco brillante (VIS) penetra por el SW peninsular pero es poco compacta en estos momentos. Observa que al norte de Canarias, en el IR, existe una banda nubosa blanca en forma de línea filamentosa orientada de oeste a este. Al ser blanca es fría y alta: son cirros. En el mismo lugar coexisten nubes grisáceas y, por ende, son algo más cálidas y están más bajas: son estratos o estratocúmulos. En este caso podemos ver estructuras en diferentes niveles o altitudes, esto es, estructuras nubosas en diferentes capas. En resumen, y tomando
una escala de grises como referencia (negro-gris-blanco) en el IR, tenemos
que:
Cuando la imagen IR está falsamente coloreada (no existe una escala de grises como tal) las reglas anteriores hay que matizarlas según el realce utilizado. Esto lo analizaremos más adelante con ejemplos. Qué estructuras nubosas son las más frías y las más cálidas Para interpretar una imagen VIS o IR de satélite el lector debe poseer
un conocimiento básico sobre tipos de nubes. He aquí un breve y simple
recordatorio en función de su posición relativa en la troposfera:
(*) Los Nimbostratos son difíciles de clasificar ya que suelen ser nubes que ocupan porciones bajas y medias de la troposfera y, estrictamente hablando, no son de desarrollo vertical. Aquí se han mantenido como tales porque su aspecto satelitario se asemeja a las estructuras convectivas bien desarrolladas (topes fríos en IR y espesos en VIS) Podemos inferir que las nubes más frías (que equivalen a las más blancas y más altas) son las nubes cirriforme y de ciertas tormentas. Las de tipo medio aparecerán con tonalidades grisáceas blanquecinas. Las nubes bajas se verán en IR con gris tenue difuminado. Por ejemplo las nieblas y estratos bajos son difíciles de ver en IR por contra las nubes altas son "muy llamativas" por su color blanco. En igualdad de condiciones del tipo de nubes, las más frías serán las de más espesor. Así los cirros translucidos poco espesos darán una señal menos intensa que los cirros espesos y profundos en el IR. Las tormentas en el canal IR: cirros cumulogénitus Un caso especial lo constituyen las nubes de desarrollo vertical de tipo cumuliforme que crecen en altura a medida que se desarrollan. Estas nubes poseen varias fases en su ciclo de vida: a) Fase cúmulo congestus. Al comienzo las corriente ascendentes generan nubosidad en las capas bajas-medias y los topes nubosos se verán poco fríos en el IR (grises). b) Fase de cumulonimbus, Cb. Cuando las corrientes ascendentes llevan a ciertas porciones de la nube a alturas del nivel de tropopausa, o cerca de ella, los topes serán muy fríos y aparecerán en IR como blancos. Por lo tanto los cumulonimbos bien desarrollados y de cierto tamaño aparecen en IR como nubes muy frías/altas/blancas. c ) Fase de Cb y desarrollo de cirros cumulogénitus. En esta fase la parte alta de los Cb aporta gran cantidad de cristalitos de hielo en capas superiores cubriéndose y expandiéndose en la dirección de viento en capas altas: se generan los llamados cirros cumulogénitus. En esta fase y en la imagen IR observaremos un crecimiento espectacular de la zona nubosa pero realmente gran parte de dicha nubosidad se corresponde con topes fríos cirriformes que dan una apariencia engañosa a la zona convectiva y activa, que es mucho menor que la que vemos en el canal IR. !!Cuidado¡¡: muchos presentadores del tiempo que utilizan las imágenes IR en TV para comentar lo ocurrido en el día confunden estos cirros con la propia parte activa de la convección. Este mismo hecho ocurre con algunos sistemas frontales que van precedidos por capas de cirros muy llamativos en IR pero que no dejan precipitación alguna. Qué pasa con la superficie terrestre desprovista de nubes: calentamiento diurno y enfriamiento nocturno El suelo aparecerá en negro en IR si está sometido a altas temperaturas (desierto). En las zonas de latitudes medias el suelo aparece con gris tenue y en latitudes frías como gris o incluso blanquecino. Al analizar una secuencia de imágenes IR podemos ver como el suelo de la península Ibérica pasa a tener tonalidades oscuras en las horas del día, y sobre todo en verano, y, posteriormente, da tonalidades más claras durante la noche, y aún más en invierno al irradiar con menor Tb. Las zonas marítimas aparecen con tonalidades algo oscuras pero sobretodo son más inertes a los cambios térmicos que genera el ciclo diurno. De lo comentado
hasta ahora tratemos de identificar elementos significativos en este
par de imágenes IR&VIS.
Las nubes convectivas muy desarrolladas en la vertical dan topes muy fríos en IR y aparecen blancas. En VIS las zonas más activas son las de mayor espesor vertical y aparecerán muy blancas. En este sentido, observe los cuatro núcleos convectivos que están en Alborán, norte de Africa y las costas andaluzas del Mediterráneo. Sino disponemos de la información VIS podríamos pensar que TODA la zona de Alborán y parte de Andalucía oriental está afectada por núcleos convectivos en el IR. Nada más lejos de la realidad: los focos convectivos resaltan mucho en VIS. Los cirros cumulogénitos dan un aspecto muy espectacular a la convección en IR de lo que realmente es. La masa nubosa que afecta al Golfo de Valencia, y en general a las costas mediterráneas, dan tonalidades grisáceas en IR, son nubes más bajas que las de Alborán. En VIS se ven brillantes y con aspecto compacto, globular y definidas: son espesas. Estamos frente a desarrollos convectivos menos intensos que los que afectan a la zona de Andalucía oriental. En horas posteriores aparecieron focos convectivos muy intensos en la Comunidad Valenciana. Recapitulemos. De lo comentado hasta ahora tenemos que en el IR: Las superficies emisoras más frías serán las nubes que se encuentren en niveles más altos y por tanto su Tb de emisión será muy baja. En esta escala tenemos a los cumulonimbos, o focos tormentosos bien desarrollados, y cirros espesos. Recuerde que los cirros pueden existir solos como tal o ser de origen cumulogénitus: cirros formados por la propia convección. Las superficies emisoras más cálidas son las áreas sometidas a fuertes calentamientos diurno por el Sol: las arenas de los desiertos. Hay que hacer notar de nuevo que los cirros, como los de origen cumulogénitus, dan una señal muy espectacular cuando se observan en IR: aparecen como nubes muy blancas, pudiendo existir o no convección de bajo de ellas. Para salir de incertidumbre basta analizar la imagen VIS correspondiente (ver figuras anterior). Las zonas convectivas más activas que han desarrollado una capa de cirros en el IR se caracterizan porque en VIS aparecen como nubes compactas y brillantes. La zona de cirros sin convección aparecen blancas en IR pero muy tenues en VIS ya que al estar formada por cristalitos de hielo reflejan en VIS muy poco y de ahí su débil señal en VIS. Antes de seguir hagamos una pausa para repasar y evaluar lo que hemos
aprendido:
Qué y cómo debo analizar en una imagen IR Repetiremos aquí algunas de las consideraciones que hicimos con las imágenes VIS: Cuando se analiza una imagen de satélite se debe comenzar por una imagen simple del tipo de METEOSAT. En ella deberemos buscar las zonas nubosas que nos interesen: las que nos estén afectando o nos vayan a afectar. A veces serán nubes de frentes fríos y cálidos, otras veces trataremos de ver nieblas (nubes bajas). Otras nubes muy importantes son las nubes tormentosas o de desarrollo vertical, etc. Poco a poco iremos descubriendo cómo se ven unas y otras. Un ejercicio muy recomendable será el disponer cerca de nosotros de un mapa meteorológico de superficie de una hora próxima a la de la imagen con el dibujo de isobaras, borrascas y anticiclones, frentes, etc... que siempre lo podremos descargar desde la red. Si además disponemos de un mapa de 500 hPa, tanto mejor. Trata de relacionar las estructuras nubosas con los elementos meteorológicos de dichos mapas. Indicar que siempre debemos analizar desde las estructuras nubosas más grandes a las más pequeñas y no al revés. Interpretar imágenes de satélite requiere ciertos conocimientos básicos, habilidad y un poco de práctica. A medida que estos artículos vayan progresando iremos analizando las imágenes VIS y descubriremos detalles locales de nuestras zonas que se nos pasarían por alto si sólo utilizamos otro tipo o fuente de información. Por lo tanto para comenzar trataremos de:
Indicaremos algunas ejemplos singulares, de los muchos que podemos encontrar en la red, sobre imágenes de satélites meteorológicos. a) Imágenes falsamente coloreadas En muchos portales se ofrecen imágenes IR con falsos colores con objeto de hacerlas más atractivas al público. En algunos casos se suelen presentar, por ejemplo, las zonas marítimas en azul y las terrestres en ocre u otro color que recuerde a la superficie de la tierra. Las nubes se siguen presentando en tonalidades de blancas. Este mismo hecho lo vimos con la VIS. Aunque de cara al público estas imágenes son muy llamativas, no es menos cierto que se suele perder información de capas bajas. Te recomiendo que trabajes con las que lleven asociada una escala de grises con objeto de no perder detalles. Veamos algunas falsamente coloreadas.
b) Imágenes IR escaladas o coloreadas según su temperatura de brillo: realces físicos Estas imágenes son menos populares pero fundamentales en la predicción meteorológica. Teniendo en cuenta que la imagen IR es un mapa térmico de Tb de las superficies emisoras, se puede resaltar o colorear dicha imagen con colores que destaquen cierto rango de Tb o tipo de nubes. Si busco convección con topes muy fríos podré colorear las nubes con Tb < -32 ºC u otro umbral dado. Este tipo de realce es diferente al anterior pues está basado en un principio físico y no "colorista". Su objetivo fundamental es poner de manifiesto cierto tipo de nubes según rangos de Tb. Los servicios meteorológicos suelen disponer de una gama de realces específicos para diferentes fines: detección de nieblas, frentes, focos convectivos intensos, etc.
c) Cambios de proyección Otro hecho común es ver imágenes en proyecciones diferentes a las puramente satelitarias. Las proyecciones más usadas, al igual que el VIS, son la Polar Estereográfica, Mercator, Lamber, .. entre otras. Las razones de cambio de proyección satelitaria a otro tipo de presentación son varias. La más importante es que la mayoría de los servicios meteorológicos trabajan con algún tipo de proyección, anteriormente comentada, con los mapas del tiempo operativos según sus necesidades, etc... Es muy útil representar una imagen de satélite como fondo de un mapa de superficie o de altura (500 hPa) y así un predictor puede trazar o dibujar frentes, centro de bajas presiones, etc.. de forma más realista e intuitiva. Veamos algunos ejemplos.
d) Imágenes IR globales: imágenes polares El disponer de una serie de satélites situados estratégicamente en el espacio permite el poder componer imágenes IR, VIS y de WV a nivel global. Aquí tenemos varios ejemplos:
e) Combinación de imágenes IR y VIS Los canales VIS e IR se pueden componer físicamente (VIS+IR) para obtener una imagen compuesta, productos derivados o mejores representaciones de las masas nubosas y de la superficie terrestre. Por ejemplo, el uso combinado de los canales VIS e IR permite realizar clasificaciones automáticas de nubes. Aquí tienes dos salidas: una para EEUU y otra para las zonas de Escandinavia. Observe la escala de colores y el tipo de nube asociada. El ojo humano bien adiestrado supera hoy en día a las técnicas objetivas de clasificación nubosa.
f) Imágenes centrada en la península Es muy útil disponer de imágenes y loops centrados en la península Ibérica por razones obvias. Aquí puedes ver dos portales que las sirven en tiempo real:
- Lo comentado en este apartado para el VIS vale, en su gran mayoría para el IR. - A partir de datos de modelos numéricos y de un modelo de transferencia radiativa se pueden generar imágenes "previstas" de IR (y de vapor de agua, WV). Son las llamada pseudoimágenes. En este ejemplo vemos una salida proporcionada de Meteo-France. La escala usada es la de grises sobre un fondo que trata representar al suelo. De la misma forma se pueden generar secuencias de pseudoimágenes previstas y así tener, de un vistazo rápido, la predicción de un modelo dado. - Algunos satélites llevan varios sensores diferentes en la banda del IR para resaltar aspectos especificos del sistema Tierra - atmósfera. El METEOSAT actual sólo lleva uno pero la serie de satélites TIROS/NOAA (polares americanos) llevan dos. Los satélites geostacionarios GOES llevan varios canales en el IR. - La segunda generación
de satélites METEOSAT, que se lanzarán en un futuro cercano, va a ser
mejor que el actual. Ver tabla adjunta comparativa.
- Atlas de imágenes de METEOSAT, Brimacombe C.A., 1991. Instituto Nacional de Meteorología. Versión castellana. Libro con muchas imágenes comentadas de los tres canales del METEOSAT. -->>> Algunos módulos o páginas en la Red (en español) a.- Muy básicos e informativos - Interpretación de imágenes satelitales. Silvia Larroca. - Imágenes METEOSAT. Davis' Web - Imágenes de Satélites. Imágenes de diferentes satélites en tiempo real y algunos productos derivados. Existe un apartado básico sobre cómo interpretarlas. Muchos ejemplos. b.- Algo más avanzados - Interpretación de imágenes de satélite. Olinda Carretero Porris y Fermín Elizaga Rodriguez. WEB externa del INM. http://www.inm.es/ apartado de " La Ciencia Meteorológica " --> Divulgación --> Interpretación de productos de Teledetección. - Utilización subjetiva de las imágenes de satélites meteorológicos en las labores Predicción: Identificación de nubes. Francisco Martín Léon. ACAM (Asociación Catalana de Meteorología). - Interpretación y uso de las imágenes visibles (VIS) tomadas de los satélites meteorológicos (PARTE I). Por Nimbus. En este mismo portal de METEORED. - Interpretación de imágenes de satélites sobre Sudamérica. Velasco, I., Di Lorenzo, N. L., Flores, A. L. y Nuñez, J. M. Grupo SAT-RAD (Grupo Desarrollo de Productos Satélite y Radar ). Depto. Ciencias de la Atmósfera, Universidad de Buenos Aires. 1428 Buenos Aires, Argentina Presenta los principios físicos sobre radiación electromagnetica. Para quien quiera avanzar en aspectos teóricos-prácticos y más cosas.
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