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AIRBUS Defence and Space, S.A.
Environment CoC – TAGC
Resumen: El Programa Copérnico, establecido en el año 2014 como emblema del Programa de Observación de la Tierra de la Unión Europea es la respuesta al reto europeo de observación de magnitudes ambientales y su efecto en el calentamiento global del planeta. Su objetivo es asegurar una capacidad autónoma de observaciones y proporcionar servicios operacionales en los campos de la atmósfera, el mar, la tierra y el seguimiento y monitorización del cambio climático, la gestión de situaciones de emergencia y la seguridad. El catálogo de productos de los servicios de información ofrecidos por “Copérnico” estará basado en la adquisición de observaciones adquiridas en el espacio y también “in situ”, proporcionados por los componentes y sistemas de “Copérnico” incluidos en los modelos de la Tierra y otros sistemas informatizados.
Palabras clave: Medio Ambiente; Calentamiento global; Satélites; Magnitudes climáticas. .
Abstract:The Copernicus Programme established in 2014 as the flagship Earth Observation programme of the European Union is the response to the challenge of observing climatic magnitudes and its effect in the earth global heating. Its objective is to ensure an autonomous capacity for space-borne observations and provide operational services in the field of atmosphere, marine, land and climate change monitoring, emergency management and security. The portfolio of Copernicus operational information services will be based on the ingestion of space-based and in-situ observations provided by the Copernicus space and in-situ components into Earth system models or other computer systems.
Keywords: Environment; Earth global heating; Satelites; Climatic magnitudes.
Introducción
El programa “Copérnico” pretende aportar un cambio significativo, suministrando servicios fiables, puntuales y precisos para mejorar la gestión medioambiental, comprender y reducir los efectos del cambio climático y apoyar la respuesta a situaciones de emergencia.
El éxito de esta iniciativa radica en el suministro de datos fiables captados, en su mayoría, por una flota de satélites de observación de la Tierra, que se complementan con los datos que suministran satélites de otros estados miembros del programa.
A través de una interfaz única armonizada, el repositorio de datos de “Copérnico” ofrece a todos los usuarios un acceso completo y coordinado a sus datos espaciales, procedentes tanto de las misiones del proyecto como de otras misiones que contribuyen al programa.
El catálogo del Programa “Copérnico” consta de tres servicios básicos de información:
- el Servicio de Monitorización del Medio Ambiente Marino (Copernicus Marine Environment Monitoring Service: CMEMS),proporcionado por Mercator-Ocean,
- el Servicio de Monitorización Atmosférica (Copernicus Atmosphere Monitoring Service: CAMS)
- el Servicio de Cambio Climático (C3S: Copernicus Climate Change Service), este y el anterior proporcionados porel Centro Europeo de Predicciones Meteorológicas a Medio Plazo (ECMWF: Medium Range Weather Forecasts ).
Los datos de observación de la Tierra y los productos que se necesitan por los servicios de observación de “Copérnico” necesitan ser recogidos por sistemas embarcados en satélite y por redes de instrumentación y medición “in-situ”. Por lo tanto Europa está desarrollando, dentro del programa “Copérnico”, una serie de misiones de satélites para la observación de la Tierra, los denominados “Sentinels”. En cuanto a las contribuciones de las misiones existentes, está utilizando en particular las del programa EUMETSAT, y coordinará la recolección de los datos desde las redes de observación “in-situ” establecidas por la Agencia Medioambiental Europea (EEA).
EUMETSAT es el programa de la Agencia Europea de Medio ambiente para el seguimiento y control del tiempo y el clima desde el espacio y está equipado para dar apoyo al Programa “Copérnico” de la Unión Europea en las áreas previstas por las reglas de su Convención.
Por lo tanto, la Unión Europea ha confiado a la Agencia Europea y EUMETSAT la explotación de cuatro misiones Sentinel (por ejemplo, la misión marina Sentinel-3 así como las Sentinel-4, -5 y -6) dedicadas a la monitorización de la atmósfera, el clima y el océano.
También se ha ampliado hasta el año 2020 el suministro de datos desde el satélite TerraSAR-X al almacén de datos de ”Copérnico”. TerraSAR-X seguirá suministrando datos radar de alta resolución a entidades públicas europeas en el marco del programa ”Copérnico”. Su fiabilidad y elevada precisión convierten a este satélite en una fuente de datos perfecta para toda una serie de aplicaciones de vigilancia marítima.
Airbus Defence and Space, propietaria de los derechos de distribución comercial de los datos TerraSAR-X, y la ESA (Agencia Espacial Europea) han firmado un contrato que garantizará el suministro continuo de datos TerraSAR-X al catálogo de datos de “Copérnico”. El acuerdo es válido hasta finales de 2020 y dará continuidad al éxito de la cooperación entre Airbus Defence and Space y la ESA en cuanto al suministro de datos TerraSAR-X a entidades públicas por toda Europa, que se estableció en 2008.
TerraSAR-X ha sido una fuente de datos clave, especialmente para actividades relacionadas con seguridad y respuesta a emergencias, necesidades de vigilancia fiable y detección de cambios, tanto dentro como fuera de Europa. Su excepcional fiabilidad y su elevada precisión lo convierten en una fuente de datos perfecta que encaja dentro del enfoque multimisión de este programa.
2.Satélite CRYOSAT-2.
Sabemos que el nivel de los mares está aumentando y los datos recogidos por el satélite CryoSat-2 están evidenciando la contribución del deshielo en Groenlandia y la Antártida a este fenómeno. Hay muchos factores que indican que este cambio climático no es un fenómeno estacional, es decir, que sea únicamente un efecto temporal, opinión de aquellos que dudan del cambio climático
Los cambios que estamos observando actualmente, gracias a los datos recogidos por el satélite CryoSat-2, son tan dramáticos que no podemos discutir que tendrán un efecto permanente.
El satélite CyroSat-2 celebró sus cinco años de permanencia en el espacio en 2015, superado las expectativas esperadas. El satélite ha proporcionado un conocimiento que sus diseñadores no esperaban, debido a la extrema precisión de sus datos.
Por ejemplo, los datos dan información de la profundidad del hielo de la Antártida y de una completa red de lagos subterránea, uno de ellos tan grande como 350 000 campos de fútbol. Cómo es la extensión de estos lagos y el conocimiento de cómo cambian es un conocimiento que hemos obtenido únicamente a través del CryoSat-2.
3. Satélites de la serie SENTINEL
La misión Sentinel-3 está diseñada específicamente para garantizar, a largo plazo, la recopilación y el suministro operativo de mediciones de alta calidad para servicios de vigilancia de océanos, tierras emergidas y de la atmósfera.
Los satélites están basados en la experiencia y los datos acumulados en las misiones ERS, Envisat y SPOT, construidas por Airbus, e incluyen mejoras para cumplir con los requerimientos operativos de revisita y para facilitar el desarrollo de nuevos productos y servicios. Asimismo, ampliarán la observación a aguas interiores y zonas costeras.
El objetivo principal de la misión Sentinel-3 consiste en hacer un seguimiento de los océanos y medir su temperatura, color y la altitud de su superficie, así como el grosor del hielo marino. Los datos recopilados permitirán a los científicos vigilar los cambios en el nivel del mar y en la temperatura de su superficie y hacer un seguimiento de la calidad del agua, la contaminación marina y la productividad biológica.
Sentinel-3 también ofrecerá un servicio de vigilancia terrestre que incluye detección de incendios forestales, cartografía de la cobertura terrestre y seguimiento del estado de la vegetación, suministrando así datos complementarios a la misión óptica multi-espectral de Sentinel-2.
El último de los satélites del programa “Copérnico”, puesto en órbita el pasado 16 de febrero, es el Sentinel-3A, el primero de los dos modelos de satélites Sentinel-3, cuyo contratista principal es Thales Alenia Space, puesto en órbita desde el cosmódromo de Plesetsk, en Rusia, a bordo de un lanzador Rockot1
.
Sentinel-3A tiene un tamaño similar al de un vehículo compacto, pesa 1150 kilogramos y está diseñado para una vida útil operativa de siete años.
El Sentinel-3A lleva una carga útil con cuatro instrumentos:
- Un altímetro, complementado con un radiómetro de micro ondas (MWR) de Airbus Defence and Space, para medir la topografía de la superficie. El radiómetro, de 26 kilogramos de peso, medirá la radiación térmica que emite la Tierra y permitirá añadir a los pulsos del altímetro los retardos de señal causados por la humedad presente en la troposfera, a fin de obtener datos más precisos, con una precisión mejor que 0,3 K. Esto eliminará los errores de señal causados por el vapor de agua presente en la atmósfera y permitirá hacer un seguimiento preciso de toda una variedad de superficies acuáticas, por ejemplo: el mar abierto, zonas costeras, hielo marino y aguas interiores
- Dos instrumentos adicionales que medirán, de forma independiente, el color y la temperatura de océanos y tierra, incluyendo lagos y ríos.
El satélite ha entregado ya una serie de impresionantes imágenes obtenidas por su instrumento de medición del color de la Tierra y el océano y por su altímetro (ver figura 4).
Otros beneficios que se esperan de la misión son:
- Las medidas de la topografía de los océanos, a partir de la presión equivalente de la atmósfera, permite una predicción numérica y tridimensional del oceáno, qué es un requisito previo para el desarrollo de la oceanografía operativa, de forma sinérgica con la meteorología marina.
- El desarrollo de la oceanografía operacional es necesaria para mejorar las predicciones meteorológicas de las condiciones del tiempo, capaz de ser previstas con una antelación de dos a cuatro semanas, por ejemplo, las olas de calor o los aguaceros de alta intensidad y duración y en las próximas estaciones (predicciones estacionales), por ejemplo un invierno frío, o un verano caluroso, como resultado de la influencia sostenida del océano en la atmósfera.
- Variaciones en el nivel del mar (de algunos milímetros por año) en nuestro cambio climático pueden ser únicamente monitorizadas con una escala global por las observaciones HPOA, y las mediciones de la topografía superficial son esenciales para comprender cómo el océano almacena y redistribuye el calor, el agua y el dióxido de carbono en el sistema climático.
En el futuro, los satélites de la serie Sentinel-6 – de lanzamiento previsto entre 2020 y 2026 – medirán cómo está cambiando
el nivel del mar, también como parte del Programa Europeo de observación “Copérnico”, lo que no se ha hecho anteriormente
por otros satélites.
Sentinel-6 asegurará las medidas de la variación del nivel del mar de forma continua, durante los próximos 15 años.
3.1. Radiómetro para la medición de la temperatura de la superficie marina y de la Tierra
El radiómetro para la medición de la temperatura de la superficie marina y de la Tierra se denomina SLSTR, en sus siglas inglesas.
Airbus Defence and Space ha sido responsable de la arquitectura térmica del módulo interfaz de carga útil y el módulo de servicios, que garantizará un funcionamiento correcto bajo los cambios extremos de temperatura a que estará sometido el satélite una vez en órbita, así como de un sistema de refrigeración criogénica para el SLSTR.
El diseño del Radiómetro SLSTR es una mejora de los radiómetros tipo AATSR para incluir una banda de observación de hasta 1 400 km de ancho en la visión más baja y de 740 km en la visión dual. Asimismo, el instrumento puede medir la temperatura del mar, la tierra y el hielo, los aerosoles atmosféricos y las propiedades de las nubes y los fuegos de los incendios (tanto las llamaradas de gas sobre la tierra, como sobre los océanos). Esto ayudará a realizar mapas de las emisiones de carbono a partir de la biomasa quemada y para evaluar los daños asociados, así como para estimar la recuperación de las zonas quemadas.
Debido a la importante contribución de la temperatura de la superficie del mar en la temperatura total, es este un dato de entrada utilizado en la predicción meteorológica y del tiempo oceánico, para la observación y monitorización de los sistemas de corrientes oceánicas y de los frentes oceánicos, los remolinos, las surgencias, los ecosistemas marinos y el desarrollo y control de los eventos a gran escala del “Niño y la Niña”
La temperatura de la superficie del mar es un dato que se utiliza también para mejorar el conocimiento de los científicos sobre las capas de la superficie del mar, la variabilidad de la zona superior de los océanos, su transferencia energética y las interacciones aire-mar.
Otras importantes áreas de desarrollo incluyen el desarrollo de un mejor conocimiento del impacto de los cambios en la temperatura de la superficie del océano en el transcurso del día y los cambios entre la temperatura en la superficie y las profundidades del océano.
Lo más novedoso de la instrumentación SLSTR es que registra una vista doble de su trayectoria en su órbita terrestre, lo que
significa que obtenemos mediciones más exactas de la temperatura de la superficie oceánica.
Los canales térmicos estarán trabajando en unas pocas semanas, pero este último satélite de la serie Sentinel, dentro del programa “Copérnico” ya ha impresionado con sus primeras imágenes (ver figura 6), aunque mejorarán tal y como se espera, con los trabajos de ajuste que se realizarán los próximos cinco meses y dejarán al satélite totalmente listo para sus operaciones.
3.2. Medidas de color
Las medidas colorimétricas del océano (OLCI) proporcionarán una supervisión global de la clorofila y una aproximación al fitoplacton y la biomasa, utilizada para estimar la capacidad de producción primaria. En la última década las aplicaciones de datos de los colores de los océanos obtenidos por medio de la observación de los satélites, han hecho importantes contribuciones a la geo-bio-química de los océanos, a la física oceanográfica, a la evaluación de los ecosistemas, a la oceanografía de las pesquerías y a la gestión costera. Estos productos proporcionarán un valor normalizado de la reflectancia de la superficie del agua, la medición de la concentración de la clorofila en las aguas costeras o en en mar abierto, la materia sólida total en suspension (TSM), los detritus coloreados y el material disuelto, la radiación fotosintética disponible (PAR) y la profundidad de gases tipo aerosol sobre la superfice del agua.
La Instrumentación para las medidas Colorimétricas de Tierra y del Océano (OLCI) a bordo del satélite Sentinel-3A serán observadas en 21 bandas de estrecho espectro de las zonas del visible y el infrarrojo cercano con una resolución de 300 metros.
Con un anchura de 1 270 km y cinco cámaras inclinadas, que están diseñadas especialmente para reducir el resplandor solar, la instrumentación para la determinación del color de la tierra y el océano proporcionará una cobertura global de los colores de los océanos, en menos de dos días con dos satélites Sentinel-3A en operación.
Asimismo, mejorará las mediciones de color del océano de resolución media tomadas por la instrumentación MERIS del satélite ENVISAT durante los años comprendidos entre 2002 y 2012.
La influencia principal en el color de los océanos en las “aguas limpias“ es el fitoplacton, plantas microscópicas marinas que son la base de la cadena marina de alimentación. Como las plantas sobre la tierra, el fitoplacton usa la clorofila y otros pigmentos ligeros que atrapan la luz para llevar a cabo el proceso de fotosíntesis, convirtiendo el agua y el dióxido de carbono en nueva materia orgánica y en oxígeno, en este proceso generan la mitad del oxígeno existente en la atmósfera.
Las mediciones del color de los océanos desde el espacio proporcionan una monitorización global del fitoplacton y da a los científicos valiosos datos sobre la salud del medio ambiente acuático y del ciclo global del carbono en los océanos (ver figura 10).
3.3 Sistema de instrumentación SRAL
En la figura 11 se muestran las primeras series de medidas adquiridas por el Radar Altimétrico de Apertura Sintética (SRAL) del Sentinel-3A, inmediatamente después de su conexión. El instrumento será una herramienta vital para el seguimiento cercano de los cambios en las superficies de las aguas oceánicas, el estado de calidad de mar y el espesor del hielo. Los datos de seguimiento, que son tomados en la corriente marina del Golfo, se pueden comparar muy bien con los anteriores tomados por los satélites CryoSat, Jaso- 2 y Altika.
La combinación del altímetro y el instrumento SLTSR proporcionará medidas de alta resolución de la temperatura de la superficie del mar y será utilizado para generar mapas de altura de la superficie de mares o lagos, así como la “altura significativa de las olas marinas” (o HS: “significant wave height”) (ver figura 9), medir la velocidad del viento en superficie y la altura y espesor del hielo marino.
El SRAL a bordo del satélite Sentinel-3A también proporcionará las medidas para la determinación de la topografía de la superficie del mar en el modo “SAR“, con una resolución espacial de 300 m.
El instrumento “SRAL“ está soportado por un radiómetro de microondas para la corrección atmosférica y por un receptor “DORIS“, un Sistema de Navegación Global por satélite, y retro-reflector laser para determinar su posición en el espacio con una gran exactitud y precisión.
4. Innovaciones en la instrumentación, la trazabilidad y calidad de los datos
La tecnología de la instrumentación y las nuevas capacidades de calibración están mejorando de forma significativa la calidad y fiabilidad de los datos obtenidos.
Se han utilizado diferentes métodos de calibración (temperatura/ tablas de radiación) para los satélites de la serie Meteosat para convertir las radiancias a temperaturas de cuerpo negro. Las aplicaciones cuantitativas de las observaciones de satélite necesitan de la calibración de sus datos originales.
Se puede obtener información adicional sobre estos procedimientos de caracterización y conversión en los enlaces [1] a [5] de las referencias.
Por otro lado, los métodos de intercalibración comparan los valores de un instrumento de referencia, con unas características muy bien conocidas, con unas observaciones ordenadas de otro instrumento, para proporcionar las correcciones de calibración derivadas para aplicarlas posteriormente. Esto asegura la consistencia entre los datos de instrumentos distintos. La calibración inter-satélite es beneficiosa por las siguientes razones:
- Permite la identificación de problemas e incrementa la confianza en la calibración individual de los satélites. Por lo tanto, la intercalibración puede servir como una herramienta de monitorización de los procedimientos de calibración.
- Puede proporcionar la base para una calibración normalizada, que es un requisito previo para la obtención de productos derivados de satélites distintos.
La “carga de pago” está compuesta por los siguientes instrumentos:
- Un radar altimétrico, desarrollado por la ESA (Agencia Espacial Europea), basado en la instrumentación SARL del Sentinel-3 SARL, pero con un nuevo diseño, desarrollado para permitir la combinación de los modos SAR y LRM.
- Un radiómetro de microondas, proporcionado por NOAA; un Sistema de navegación (GNSS) para la determinación precisa de la órbita, un receptor desarrollado por la ESA y derivado del receptor GNSS del Sentinel-3.
- El mismo receptor DORIS de los satélites Jason-3 y Sentinel-3; y el mismo tipo de Reflector Laser Array del Jason-3, proporcionado por la NOAA.
- Un instrumento de radio ocultación, basado en un receptor Tri-G proporcionado por NOAA.
Además, para asegurar la exactitud de las mediciones del cambio del nivel de la superficie del mar es importante disponer de altímetros en un grupo de satélites, y unos de los considerados clave son los altímetros para la medida de altimetría oceánica del satélite Jason, que actúan como patrón en la misión y contra los que se calibran los demás instrumentos. Esto significa que los instrumentos de medida de la superficie marina del satélite Sentinel-3A serán calibrados por medio de calibraciones cruzadas contra las referencias proporcionadas por el Jason-3, que será el altímetro de referencia en la misión hasta el año 2020, cuando el satélite Jason-CS/Sentinel-6 tomará el relevo.
Con la combinación óptima de las misiones de altimetría de los satélites Jason-3 y la del futuro Sentinel-6, y la misión de altimetría del Sentinel-3, Europa, en cooperación con los Estados Unidos, será capaz de proporcionar la referencia y la columna vertebral de la constelación de satélites que se espera cumplan con los requisitos que necesita la oceanografía operacional y la medición y seguimiento de la superfìcie del mar para las próximas dos décadas.
Las actividades de intercalibración de EUMETSAT están coordinadas a través del GSICS (Sistema de intercalibración Espacial)
El método global de intercalibración basado en sistemas espaciales, “GSICS”, consiste básicamente en la intercalibración de un rango variado de instrumentación de los satélites y proporcionar las correcciones que aseguren que sus datos son consistentes, permitiendo ser utilizados para proporcionar productos homogéneos para la monitorización medioambiental. Aunque estos instrumentos operan con diferentes tecnologías y para aplicaciones diferentes, su intercalibración se basa en los mismos principios: las observaciones se recogen, transformadas, comparadas y analizadas para producir funciones de corrección de calibración, transformando las observaciones en referencias comunes.
Para asegurar la máxima consistencia y la trazabilidad metrológica, es necesario basar todos los algoritmos de intercalibración en principios comunes, siguiendo una aproximación jerárquica:
1) Este algoritmo está se define a través de una serie de pasos generales:
-
a) Sub- ajuste.
-
b) Almacenamiento de datos.
-
c) Transformación de los datos.
-
d) Filtrado.
-
e) Control de los datos.
-
f) Corrección de datos.
2) Cada paso comprende un número discreto de componentes, ajustados a los contenidos.
3) Cada componente puede ser definido de forma jerárquica, comenzando desde los, que son aplicables a todas las intercalibraciones, construyendo los detalles para la implementación de parejas específicas de instrumentos:
4) Se describe el propósito de cada componente en este diagrama de flujo genérico:
- Proporcionar diferentes opciones para definir cómo se puede implementar, en general.
- Procedimientos recomendados para cada tipo de intercalibraciones (por ejemplo: GEO-LEO).
- Proporcionar detalles específicos para cada pareja de instrumentos (por ejemplo: SEVIRI-IASI).
La implementación del algoritmo solo necesita seguir la lógica normal, por lo que los componentes no necesitan ser ejecutados en una forma extrictamente secuencial. Por ejemplo, algunas partes pueden ser realizadas de forma iterativa, o componentes múltiples pueden combinarse dentro de un lazo simple dentro del código de calibración.
4.1 Algoritmo de Intercalibration EUMETSAT Meteosat-IASI.
Este algoritmo es el documento básico teórico (ATBD) para la intercalibración de los canales infrarrojos, “SEVIRI” de los satélites geoestacionarios (GEO) Meteosat de segunda generación y MVIRI los satélites Meteosat de primera generación con el interferómetro infrarrojo sónico atmosférico (IASI) a bordo del satélite LEO Metop. Este documento se refiere a la versión presentada como candidata a producto operacional (GSICS), denominada de forma provisional como operacional/v1.0.0. Los cambios a partir de las versiones previas se detallan en la Guía de Usuario [EUMETSAT, 2015].
Los detalles completos se pueden obtener en las referencias [6], [7] y [8]. A continuación se puede ver una tabla resumen.
Significado de las siglas:
- MFG Calibration — information relevant to the Meteosat First Generation programme
-
R/WV channel calibration methods, coefficients and historial calibration details.
- MSG Calibration — information relevant to the Meteosat Second Generation programme, including SEVIRI solar channel coefficients, pre- and post-launch calibration details.
Referencias
[1] IMETEOSAT IR/WV CHANNEL CALIBRATION METHODS
[2] Vicarious Calibration (PDF, 117 KB) was the only available method from the start of the Meteosat Programme.
[3]Black Body Calibration (PDF, 222 KB) is used for Meteosat-7 since 29 May 2000 and was slightly updated on 4 January 2001.
[4] Satellite Cross Calibration (PDF, 122 KB) was used for Meteosat-5 from 31 May 2001.
[5] Satellite Intercalibration (PDF, 98 KB) with non-EUMETSAT spacecraft for development of a globally normalised calibration.
[6] ATBD for EUMETSAT Operational GSICS Inter-Calibration of MeteosatI ASI ; EUM/TSS/TEN/15/803179 Issue : v1B e-signed Date : 3 February 2016
EUMETSAT Eumetsat-Allee 1, D-64295 Darmstadt, Germany Tel: +49 6151 807-7 Fax: +49 6151 807 555 http://www.eumetsat.int
[7] EUMETSAT, July 2015 Brochure: COP.02, V.3
[8] EUMETSAT Eumetsat-Allee 1, D-64295 Darmstadt, Germany Tel: +49 6151 807-7 Fax: +49 6151 807 555
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