Introducción a los instrumentos

En los apartados que siguen se describen algunas clases específicas de instrumentos. Nuestro objetivo es proporcionar algunos ejemplos con suficiente detalle para ilustrar los principios de funcionamiento y limitarnos a mencionar otros instrumentos que usted puede explorar luego por su propia cuenta.

Antes de ahondar en los varios tipos de instrumentos, hagamos una prueba sencilla para ver lo que usted ya sabe sobre distintos instrumentos: asigne los varios tipos de instrumentos a los parámetros que miden. Los instrumentos aquí enumerados se cubren en esta sección y se describirán en términos del parámetro que pueden medir.

Pregunta

Arrastre el nombre de cada tipo de instrumento a la columna que corresponde al parámetro que mide.

Evaporadores

Impactadores

Impactadores
virtuales

Impactadores
con fotografía

Detectores de dispersión
de luz multiángulo

Analizadores de tamaños
(UHSAS, OPC, CDP)

Contadores de núcleos
de condensación (CNC)

Sondas de
matriz óptica

Analizadores de movilidad
(DMA, SMPS)

Analizadores de
tamaños de partículas

Las respuestas correctas se muestran a continuación.

Mediciones de la masa total

Mediciones de la masa total » Analizadores de tamaños y captadores de hidrometeoros

Para los hidrometeoros, existen dos categorías generales de instrumentos que permiten medir la masa por volumen unitario, ya sea para contenido líquido o sólido o de agua total en las nubes o en la precipitación:

1. los analizadores de tamaños permiten medir la distribución de tamaños;
2. los captadores o colectores permiten determinar la masa.

Algunos captadores emplean técnicas de impactación y se combinan con algún tipo de medición de la masa impactada; otros provocan la evaporación de los hidrometeoros y luego miden la masa ya sea por el contenido de vapor de agua que se genera o por la potencia necesaria para producir la evaporación. La medición de la precipitación en superficie implica captar la precipitación que cae y medir la masa acumulada en función del tiempo. Estos instrumentos se describen en la lección sobre la medición de las precipitaciones y por tanto no se incluyen aquí.

Un ejemplo de un instrumento aerotransportado empleado para medir el contenido de agua líquida en las nubes es la sonda CSIRO/King descrita por King et al. (1978); vea también esta referencia a la sonda CSIRO/King.

Sonda CSIRO/King para uso en aeronaves de investigación. En la foto (izquierda), la flecha señala la dirección de circulación del aire y apunta al elemento sensible, que corresponde a la resistencia «Rs» en el diagrama de circuito del puente de Wheatstone (derecha). Los demás componentes del circuito son internos a la sonda y no se ven en la foto.

El elemento sensible consiste en un hilo de cobre calentado que está enrollado en hélice alrededor de un cilindro y queda expuesto con el eje largo perpendicular al flujo del aire. La resistencia del hilo cambia con su temperatura y también cambia cuando el agua de la nube incide sobre el sensor, enfriándolo. Se usa un circuito de control para mantener una resistencia constante, es decir, una temperatura constante suficientemente alta (alrededor de 130 °C) para evaporar el agua de la nube que impacta. La relación empírica denominada «término seco» permite representar la energía o potencia necesaria para mantener el hilo a esta temperatura cuando está fuera de la nube. Para calcular el contenido de agua líquida de una nube, se resta el término seco de la energía medida. El exceso de energía por encima de dicho término es proporcional al contenido de agua líquida.

Esta tabla enumera algunas de las características de este instrumento:

Mediciones de la masa total » Medición tras la evaporación

Otros instrumentos empleados para medir la masa total de hidrometeoros provocan la evaporación del agua recolectada (por ejemplo, en el tubo de entrada) y miden el contenido de vapor de agua resultante. La diferencia entre este valor y la humedad específica original antes de la evaporación permite calcular la masa. La sonda de engelamiento Rosemount es un ejemplo de un instrumento diseñado para medir las gotas de agua sobreenfriada. Encontrará más detalles sobre este instrumento en la página del detector: https://www.eol.ucar.edu/instruments/rosemount-icing-detector.

Fotografía de una sonda de engelamiento Rosemount. Estas sondas, que normalmente se montan en el fuselaje o en un soporte alar de una aeronave de investigación, también se pueden usar como sensores en la superficie o en túneles aerodinámicos. En esta imagen, el instrumento está montado sobre madera para su almacenamiento.

Una vez iniciada la vibración del elemento sensible de la sonda de Rosemount, se mide la frecuencia de la vibración resonante. Cuando el agua sobreenfriada incide sobre el elemento y se congela, la masa de este aumenta y su frecuencia de vibración cambia. La tasa de cambio de frecuencia permite estimar el contenido aproximado de agua sobreenfriada. A intervalos periódicos, una unidad de calefacción quita el hielo acumulado y devuelve el elemento sensible a un punto de partida «limpio». Este método también permite determinar la concentración de material particulado (masa).

Otro sensor muy usado para medir el contenido de agua líquida es el «monitor del volumen de las partículas» (Particulate Volume Monitor, PVM). Se basa en la intensidad de la luz dispersada por un conjunto de gotitas y detectada a ángulos elegidos específicamente para que el resultado sea proporcional al tercer momento de la distribución de tamaños. Encontrará información adicional y materiales de referencia en la página web de la sonda de agua líquida Gerber Liquid Water Probe.

Mediciones de la masa total » Analizadores de tamaños y captadores de partículas en suspensión

Los analizadores del tamaño de las partículas permiten obtener mediciones de la masa total de las partículas en suspensión. Existen otras técnicas de medición que emplean diferentes sistemas para colectar las partículas y analizar la masa obtenida posteriormente. Es posible lograr cierto nivel de separación utilizando impactadores con distintos grados de eficiencia de colección en conjunto o en serie.

La detección basada en los impactos es posible porque cuando se desvía el flujo de aire, debido a su inercia las partículas se mueven a través de las líneas de flujo de gas. El impactador más simple dirige un chorro de aire hacia una placa o lámina fija, permitiendo que del aire desvíe alrededor de ella.

Diagrama esquemático de un impactador. El flujo proveniente de la parte superior del instrumento se acelera para dirigir un chorro hacia la placa de impacto. Cuando el aire (las líneas de trazos azules) se desvía alrededor de la placa, la inercia de las partículas más grandes las lleva a incidir y a incrustarse en la placa, en la zona del cono verde, mientras que las más pequeñas siguen avanzando con el flujo del aire.

Una boquilla de simetría cilíndrica enfoca el flujo del aire desde la parte superior del instrumento. Las partículas por debajo de algún umbral de tamaño avanzan con el flujo de aire, indicado por las líneas azules, mientras que las que son lo suficientemente grandes cruzan las líneas de corriente e impactan en la placa de la forma representada por las líneas verdes. La capacidad de las partículas para seguir las líneas de corriente se describe por medio de un valor adimensional llamado número de Stokes: las partículas con números de Stokes bajos siguen el flujo de aire, pero la inercia de las partículas con números de Stokes altos las lleva a seguir trayectorias más rectas. Tanto la placa de impacto como el flujo de la muestra están diseñados para capturar las partículas que exceden un determinado tamaño y permitir que las más pequeñas sigan las líneas de corriente hacia el detector óptico o de otro tipo que las contará.

Mediciones de la masa total » Impactadores en serie e instrumentos de filtración

Las muestras recolectadas se pueden analizar para determinar su masa y otras características. Cada configuración se adapta a umbrales de tamaño distintos, de modo que se usan varios impactadores, a menudo configurados en una secuencia en cascada, para separar las muestras por tamaños. Otra técnica de muestreo consiste en exponer la placa o lámina de recolección directamente al flujo de aire, sin usar una boquilla de enfoque. Estos métodos de muestreo se pueden combinar con las técnicas de separación que se presentan más adelante en la lección para obtener muestras separadas por tamaños. Esta forma de proceder requiere que las partículas no sean volátiles y que no «reboten» en el instrumento. Las láminas de impacto para la recolección general de partículas son diferentes de las que se usan para separar las partículas dotadas de mucha inercia de las que deben avanzar con la corriente de aire y luego pasar por un detector óptico.

Las muestras físicas para análisis también se pueden obtener utilizando una serie de filtros con poros de diferentes tamaños para clasificar la muestra. Otra técnica es la de «impactación virtual», en la cual en lugar de una lámina se emplea un tubo colector a través del cual solo pasa una pequeña parte de la corriente de aire. Las partículas grandes pasan por el tubo, donde el flujo del aire es más lento, mientras que las más pequeñas siguen el flujo desviado y no se recogen. Esta técnica también se ha utilizado para muestrear los hidrometeoros, que luego se pueden evaporar a fin de determinar su masa o de permitir la recolección de los residuos que hay en su interior.

Mediciones de concentración

Los instrumentos más comunes para medir la concentración (número de partículas en volumen) de los hidrometeoros y las partículas en suspensión cuentan las partículas y miden el volumen de aire correspondiente. Para el conteo, la mayoría de ellos se basan en la capacidad de detectar la dispersión o la atenuación de la luz que ocurre cuando las partículas atraviesan un volumen iluminado.

Concentración de las gotitas nubosas medidas en cada canal de una sonda de gotitas nubosas (Cloud Droplet Probe o CDP, que se presenta más adelante) en función del diámetro D de las gotitas.

Mediciones de concentración » Contador de núcleos de condensación

En ciertos casos, se provoca el crecimiento de las partículas mediante su exposición a un vapor condensador que genera gotitas de solución más grandes y más fáciles de contar. Aunque muchos instrumentos emplean butanol, algunos usan agua. A continuación, las gotas de solución resultantes pasan a través de un volumen iluminado, típicamente por un láser, y un fotodetector (fotodiodo) detecta la dispersión de la luz que producen.

Aitken desarrolló el primer contador de núcleos de condensación en 1888. Su instrumento aprovechaba la rápida expansión de un volumen de aire húmedo comprimido para producir condensación sobre las partículas que estaban en el instrumento; las gotas resultantes luego se depositaban sobre una cuadrícula donde se podían contar para determinar la concentración de partículas de polvo. El alto grado de sobresaturación de este aparato producía condensación sobre la mayoría de las partículas, incluidas las más diminutas, lo cual creó la asociación entre las «partículas de Aitken» y el rango dimensional más bajo. La automatización del ciclo de expansión por medio de válvulas y controles de flujo operados electrónicamente junto con la fotodetección de la atenuación provocada por las gotitas nubosas permitieron diseñar instrumentos muy utilizados durante las décadas de 1940 y 1950. Las «cámaras de niebla» son implementaciones del contador de Aitken a escalas mucho más grandes y se utilizaron para estudiar las cascadas de partículas creadas por las colisiones entre los rayos cósmicos (núcleos atómicos muy energéticos) y las moléculas del aire.

Esta figura muestra un diagrama genérico de los componentes de un moderno contador de núcleos de condensación.

Componentes de un contador de núcleos de condensación: la zona naranja corresponde a la luz del láser y la lente de focalización, que normalmente incide sobre el interruptor del haz (negro). Las gotitas en el flujo de la muestra producen la dispersión de la luz, representada por la región amarilla, cerca del interruptor del haz; la lente colectora verde junta dicha luz y la concentra en el fotodetector. Aunque no se muestran, el tubo de descarga puede incorporar otros elementos de control del flujo, como el «orificio crítico», que mantiene aproximadamente el mismo caudal estándar cuando se expone a un rango de diferencias de presión a través del orificio.

La muestra de aire entra en contacto primero con un recipiente de butanol calentado para agregar a la muestra butanol con una alta presión de vapor. A continuación, la muestra pasa a una cámara refrigerada que produce el vapor de butanol muy sobresaturado que se condensará sobre las partículas de la muestra. Las partículas crecen y forman gotas líquidas que luego se dirigen al punto focal del sistema óptico. Dichas gotas dispersan la luz alrededor del interruptor del haz, que bloquea la luz no dispersada, mientras que una lente junta la luz dispersada y la dirige hacia un fotodetector, donde produce un pulso. Los componentes de control del flujo de descarga mantienen un caudal conocido, lo cual permite calcular la concentración de partículas a partir del recuento de pulsos y la velocidad de flujo (caudal) conocida.

Mediciones de concentración » Cálculos y limitaciones

Cuando se utiliza un contador de núcleos de condensación, el cálculo de la concentración en condiciones ambientales requiere una conversión basada en la ley de los gases ideales. Esto permite tener en cuenta los cambios en el caudal del volumen de la muestra asociados con los valores medidos de presión y temperatura. Normalmente, el regulador de caudal produce una tasa de muestreo conocida para condiciones estándar de presión y temperatura (es decir: 1013,25 hPa y 294,15 K) y en este caso el caudal indicado se convierte a condiciones ambientales con este factor de conversión:

donde F_a es el caudal en unidades de volumen ambiente (p. ej.: litros por minuto), F_m es el caudal medido en unidades de volumen estándar (como el litro por minuto estándar, Standard Liter per Minute o SLPM), P_ref y T_ref son la presión y temperatura de las condiciones estándar (p. ej.: 1013,25 hPa y 294,15 K) producidas por el regulador de caudal en uso y P_i y T_i representan la presión (hPa) y temperatura (K) en la entrada del instrumento.

Mediciones de concentración » Conteo microscópico

La capacidad de estimar los tiempos de exposición y las eficiencias de colección significa que las muestras obtenidas por impacto se pueden usar para calcular las concentraciones de partículas o hidrometeoros mediante su examen bajo un microscopio óptico o electrónico. Aunque se trata de un proceso laborioso, a veces no hay otra alternativa y además este método permite determinar otras propiedades, como el tamaño, la forma y la composición.

Fotografía de un portaobjetos expuesto fuera del fuselaje de la aeronave Gulfstream-V con plataforma HIAPER de NSF/NCAR mediante el impactador de núcleos gigantes (Giant Nuclei Impactor, GNI). El portaobjetos se expuso durante la primera bajada a 500 pies de altitud, es decir, en la capa de mezcla, de un vuelo de investigación sobre el océano Austral. El portaobjetos recolectó las partículas en suspensión durante unos 8 segundos, después de lo cual se lo retrajo al interior de la aeronave. La velocidad exterior de 17 m/s, una intensidad considerable, probablemente incluía muchas ondas rompientes. Las partículas recogidas se utilizaron en el laboratorio para crear las gotitas de la foto y detectar números y tamaños.

Mediciones de concentración » Aplicaciones y limitaciones

Estas son algunas aplicaciones comunes del conteo microscópico en los estudios de hidrometeoros:

1. Obtener concentraciones y tamaños de gotitas nubosas con un sistema de simulación de nubes (cloud gun). Para usar este tipo de instrumento, se recubre un portaobjetos de alguna sustancia como hollín, por ejemplo, que muestra las marcas de las colisiones de las gotitas nubosas. El portaobjetos se monta en un sujetador que se expone a los efectos del gas liberado con una pistola de CO₂. Se utilizan sensores ópticos para detectar el paso del portaobjetos y, por tanto, el tiempo de exposición, que puede ser lo suficientemente breve como para evitar el borrado total del portaobjetos. El número de las marcas sobre la superficie y el tiempo de exposición permiten determinar la concentración, mientras que el tamaño de las marcas (ajustado para corregir la expansión conocida que ocurre durante la recolección) permite determinar los tamaños de las gotitas.
2. Detectar concentraciones de partículas «gigantes» a partir de su recolección en portaobjetos, como las que se obtienen con un impactador para núcleos gigantes (Giant Nuclei Impactor, GNI). Estas partículas denominadas «gigantes» son importantes para el desarrollo de la lluvia, pero existen en concentraciones tan bajas que su detección puede ser difícil, especialmente con la mayoría de los analizadores de partículas que actualmente se usan en aeronaves. Un portaobjetos expuesto a una corriente de aire puede recolectar una muestra que representa varios metros cúbicos en un plazo razonable (aprox. 5 min.) y puede proporcionar muestras útiles de estas partículas poco comunes. El examen bajo el microscopio, posiblemente con humidificación para determinar el grado en que las partículas son solubles, permite determinar las concentraciones y la distribución de tamaños.
3. Determinar las concentraciones a partir de la inspección visual de una superficie transparente expuesta a la corriente de aire. La inspección visual permite determinar la tasa de impacto de las partículas en la superficie, un valor que luego se puede convertir en una concentración estimada. Los sistemas de análisis microscópico de nubes (Cloudscope) y de muestreo de partículas de hielo por video (Video Ice Particle Sampler, VIPS) que describen Wendisch y Brenguier (2013, sección 5.2.2) son ejemplos de instrumentos de este tipo.

Mediciones de distribución de tamaños

Los instrumentos que miden la distribución de tamaños pueden denominarse «analizadores», «espectrómetros» o simplemente «clasificadores de partículas», pero todos miden un rango de tamaños. El tipo de instrumento dimensionador más común emplea técnicas de detección óptica, pero existen otros, como los separadores de tamaños usados antes de la detección (p. ej.: en baterías de difusión, un impactador de cascada o bien técnicas de separación de tamaños por movilidad eléctrica o por filtración). Estudiaremos estas últimas después de la explicación de los contadores ópticos. Muchos sistemas utilizan algún tipo de contador óptico después del proceso de separación de partículas.

Distribución de tamaños que muestra la concentración de gotitas nubosas en función de su diámetro D para las mediciones de una nube obtenidas sobre el océano Pacífico. dN/dD representa la concentración de gotitas con diámetros mayores que D. Encontrará una descripción adicional de esta gráfica en el capítulo III de esta lección.

Mediciones de distribución de tamaños » Contador óptico de partículas (OPC)

El contador de núcleos de condensación (CNC) es un ejemplo de un contador óptico de partículas. La mayoría de los contadores ópticos tienen una estructura similar a la que se ilustra para el CNC: un sistema de control de caudal, un sistema de iluminación óptica y un fotodetector acoplado a un sistema de recolección de datos. Aunque los CNC cuentan solamente los pulsos, los contadores ópticos pueden basarse en la amplitud de los pulsos para medir el tamaño de las partículas.

Los contadores ópticos de partículas se utilizan con frecuencia en los laboratorios y algunos también se instalan en aeronaves de investigación o se pueden lanzar con globos. Un ejemplo es el espectrómetro de partículas óptico impreso o POPS (Printed Optical Particle Spectrometer), un contador óptico de partículas transportado en globo que puede obtener mediciones hasta el nivel de la troposfera superior y la estratosfera inferior. Para ver otro ejemplos, consulte estas páginas web o busque «contador óptico de partículas» en internet.

• Contador de partículas NexGen serie CI-x70 (http://www.climet.com/products/index.html)
• Espectrómetro óptico láser para aerosoles (https://www.grimm-aerosol.com/products-en/nano-particle-medición/wide-range-aerosol-system/environmental-wras/)
• Espectrómetro láser para aerosoles (discontinuado, pero sigue usándose; hoja de especificaciones disponible en https://www.tsi.com/products/particle-sizers/particle-size-spectrometers/laser-aerosol-spectrometer-3340/)

Espectrómetro de detección de aerosoles de sensibilidad ultraalta UHSAS (Ultra-High-Sensitivity Aerosol Spectrometer) a bordo de la aeronave de investigación de NCAR.

En las próximas páginas se describen con bastante detalle dos ejemplos de contadores ópticos de partículas: el espectrómetro de detección de aerosoles de sensibilidad ultraalta (UHSAS) y la sonda de gotitas nubosas (CDP).

Mediciones de distribución de tamaños » Mecanismos de los contadores ópticos de partículas

Sin la capacidad de forzar el crecimiento de las partículas por condensación, el rango de tamaños que pueden detectar los contadores ópticos es más limitado en comparación con los contadores de núcleos de condensación. Para comprender cómo funcionan los contadores ópticos de partículas, es útil considerar la dispersión de Mie (por ejemplo: Bohren y Huffman, 1983), que permite calcular la sección transversal de dispersión σ de las gotas de agua que se muestra en la figura siguiente.

Sección transversal total de dispersión de Mie de una gota de agua con un índice de refracción de 1,33 y para luz de una longitud de onda de 658 nm. Las dos líneas de trazos muestran la variación a razón de d² o d⁶, según se indique.

Para diámetros de más de 2 μm, la sección transversal varía como d² (es decir, es proporcional a la sección transversal geométrica), mientras que para los diámetros menores que unos 0,2 μm la sección transversal de dispersión varía como d⁶ (dispersión de Rayleigh).

Las limitaciones siguientes se asocian a los contadores ópticos de partículas:

1. debido a las dimensiones diminutas de la sección transversal de dispersión en la región donde el tamaño de las partículas es pequeño en comparación con la longitud de onda de la luz, resulta difícil usar este método para detectar partículas con diámetros por debajo de 0,2 μm. Existen algunos contadores ópticos de partículas relativamente complejos y costosos que son capaces de detectar tamaños menores;
2. el achatamiento de la curva de dispersión en la región de 2 μm y de nuevo cerca de 4 μm produce ambigüedad al asignar un tamaño a las gotas de dichas dimensiones. Normalmente, los instrumentos solo aceptan un subconjunto de ángulos de luz dispersada, pero pueden experimentar variaciones pronunciadas en la relación entre la señal detectada y el tamaño de las gotitas.

Mediciones de distribución de tamaños » Espectrómetro de detección de aerosoles de sensibilidad ultraalta (UHSAS)

El espectrómetro de detección de aerosoles de sensibilidad ultraalta UHSAS (Ultra-High-Sensitivity Aerosol Spectrometer) es un analizador de tamaños de aerosoles de gama alta que se puede utilizar en aeronaves de investigación. La página web de UHSAS brinda información sobre el instrumento utilizado en las aeronaves de investigación de NSF/NCAR. Para alcanzar un alto nivel de sensibilidad, las partículas en suspensión pasan por la cavidad láser, donde la iluminación es muy intensa. El sistema óptico se muestra a continuación. Se utilizan dos detectores, cada uno con dos amplificadores individuales, para cubrir el alto rango de señales dispersadas necesario para detectar las partículas con diámetros entre aproximadamente 0,06 μm y 1 μm. El instrumento separa las partículas en 100 clases o intervalos que representan dicho rango de tamaños. La velocidad de conteo máxima es de unas 3000 partículas por segundo, un valor que a menudo constituye el límite de concentración máximo que se puede medir.

Componentes ópticos del espectrómetro UHSAS. La región amarilla representa la cavidad en la cual el haz del láser se refleja en dos espejos altamente reflectantes. Las partículas atraviesan el volumen iluminado en un chorro dirigido en sentido perpendicular al plano del láser y el fotodetector, indicado por el punto azul, donde las partículas cruzan el plano de esta figura. La lente, que no se muestra a escala, captura la luz dispersada y la concentra en el fotodetector. Hay una configuración similar de fotodetector y lente al otro lado del láser.

La sonda CDP (izquierda) y el espectrómetro UHSAS (derecha) montados en el ala de una aeronave para la campaña de investigación CONTRAST.

Mediciones de distribución de tamaños » Sonda de gotitas nubosas (CDP)

Esta sonda de gotitas nubosas (Cloud Droplet Probe, CDP) fabricada por Droplet Measurement Technologies, de Longmont, Colorado (EE. UU.) es un ejemplo de un contador óptico de partículas que permite medir y contar las gotitas nubosas con diámetros de entre 2 y 50 μm. Como los demás contadores ópticos, para contar y medir las partículas este instrumento detecta los pulsos lumínicos generados por las gotitas que atraviesan el haz láser. En la foto, el haz láser del instrumento montado en la aeronave se expone a la corriente de aire y detecta las gotitas nubosas que dispersan la luz hacia adelante alrededor de la dirección normal del haz delantero. El láser, que está en uno de los brazos de la sonda, emite un haz que pasa al otro lado, donde se encuentran los circuitos de detección.

Sonda de gotitas nubosas instalada en la aeronave de investigación Gulfstream-V de NSF/NCAR. El haz láser pasa entre los dos brazos delante del soporte de montaje y mide las partículas que lo atraviesan durante el vuelo. El instrumento se instala debajo del ala, que en la fotografía se nota en el centro superior del fondo.

Con esta configuración, los distintos puntos a lo largo del haz láser producen diferentes patrones de dispersión de luz para gotitas del mismo tamaño. Para mejorar la resolución de tamaño es común utilizar una configuración óptica que limite el volumen de la muestra. En el instrumento CDP, esta mejora se logra mediante la configuración óptica ilustrada en la figura.

Dibujo esquemático de la configuración óptica de la sonda de gotitas nubosas (Cloud Droplet Probe, CDP) creado a partir de la información del manual de Droplet Measurement Technology para el instrumento. Con la lente en la derecha: la luz dispersada por el punto focal de la lente convexa produce una luz paralela que luego se concentra en el plano de la imagen con otra lente. La profundidad de campo (PdC) indica la profundidad de la zona en la cual se cuentan y se miden las gotitas. El fotodetector sin máscara se utiliza para medir y contar las partículas, mientras que el fotodetector con máscara asegura que las partículas estén dentro de la zona focal del instrumento.

La luz dispersada por las gotitas en la región angular de 4 a 12 grados respecto de la dirección hacia adelante se concentra desde un punto focal en el medio de la profundidad del campo con un separador del haz que divide la luz dispersada y la pasa a los dos fotodetectores del instrumento. Uno de estos sensores se encuentra detrás de una máscara de apertura circular que admite la luz de las imágenes enfocadas pero obstruye parcialmente la luz de las imágenes que están fuera del plano focal. Cuando una gotita está fuera de la zona focal, la máscara cubre una porción considerable de la luz dispersada, de modo que el detector detrás de la máscara detecta un pulso más pequeño que el detector que no está enmascarado. Las gotitas solo se aceptan cuando la relación entre las dos señales excede un umbral establecido. Este procedimiento mejora enormemente la resolución de tamaño del instrumento.

Mediciones de distribución de tamaños » Interpretación de las mediciones de tamaños

Ejemplo de concentración

El histograma de las mediciones (izquierda) muestra las concentraciones de gotitas medidas y asignadas a clases de tamaños por una sonda CDP para intervalos de diámetros de gotita D durante un breve período de penetración (aprox. 700 s) en la nube por la aeronave de investigación. Note que las clases no son todas del mismo tamaño. En el histograma de la derecha, las mismas mediciones se han convertido en una distribución diferencial de tamaños representada por dN(D)/dD, donde D es el diámetro de las gotitas y N(D) es la concentración de gotitas con diámetros por debajo de D. Observe la diferencia en la distribución para los diámetros superiores a 14 μm que resulta del cambio en el tamaño de las clases de 1 a 2 μm.

A menudo, las mediciones obtenidas con clasificadores de partículas como los que vimos antes y los que se describen en la próxima sección requieren un tipo de interpretación especial, porque los incrementos de tamaño utilizados para clasificar las partículas pueden ser variables. Por eso, presentamos aquí información básica sobre el uso de estas distribuciones de tamaños.

El producto básico de un instrumento como el CDP suele ser un conjunto de concentraciones separadas en clases de tamaños, como se nota en el histograma del ejemplo de concentración. Sin ninguna corrección, dicho histograma puede conducir a conclusiones erróneas, porque el tamaño de las clases es variable: aquí, las clases son de 1 μm por debajo de 14 μm de diámetro, pero aumentan a 2 μm por encima del valor de 14 μm. Al dividir la concentración en cada clase por su tamaño se obtiene la distribución diferencial de tamaños que se observa en la figura de la derecha. La presentación de los resultados se puede normalizar combinando las mediciones de varias sondas. Si la distribución diferencial de tamaños abarca un intervalo grande de tamaños o concentraciones, es más útil presentar esta gráfica con escalas logarítmicas. Dicho formato se describe en el capítulo siguiente, junto con algunas variantes.

Mediciones de distribución de tamaños » Tipos de visualizaciones de la distribución de tamaños

Las distribuciones de los tamaños de los hidrometeoros y las partículas en suspensión se pueden presentar de muchas maneras. Estas son algunas de las formas de visualización más comunes:

1. un histograma de la concentración medida en los varios canales del instrumento;
2. una distribución diferencial de tamaños, que difiere del histograma en que presenta el aporte a la concentración por intervalo unitario de tamaño, en lugar de usar las clases definidas por del instrumento;
3. una gráfica logarítmica que utiliza unidades de concentración por intervalo logarítmico de tamaño;
4. una distribución acumulada que muestra el número de partículas o gotitas más pequeñas o más grandes que el tamaño trazado. Si la distribución se presenta como la fracción de los hidrometeoros con diámetros superiores al tamaño indicado, se trata de una fracción de excedencia.

Los ejemplos de distribuciones de tamaños que se muestran en esta página se describirán con más detalle en otras partes de la lección.

• Histograma
• Distrib. diferencial de tamaños
• Distrib. logarítmica de tamaños
• Distrib. acumulada

Ejemplo de un histograma de distribución de tamaños.

Ejemplo de una distribución diferencial de tamaños.

Ejemplo de una distribución diferencial de tamaños trazada sobre un eje logarítmico.

Ejemplo de una función de distribución acumulada (línea verde). La gráfica muestra la fracción acumulada menor que el diámetro indicado. La distribución acumulada se obtiene multiplicando estos valores por la concentración total. La fracción de excedencia brinda información adicional y es el complemento de la fracción acumulada, tal como se explicó antes en esta lección.

Medidores de tamaño basados en la movilidad eléctrica

Una clase importante de instrumentos para medir el tamaño de las partículas que resulta particularmente útil en el caso de las partículas pequeñas es la que basa las mediciones en la movilidad eléctrica de las partículas. Una partícula expuesta a una fuerza F (p. ej.: la gravedad) alcanza rápidamente la velocidad de deriva estable en el aire v_d, que viene determinada por el equilibrio entre la fuerza y el arrastre. Es común expresar esta relación como v_d = FB, donde v_d es la velocidad de migración y B es la «movilidad». [La magnitud B se conoce como la «movilidad dinámica» y se puede representar como B = C_s/(3πηD_p) donde η es la viscosidad dinámica del gas, D_p es el diámetro (aerodinámico) de la partícula y C_s es el factor de corrección de Cunningham, que compensa los cambios que ocurren cuando el tamaño de las partículas es comparable con la trayectoria libre media de las moléculas de aire (la distancia media entre colisiones)]. Dado que la movilidad varía inversamente con el tamaño de las partículas, las partículas pequeñas se mueven más rápido y se pueden eliminar selectivamente de un aerosol polidisperso.

Medidores de tamaño basados en la movilidad eléctrica » Analizador de movilidad diferencial (DMA)

En este instrumento, las partículas en suspensión se introducen cerca de la pared externa de una cámara cilíndrica en cuya parte central se introduce el aire filtrado que constituirá el medio de migración de las partículas. Entre la pared externa de la cámara y el electrodo central se genera un campo eléctrico que provoca la migración de las partículas de polaridad apropiada hacia el centro de la cámara. Como ilustra la figura, el muestreo justo debajo del electrodo central permite extraer partículas «monodispersas» de tamaño conocido para luego contarlas con un contador de núcleos de condensación. La aplicación de una secuencia de voltajes diferentes permite recolectar una serie de muestras para determinar la distribución de tamaños.

Representación esquemática de la configuración de un analizador de movilidad diferencial (Differential Mobility Analyzer, DMA). El «cargador» (que a menudo es una fuente de radioactividad y a veces se denomina «neutralizador») impone un conjunto de cargas aproximadamente equilibradas en las partículas, principalmente cargas de unidad positiva o negativa. Cuando las partículas con la carga apropiada entran en el cilindro, encuentran el flujo de vaina laminar y migran hacia el electrodo de alto voltaje a una velocidad de migración que depende de su tamaño. A un voltaje determinado, las partículas con diámetros aerodinámicos por debajo del tamaño configurado se acumulan en el electrodo central, mientras que las que exceden el tamaño configurado salen con el flujo de descarga del exceso de aire. Las partículas del tamaño elegido se recolectan y se extraen del cilindro para su conteo. Aunque aquí no se muestran, se utilizan aparatos de control para regular el flujo a través de las cuatro entradas y salidas. Es común recircular parte del exceso de aire en el flujo de vaina para que vuelva a pasar por el cilindro.

Obtener distribuciones de tamaños con un DMA puede ser un proceso laborioso, porque la serie de mediciones se debe obtener mientras la muestra de partículas en suspensión se mantiene consistente. Es frecuente tener que aplicar correcciones por pérdidas en las líneas, eficiencia de carga, partículas con múltiples cargas, efectos de difusión en la trayectoria de las partículas y por la incertidumbre en el proceso de selección de tamaño. Aún con estas consideraciones, cuando se utiliza con un contador de núcleos de condensación apropiado este instrumento obtiene excelentes mediciones de diámetros en el rango de 0,01 a 0,5 μm.

Medidores de tamaño basados en la movilidad eléctrica » Medidor de movilidad de partículas de escaneo (SMPS)

Un instrumento relacionado es el medidor de movilidad de partículas de escaneo o SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer), que permite automatizar los pasos necesarios para medir una distribución de tamaños con un analizador de movilidad diferencial o DMA (encontrará un ejemplo en la página web del espectrómetro de partículas por movilidad eléctrica). En el SMPS, el voltaje del electrodo central varía continuamente al tiempo que se mide la concentración en la salida monodispersada y la distribución de tamaños se determina a partir del historial de cambios en la concentración vs. el voltaje. Dado un cierto período de muestreo, el número de partículas del tamaño elegido se determina a partir de los cambios en el voltaje mientras pasan por la cámara.

Este instrumento es capaz de medir una distribución de tamaños mucho más rápidamente que con un DMA de operación manual, hasta en un minuto (según la aplicación), lo cual constituye una ventaja considerable en las operaciones aéreas, durante las cuales la distribución de tamaños puede variar durante la medición. El software asociado con el sistema SMPS también puede aplicar correcciones de probabilidad de detección durante el procesamiento de los datos, de modo que por lo general la distribución de tamaños de un SMPS se puede utilizar directamente en aplicaciones de análisis de datos. Sin embargo, cabe recordar que puede haber incertidumbre asociada a la probabilidad de detección y que el uso de un SMPS o un DMA puede involucrar un proceso complicado para cumplir con requisitos de precisión alta e incertidumbre baja. Encontrará más detalles en (Wendisch y Brenguier, 2013, sección 4.3.3) y en las referencias bibliográficas allí citadas.

Otras técnicas de dimensionamiento

La lista de instrumentos que presenta esta lección no pretende en absoluto ser exhaustiva, de hecho existen muchas otras técnicas de dimensionamiento que no hemos mencionado. Dos técnicas de dimensionamiento interesantes son la separación en respuesta a un flujo acelerado y por interferometría doppler de fase. A continuación se describen brevemente estas técnicas y otras tres.

Generadores de imágenes de partículas

Solo podemos presentar una fracción de las muchas maneras posibles de obtener imágenes de los hidrometeoros en este contexto, de modo que no será posible siquiera mencionar muchos instrumentos. Las páginas que siguen brindan algunos ejemplos representativos.

Imagen de la estructura de cristales de hielo obtenida con un sistema de matriz de fotodiodos.

Generadores de imágenes de partículas » Recolección fotográfica

La fotografía constituye un método útil de recolección de hidrometeoros. La hermosa variedad de formas que presentan los copos de nieve se puede fotografiar directamente sobre una superficie apropiada, pero la colección en líquidos refrigerados —como el hexano o el aceite de silicona— es lo que ha permitido obtener muchas de las imágenes que decoran los libros sobre los copos de nieve, así como los ejemplos de esta página. Generar imágenes como estas desde una aeronave es más difícil, porque existe la posibilidad de que el cristal o copo de nieve se desintegre en el proceso de recolección. La obtención exitosa de imágenes como estas solo ha sido posible mediante un desacelerador, un tubo expansible que disminuye la velocidad del flujo del aire de modo tal que en el momento de impacto se haya reducido a aproximadamente la décima parte. Los portaobjetos así expuestos en un tubo se retiran al interior de la cabina de la aeronave y se preservan en un líquido refrigerado para ser fotografiados posteriormente.

Fotografías de cristales de hielo recolectados desde una aeronave de investigación exponiendo el portaobjetos en un tubo de desaceleración. Tras su recolección, las muestras se preservaron en aceite de silicona refrigerado y se fotografiaron después del vuelo. La imagen de la izquierda muestra un típico cristal de brazos anchos con forma de estrella, mientras que en la derecha vemos una columna con placas en sus extremos. Todas las imágenes de cristales de hielo utilizadas en esta lección se obtuvieron de esta manera.

Otra técnica que se ha empleado tanto en observaciones de superficie como desde aeronaves de investigación consiste en usar un sustrato capaz de preservar las imágenes de los hidrometeoros tras el impacto. Para este fin se han utilizado replicadores de lámina y sistemas con revestimiento de «formvar»; en estos últimos, se aplica a una película móvil una resina plástica blanda que luego endurece para revelar la forma y el tamaño de los cráteres de impacto de los hidrometeoros.

Generadores de imágenes de partículas » Imágenes de hidrometeoros in situ

Los primeros sistemas fotográficos

A comienzos de la década de 1970, se fotografiaron cristales de hielo con una cámara montada en el interior de un planeador que empleaba una óptica giratoria para compensar por el movimiento. Si bien este instrumento generaba fotografías de alta calidad, como todos los primeros intentos fotográficos requería análisis laboriosos. La holografía —otra técnica prometedora de la época— es otro caso de una técnica cuyos análisis eran excesivamente arduos para permitir su uso rutinario. Ambos enfoques fueron útiles como precursores de las técnicas posteriores que se describen a continuación.

Sistemas de matriz de fotodiodos («sondas 2D»)

Varias sondas generan imágenes de los hidrometeoros muestreando las sombras de las partículas que pasan delante de una matriz de fotodiodos. La mayoría operan de acuerdo con los mismos principios que la sonda 2D original desarrollada por Knollenberg (1970) y siguen siendo esencialmente iguales, aunque los avances en los componentes electrónicos y láseres han mejorado su funcionamiento.

Fotografía de una sonda de matriz óptica 2D para nubes (sonda 2DC) usada en aeronaves de investigación. El aire fluye desde la izquierda inferior de la foto y el haz láser pasa entre los dos brazos, por delante de los circuitos electrónicos de procesamiento que están instalados en el cilindro corriente abajo.

Tres sondas instaladas en una aeronave de investigación: la sonda de matriz óptica 2D para nubes (sonda 2DC, izquierda), la sonda de gotitas nubosas (Cloud Droplet Probe, CDP) de NCAR (centro) y la sonda de espectrometría de dispersión hacia adelante modelo 100 (FSSP-100) de NCAR (derecha).

Generadores de imágenes de partículas » Imágenes de hidrometeoros in situ » Ejemplo

Considere cómo fotografiaría un cristal de hielo en la corriente de aire, ya sea desde un lugar en la superficie o desde una aeronave en movimiento. La solución más obvia sería usar una lente con el cristal de hielo en el plano del objeto y la cámara en el plano de la imagen, como se ilustra en la figura a continuación.

Diagrama esquemático de los componentes ópticos de una sonda de matriz óptica 2D que se instala en los dos brazos de un sensor orientado hacia el viento. Los hidrometeoros que avanzan con el flujo de aire a lo largo del plano del objeto proyectan una sombra en el plano de la imagen, donde hay una matriz de fotodiodos multielemento orientada en sentido perpendicular al plano de la ilustración.

En este ejemplo se utiliza un espejo para detectar los cristales de hielo que pasan por el plano del objeto desde un lado. En lugar de iluminar el cristal desde la dirección de la cámara o desde un costado, la mayoría de los instrumentos de matriz de fotodiodos emplean una técnica de «gráficos de sombra» que ilumina el cristal desde atrás con una luz colimada. El cristal proyecta sobre el plano de la imagen una sombra que se puede fotografiar. Como ya vimos, se ilumina todo el plano de la imagen menos la sombra del cristal. En esta configuración, conforme el cristal atraviesa el plano del objeto la imagen correspondiente sube en el plano de la imagen.

Generadores de imágenes de partículas » Instrumentos de matrices de fotodiodos

Si bien esta técnica permite obtener imágenes con una cámara o con un dispositivo de carga acoplada o CCD (charge-coupled device), los instrumentos que la emplean graban una secuencia del estado de una matriz de fotodiodos. La figura ilustra el movimiento de la imagen sobre la matriz en el plano de la imagen. Observe que la iluminación del láser solo se debe expandir en sentido perpendicular al plano de esta figura. Aunque se utiliza la banda amarilla para indicar la necesidad de expansión, la expansión en sí se puede lograr por medio de una lente cilíndrica que solo se expande en la dirección que se necesita para cubrir la matriz óptica. Esta vista del plano de la imagen desde la dirección de proveniencia de la luz muestra el estado de la matriz mientras la sombra del hidrometeoro pasa sobre ella en siete momentos de muestreo. La imagen de la partícula se puede reconstruir conociendo la velocidad aérea, la tasa de muestreo y el tamaño del elemento de la matriz de fotodiodos que representa el plano del objeto.

Estado de la matriz de fotodiodos en siete momentos distintos mientras un hidrometeoro atraviesa el plano del objeto. La imagen de la izquierda se puede reconstruir combinando la secuencia de estados de los diodos. La silueta de la partícula observada es la del plano del objeto, de modo que si el instrumento está orientado con los brazos en el plano vertical, la imagen corresponderá a lo que se vería desde arriba.

Generadores de imágenes de partículas » Instrumentos de matrices de fotodiodos » Imágenes de ejemplo

Estas son algunas imágenes reales registradas por una sonda de matriz de fotodiodos. El barrido muestra principalmente imágenes de cristales de hielo escarchado de unos cuantos cientos de micrómetros de tamaño, probablemente similares al cristal de hielo de la fotografía que aparece más adelante. Las rayas verticales entre las imágenes registran en código binario el tiempo que la sonda permanece inactiva, lo cual permite determinar la concentración y situar las partículas con exactitud en la secuencia temporal. La secuencia de las mediciones comienza en la izquierda superior y termina en la derecha inferior. El tiempo de muestreo entre barridos se controla por referencia a la velocidad aérea de la aeronave para producir la misma resolución en la vertical y la horizontal de esta gráfica.

Ejemplo de imágenes grabadas con una sonda 2DC en una aeronave de investigación. Solo se graba una imagen si al menos un fotodiodo se sombrea. Cada uno de los 64 fotodiodos representa 25 μm, de modo que la extensión vertical de las bandas en esta imagen corresponde a 1600 μm.

Muchos otros instrumentos emplean este mismo sistema básico para medir el tamaño de los hidrometeoros. Una variante denominada 2DP usa una resolución de 200 μm para ampliar el volumen de muestra a fin de detectar hidrometeoros de tamaño de precipitación, como las gotas de lluvia o el graupel. Otro utiliza dos vistas desde ángulos diferentes para medir la proyección de partículas en dos direcciones diferentes.

En muchos casos, la fotografía representa la única manera de captar la estructura detallada de los cristales de hielo, como se puede apreciar en esta imagen de un cristal de varios milímetros de diámetro obtenida desde una aeronave de investigación.

Generadores de imágenes de partículas » Otros generadores de imágenes de hidrometeoros

Si usted trabaja en el campo de física de las nubes, le recomendamos estas dos interesantes clases de instrumentos generadores de imágenes que no se describen en detalle en esta lección.

1. El «generador de imágenes de partículas en las nubes» (Cloud Particle Imager) usa una matriz de CCD para grabar las imágenes. La grabación comienza cuando otro sensor detecta una partícula en el plano del objeto. En comparación con las sondas 2D, se trata de una técnica de resolución más alta que permite obtener imágenes muy buenas. Encontrará información adicional y ejemplos de las imágenes de alta resolución que pueden producir estos instrumentos en el sitio web del fabricante del instrumento.
2. Ya hace varias décadas que utilizamos técnicas holográficas para grabar imágenes en volúmenes de muestra mucho mayores de lo que permiten otras técnicas ópticas. La complejidad del análisis limitó el uso de esta técnica hasta tiempos recientes, pero gracias a las computadoras de alto rendimiento se está transformando en una fuente importante de datos de investigación. Esta página describe un instrumento moderno llamado «detector holográfico para nubes» (Holographic Detector for Clouds, HOLODEC) y ofrece enlaces a las publicaciones de los desarrolladores.

Núcleos de condensación y partículas de nucleación de hielo en las nubes

Hay dos categorías especiales de partículas en suspensión que juegan un papel activo en la formación de las partículas nubosas. Las partículas de nucleación que producen la condensación en las nubes participan en la formación inicial de las gotitas nubosas desde la fase gaseosa y las partículas de nucleación del hielo inician la fase sólida en las nubes. Ambas mediciones requieren equipo especializado y complejo que no podemos presentar adecuadamente en este contexto, de modo que recomendamos consultar la bibliografía disponible. Las partículas de nucleación que producen la condensación en las nubes reciben un tratamiento representativo en Hudson, 1989; y para una discusión de la medición de las partículas de nucleación del hielo, se recomienda Rogers et al., 2001 y DeMott et al., 2015.

Medición de sustancias traza en las partículas

Los instrumentos para analizar la química atmosférica se describen en la lección de MetEd titulada Los instrumentos y la medición de los gases traza atmosféricos, de modo que aquí nos limitaremos a una breve mención. La lista siguiente contiene ejemplos de algunos instrumentos que se pueden utilizar para determinar los componentes químicos de las partículas en suspensión o de los hidrometeoros.

1. Espectrómetro de masas de aerosoles (Aerosol Mass Spectrometer, AMS): los primeros estudios del contenido químico de las partículas —que depende de su tamaño— se basaron en técnicas de recolección. Los modernos espectrómetros de masas de aerosoles típicamente ionizan las partículas y emplean técnicas como la espectroscopía de masas cuadrupolo para detectar las concentraciones de iones individuales. Existen instrumentos capaces de detectar el contenido iónico de partículas individuales, mientras que otros miden las propiedades físicas del aerosol. Este instrumento se puede operar en aeronaves de investigación.

La entrada que sobresale en la izquierda es la del instrumento ToF AMS que recolectó datos a bordo de la aeronave C-130 de NSF/NCAR durante la campaña WINTER.

2. Impactador virtual de contracorriente (Counterflow Virtual Impactor, CVI): la impactación virtual implica la separación aerodinámica de las partículas de determinados tamaños por la aceleración del flujo de aire a fin de escoger los tamaños por encima de un umbral mínimo. Por ejemplo, si el flujo en la entrada de un instrumento orientado hacia la corriente de aire es lo suficientemente lento para que la mayor parte del aire se desvíe alrededor de la entrada, se pueden transmitir de forma selectiva las partículas grandes y excluir la pequeñas. El CVI aplica esta técnica diseñando el punto de entrada para optimizar la recolección de tamaños particulares. Se trata de una técnica particularmente eficaz en la separación de los hidrometeoros de las otras partículas en suspensión para evitar la contaminación de las partículas de aerosol al determinar la composición química a partir del material residual de los hidrometeoros.

Representación esquemática de la punta de entrada de un impactador virtual de contracorriente (Counterflow Virtual Impactor, CVI). Se inyecta gas de arrastre (o gas portador, naranja) cálido y seco hacia la punta y radialmente hacia el interior a través de la sección porosa del tubo, donde se separa entre el flujo de la muestra (línea verde) y la contracorriente (línea violeta). Las gotitas y los cristales de hielo (círculos verdes y azules) que se acercan a la punta de la sonda cuentan con suficiente inercia para penetrar la contracorriente e introducirse en el flujo de la punta de muestreo, mientras que las pequeñas partículas de aerosol (círculos rosados) siguen las líneas de corriente del flujo de aire alrededor de la punta de la sonda.

La entrada del instrumento CVI montado en la panza de la aeronave Gulfstream V de NSF/NCAR.

3. Sistemas de captación del agua en las nubes: estos sistemas de recolección, que pueden ser terrestres o aerotransportados, utilizan barras ranuradas para obtener muestras del agua en las nubes por impacto que se pueden analizar posteriormente en el laboratorio.
4. Contador de partículas en líquido (Particle Into Liquid Sampler, PILS): las partículas crecen en una cámara de vapor muy sobresaturado y se recolectan por impactación, lo cual separa el contenido químico de las partículas del material gaseoso presente en el aire que podría contaminar la muestra líquida. Las muestras así obtenidas se analizan luego con instrumentos de laboratorio.
5. Microscopía: las partículas se recolectan sobre una cuadrícula por impactación y se analizan con técnicas microscópicas que revelan su morfología y composición.

El aparato con forma de embudo en la izquierda es la entrada del instrumento PILS empleado en la recolección de datos desde la aeronave C-130 de NSF/NCAR durante la campaña de investigación llamada WINTER.

Medición de las propiedades radiativas de las partículas

Otra lección de esta serie presenta la información sobre los instrumentos empleados para estudiar la radiación atmosférica, de modo que aquí nos limitaremos a dar algunos ejemplos de los instrumentos que miden las propiedades radiativas de las partículas en suspensión. Dado que las partículas en suspensión dispersan y absorben la radiación, es preciso conocer sus propiedades de dispersión, sus concentraciones y sus tamaños a fin de caracterizar la transferencia radiativa a través de la atmósfera. Para describir las interacciones entre la radiación y los aerosoles se utilizan los coeficientes de dispersión, de absorción y de retrodispersión.

Estas propiedades relacionadas se pueden medir para partículas individuales o para conjuntos de partículas:

1. la extinción, que es la suma de la dispersión y la absorción;
2. el albedo de dispersión simple, que es la relación entre los coeficientes de dispersión y de extinción;
3. el factor de asimetría o retrodispersión, que ayuda a caracterizar la distribución angular de la dispersión.

Estos son algunos instrumentos in situ representativos, tanto terrestres como aerotransportados.

1. Nefelómetro: este instrumento mide la dispersión conjunta de las partículas en suspensión y su distribución angular, un dato que luego permite determinar las propiedades radiativas, como los coeficientes de dispersión y retrodispersión. Encontrará información original en este artículo de Heintzenberg y Wiedensohler y una descripción y evaluación más reciente en este estudio de Müller et al.
2. Fotómetro de absorción de luz y espectrómetro fotoacústico: este instrumento mide la absorción de las partículas en suspensión, tras la colección en un filtro en el caso del fotómetro y como medición conjunta de un aerosol en el caso del espectrómetro. Hay un ejemplo de este último en la página web de este instrumento.
3. Espectroscopía de extinción en cavidad óptica (Cavity Ring-Down Spectroscopy, CRDS): esta técnica obtiene mediciones de extinción de aerosoles. Hay una descripción del instrumento en el siguiente artículo sobre la técnica de espectroscopía de extinción en cavidad óptica. Este instrumento mide la extinción de aerosoles comparando la atenuación de la intensidad láser en una cavidad láser resonante que contiene partículas con la atenuación en ausencia de partículas. Este artículo de Riziq et al. describe el instrumento y una aplicación representativa.
4. Detector de aerosoles por retrodispersión compacto (Compact Backscatter AerosoL Detector, COBALD): este instrumento transportado en globo (encontrará una descripción en este artículo de Brabec et al.) puede medir perfiles de la relación de retrodispersión de las partículas en suspensión o de los hidrometeoros.

Podemos citar como ejemplos de instrumentos de teledetección el LIDAR (LIght Detection And Ranging), una técnica muy utilizada para medir en forma remota la distribución de las partículas en suspensión, y el lidar de alta resolución espectral (High Spectral Resolution Lidar, HSRL), que obtiene mediciones directas de la radiación retrodispersada restando la retrodispersión molecular y normalizando el resultado. Muchos instrumentos terrestres y en órbita espacial también brindan información sobre los aerosoles en la columna midiendo el espectro de radiación. Para obtener información adicional, consulte la lección de COMET titulada Los instrumentos y la medición de la radiación atmosférica.

Resumen del capítulo sobre instrumentos

Estas tablas presentan un resumen de los mensurandos de los hidrometeoros y las partículas en suspensión junto con los instrumentos que pueden obtener las observaciones e información sobre aplicaciones y limitaciones.