Acerca de esta lección

Esta lección presenta siete de las diez bandas en el infrarrojo del generador avanzado de imágenes de base (Advanced Baseline Imager, ABI) de los satélites GOES R a U. La lección examina las características espectrales de cada banda para ayudarle a comprender mejor las bandas disponibles y lo que cada una observa, así como para demostrar algunas de las muchas aplicaciones posibles de esta información.

Tenga en cuenta que esta lección no abarca las tres bandas de vapor de agua. Encontrará esa información en la lección sobre las bandas IR de vapor de agua del ABI: GOES-R ABI Water Vapor Bands.

Cuando termine de estudiar esta lección, podrá:

• Identificar los varios fenómenos que se pueden detectar con las siete bandas infrarrojas del ABI que se describen en esta lección.
• Identificar el destello solar en las imágenes en el infrarrojo de onda corta.
• Identificar la banda más sensible a los puntos calientes y los aerosoles durante el día.
• Explicar el significado de las bandas de ventana infrarroja «limpia» y «sucia».
• Identificar la banda más sensible al ozono estratosférico.
• Identificar las bandas más sensibles a las emisiones volcánicas de dióxido de azufre.
• Identificar las bandas que son útiles para determinar las propiedades de los topes de las nubes.

Introducción

La Tierra y la atmósfera emiten energía principalmente en la región del espectro correspondiente al infrarrojo en longitudes de onda mayores que 3 micrómetros, con un pico o máximo cerca de 10 micrómetros. Las bandas en el IR cercano del sensor ABI (Advanced Baseline Imager, que significa «generador avanzado de imágenes de base») operan en la región de 3 a 14 micrómetros del espectro infrarrojo, donde se produce buena parte de estas emisiones pico.

 

Los gases atmosféricos absorben selectivamente la radiación en el infrarrojo de onda larga, especialmente el vapor de agua (entre 5 y 8 micrómetros), el ozono (entre 9.2 y 9.8 micrómetros) y el dióxido de carbono (a longitudes de onda superiores a 13 micrómetros). Fuera de estas regiones principales de absorción de los gases atmosféricos, la atmósfera despejada es muy transparente a la radiación infrarroja de onda larga. Las regiones de ventana se consideran «limpias» cuando en ellas se produce muy poca absorción atmosférica y «sucias» si presentan algún grado de absorción por parte de los gases atmosféricos, pero no lo suficiente como para impedir que la energía de la superficie y de las nubes alcance el satélite.

 

La cantidad de energía emitida depende de la temperatura y de la eficiencia de emisión o emisividad de la superficie terrestre, las nubes, los aerosoles y los gases.

 

Los gases atmosféricos absorben y reemiten la energía infrarroja a longitudes de onda discretas. El aspecto recortado de la curva amarilla en esta gráfica refleja las variaciones en la radiancia terrestre según la longitud de onda, el producto de la absorción y emisión por los gases atmosféricos en distintos niveles de presión. Estudiaremos estos efectos más en profundidad a medida que se analice cada una de las varias bandas individuales.

 

Si superponemos a esta gráfica las posiciones de las distintas bandas infrarrojas, vemos que algunas de ellas se ubican en regiones de «ventana» infrarroja en las cuales podemos ver la superficie terrestre y la nubosidad sin ninguna contribución importante por parte de los gases atmosféricos. Algunas bandas son sensibles a la absorción por distintos gases. El grado de sensibilidad de cada una determina la combinación relativa de estructuras atmosféricas, nubosas y superficiales que permite ver. Como regla general, cuanto mayor sea la sensibilidad de una banda a un gas, tanto mayor será la altitud de origen de la señal infrarroja, y tanto menores las emisiones provenientes de la superficie y de las capas atmosféricas inferiores, incluido el manto nuboso.

 

Otra manera conveniente de mostrar el impacto de la absorción selectiva en las bandas infrarrojas del ABI consiste en diagramar la transmitancia atmosférica total en función de la longitud de onda. La curva gris recortada en el fondo de este diagrama corresponde a la transmitancia atmosférica de una atmósfera representativa. Cuando el nivel de transmitancia alcanza 1 (es decir, el 100 %), la mayor parte de la energía emitida por la Tierra llega al espacio. A la inversa, cuando el valor de transmitancia es más bajo, el mayor grado de absorción por los gases reduce la cantidad de energía que alcanza el espacio. Desde la perspectiva del satélite, la transmitancia cero implica una atmósfera completamente opaca y muy fría. Las curvas azules representan las funciones de respuesta del instrumento para las bandas de ventana IR del ABI y muestran el intervalo espectral que abarca cada banda individual.

 

Examinemos ahora cada una de las siete bandas infrarrojas que son el tema de esta lección. Comenzaremos con la banda «de ventana IR de onda corta» de 3.9 μm.

Banda de ventana IR de onda corta

Desde fines de la década de 1970, las bandas de ventana IR de onda corta de 3.9 μm de los instrumentos de varios satélites meteorológicos, tanto geoestacionarios como en órbita polar, han demostrado su gran utilidad en muchas aplicaciones, entre las cuales cabe mencionar:

• mejorar la capacidad de identificar y observar la evolución de nieblas y estratos bajos;
• determinar la fase del agua en las nubes;
• demarcar las nubes de agua sobreenfriada y de hielo;
• mejorar la identificación de nubes de agua sobre fondos con cobertura de nieve durante el día;
• detectar puntos calientes, como incendios y volcanes;
• observar aerosoles atmosféricos y cenizas volcánicas durante el día;
• medir la temperatura de la superficie del mar por la noche; y
• estimar los vientos en niveles bajos a partir del movimiento de las nubes.

Esta figura resume tres conceptos de transferencia radiativa que son fundamentales para aprovechar las muchas posibilidades de la banda IR de onda corta. En esta sección describiremos rápidamente cada uno de dichos conceptos.

 

La banda IR de onda corta se encuentra en la región de ventana IR de onda corta del espectro de emisión de la Tierra. La atmósfera terrestre no absorbe la radiación de esta región en una medida considerable. Además, la Tierra emite mucho menos energía en esta región del espectro que en longitudes de onda más largas.

 

La región espectral a la cual es sensible la banda IR de onda corta incluye la radiación solar reflejada. Esta ampliación de la gráfica muestra que las dos curvas coinciden en la región cubierta por la banda IR de onda corta. El agregado de la radiación solar reflejada por las nubes y el suelo produce un efecto de calentamiento perceptible en las imágenes de la banda IR de onda corta captadas durante el día.

 

Gracias a la gran diferencia en las propiedades de dispersión (reflexión) de las partículas de agua (hielo) en el IR de onda corta, esta banda puede distinguir las fases del agua en los topes de las nubes y detectar el manto de nieve durante el día.

Como muestra la siguiente figura, el reflejo producido por el tope de la nube a la longitud de onda de 3.9 µm es una función de la fase del agua y del tamaño de las gotas que esta contiene. En las nubes de agua, el radio de las gotitas oscila entre 5 y 20 micrómetros, mientras las partículas de hielo en los cirros a menudo alcanzan tamaños de 50 micrómetros o más. Por lo tanto, en las imágenes diurnas las nubes de agua son mucho más reflectantes a 3.9 micrómetros que las de hielo.

 

Por la noche, la eficiencia de emisión o emisividad de las nubes de agua es menor en 3.9 micrómetros que en longitudes de onda infrarrojas más largas. El resultado es que las temperaturas de brillo de las nubes de agua son más frías en la banda IR de onda corta que en las bandas IR de onda larga. Con los cirros relativamente delgados, sin embargo, ocurre lo contrario. Al comparar estas dos imágenes, observe que los cirros delgados tienen un aspecto más cálido, mientras las cimas de las nubes que contienen agua líquida, en niveles más bajos, se ven más fríos.

 

Las bandas IR de onda corta y onda larga se han utilizado durante mucho tiempo en combinación, por lo general mediante una técnica de diferencia de bandas, para generar productos nocturnos que fácilmente separen las nubes de agua de las de hielo.

 

La detección de incendios y puntos calientes es otra prestación especial de la banda IR de onda corta. En términos de la energía detectada por el satélite cuando la temperatura de un objeto aumenta, una banda cerca de la región de 3.9 micrómetros es más sensible que una centrada cerca de 11 micrómetros. Este efecto es perceptible cuando parte de un píxel de la imagen contiene un punto caliente o un incendio.

En la gráfica del panel de la izquierda se trazan las temperaturas de brillo de un incendio a nivel de subpíxel. La temperatura de brillo es perceptiblemente más alta en la banda de 3.9 µm que en la de 10.7 µm, especialmente para valores de N pequeños (cobertura fraccional de puntos calientes).

 

Se observa un efecto de calentamiento similar en la nubosidad a nivel de subpíxel, donde la temperatura de los topes de nubes suele ser más fría que la temperatura de la superficie a su alrededor. Si fuéramos a comparar una escena con elementos como cúmulos pequeños en la banda de 3.9 micrómetros con la misma escena en la banda de 10.3 u 11.2 micrómetros, por ejemplo, podríamos suponer que la imagen de 3.9 micrómetros tendrá un aspecto algo más cálido.

Esta animación, que comienza en las primeras horas de la noche, muestra un incendio de matorral muy activo en una secuencia de imágenes de la banda de 3.9 micrómetros realzadas en color. Las regiones más espesas de la nube de humo también son evidentes, gracias a la sensibilidad de esta banda a los aerosoles más grandes.

A medida que la secuencia abarca las horas del día, el reflejo de la energía solar en la superficie del suelo circundante produce temperaturas de brillo más altas. Parte de dicho calentamiento se debe también a las emisiones infrarrojas de la superficie que se va calentando. Los puntos calientes del incendio siguen siendo visibles, pese a la radiación solar adicional. Esto se debe en parte a la temperatura de saturación más alta de las bandas de los instrumentos AHI y ABI. La nueva banda de 3.9 micrómetros se satura a 410 K, una temperatura aproximadamente 70 K más alta que la banda del GOES anterior. Esto mejora la capacidad de identificar los incendios, ya que permite distinguirlos de otras superficies reflectantes cálidas, por ejemplo, y caracterizarlos mejor a nivel de subpíxel, por ejemplo en términos de su superficie y temperatura de quema.

 

Como ocurre en el visible y en el IR cercano, el destello solar se debe tener en cuenta al interpretar las imágenes IR de onda corta sobre agua. Cuando la alineación entre el Sol y el satélite es propicia, una superficie de agua poco rugosa o en calma puede producir grandes zonas de reflejo.

Estas animaciones muestran dos realces de imágenes distintos. La animación de la izquierda usa tonos más vivos para indicar temperaturas de brillo más cálidas y tonos más oscuros para indicar temperaturas de brillo más frías. La de la derecha emplea un realce de color para el IR propuesto para el sistema AWIPS. Observe la región brillante y relativamente cálida que se desplaza hacia el oeste con el paso del Sol. También notará zonas relativamente cálidas y frías dentro del patrón de destello general. Algunas de estas zonas más frías se tornan cálidas a medida que el reflejo del Sol se acerca, y luego vuelven a enfriarse. Estos son indicadores de aguas relativamente calmas rodeadas por una superficie marina más agitada.

Banda de fase del tope de las nubes

La banda «de fase del tope de las nubes» de 8.4 micrómetros del ABI, una banda nueva a bordo de los satélites GOES, se encuentra en el borde de la región de ventana IR de onda larga.

Aunque es similar a las bandas de ventana IR de onda larga en la región de 10 a 12 micrómetros, la banda de 8.4 micrómetros ayuda además a determinar las propiedades microfísicas de los topes de las nubes, tanto de día como de noche. El producto tipos de nubes de este ejemplo, que combina información de las bandas de 8.4, 11.2 y 12.4 micrómetros del AHI, también está disponible en el GOES-R.

La combinación de las bandas de 8.4 y 11.2 micrómetros permite distinguir entre las nubes de agua y de hielo de forma más coherente a través del día y de la noche, a diferencia del producto niebla/nubes bajas «tradicional» que solamente se puede utilizar por la noche, debido a la contaminación solar a la que está sometido durante el día. De forma análoga a lo que ocurre con la banda de 3.9 micrómetros por la noche, la emisividad de los topes de las nubes de agua densas es menor en 11.2 micrómetros, de modo que los topes de las nubes son más fríos en la banda de 8.4 micrómetros que en la de 11.2 micrómetros. Esto se contrasta con lo que ocurre con las nubes de hielo, que tienden a presentar diferencias de temperatura mucho menores y, en el caso de los cirros más delgados, incluso de signo opuesto.

Arrastre el control deslizante para comparar la temperatura de brillo de los topes de nubes de agua y de hielo en las imágenes de 8.4 y 11.2 micrómetros.

 

La banda de 8.4 micrómetros del ABI también se halla en una región de ventana «sucia» en la cual la absorción del vapor de agua es más fuerte que en las bandas de ventana de 10.3 y 11.2 micrómetros. El resultado es que las temperaturas de brillo de las estructuras en la superficie son levemente más frías cuando hay mucha humedad en los niveles bajos de la atmósfera. También en escenas desérticas es común que la temperatura de brillo de la banda de 8.4 micrómetros sea más fría en comparación con las bandas de 10.3 y 11.2 micrómetros, pese a que en estos entornos la atmósfera inferior suele ser seca. Esto se debe a que la emisividad (o eficiencia de emisión) de una superficie desértica suele aproximarse al 90 %, a diferencia de las zonas con suelos oscuros o cubiertas de vegetación, cuya emisividad se acerca al 100 %.

Esta escena, que destaca las regiones desérticas de Mongolia y China del norte, así como zonas más templadas y más húmedas de China oriental, muestra el efecto de enfriamiento en la banda de 8.4 micrómetros en comparación con la banda IR de 10.3 micrómetros de ventana «limpia».

 

Cuando se la combina con las bandas de 11.2 y de 12.3 micrómetros, la banda de 8.4 micrómetros también es útil para detectar las nubes de cenizas volcánicas que contienen aerosoles y dióxido de azufre (SO₂), especialmente cuando las concentraciones de SO₂ son altas. Este diagrama de la transmisión atmosférica del SO₂ muestra dos bandas de absorción bien diferenciadas en el infrarrojo. Observe que la absorción del SO₂ en la banda de 8.4 micrómetros es realmente pronunciada solo con concentraciones de SO₂ elevadas.

Banda de ozono

La banda de 9.6 micrómetros «de ozono» del ABI está centrada en una región de fuerte absorción por parte del ozono dentro del espectro de emisión infrarroja de la Tierra.

Aunque su distribución espacial varía, el 90 % del ozono terrestre se halla en la estratosfera, con abundantes concentraciones justo encima de la tropopausa. Esto significa que la señal del ozono que se detecta en esta banda se origina en capas localizadas cerca y por encima de la tropopausa.

La banda de ozono también es levemente sensible al vapor de agua. El efecto combinado de la absorción del ozono y del vapor de agua produce imágenes de aspecto generalmente más frío que las bandas de ventana IR. Sin embargo, debido a las emisiones de ozono en la baja estratosfera, donde la temperatura aumenta con la altitud, en la banda de ozono los topes de las nubes que se encuentran cerca de la tropopausa o que la sobrepasan pueden parecer más cálidos.

Arrastre el control deslizante para comparar una imagen de la banda de ozono de 9.6 micrómetros y la correspondiente imagen de 10.3 micrómetros (ventana IR limpia).

 

Las temperaturas de brillo de la banda de ozono también son sensibles a los cambios en el ángulo de visión (o cénit) del satélite. A medida que el satélite escanea más lejos del nadir —el punto directamente debajo del satélite sobre el Ecuador— el ángulo de exploración aumenta y la energía se detecta desde un nivel más alto en la atmósfera.

En esta animación de la función de ponderación (o de peso), observe como la contribución del ozono estratosférico aumenta cerca del limbo —a un ángulo de observación de aproximadamente 70 grados— a la vez que la temperatura de brillo T_b disminuye. También se nota la absorción del vapor de agua en la banda de ozono, un aporte de la troposfera inferior. Dada una atmósfera húmeda, la altitud de esta contribución también aumenta levemente a medida que aumenta el ángulo de barrido, lo cual produce un efecto de enfriamiento adicional.

Examine la imagen de la banda de ozono un momento y verá que la temperatura de brillo se vuelve más fría con la distancia respecto del punto subsatélite sobre el ecuador. El efecto es más marcado hacia los polos, donde la concentración del ozono estratosférico es mayor que en el ecuador. Este fenómeno de enfriamiento, denominado «oscurecimiento en el limbo», es particularmente pronunciado cuando el ángulo de barrido es mayor que 60 grados. El oscurecimiento en el limbo afecta todas las bandas infrarrojas, ya que todas están sujetas a algún grado de absorción por los gases atmosféricos, pero es más evidente en las bandas de ozono y dióxido de carbono, donde la absorción es más fuerte.

 

Banda de ventana IR de onda larga limpia

La «banda de ventana IR de onda larga limpia» de 10.3 micrómetros es una de las cuatro bandas de ventana infrarroja del ABI, ubicadas en 8.4, 10.3, 11.2 y 12.3 micrómetros, respectivamente. Esta banda, que se encuentra en una región del espectro IR poco sensible a la absorción del vapor de agua, es también la menos sensible de las cuatro al vapor de agua. Esto implica que la banda de 10.3 micrómetros brinda la vista más «limpia» tanto de los topes de las nubes como de la superficie terrestre.

A continuación se muestran las funciones de ponderación de las cuatro bandas de ventana IR en condiciones de cielos despejados; la curva azul corresponde a la banda de 10.3 micrómetros. El área debajo y a la izquierda de cada curva indica las contribuciones relativas de las distintas capas de la atmósfera a la energía saliente. Se nota que las cuatro funciones de ponderación alcanzan un máximo en la superficie. Esto confirma que, en escenas despejadas, en la señal de temperatura de brillo (o de emisión) captada por las cuatro bandas de ventana IR del satélite predomina la superficie.

En la longitud de onda de 10.3 micrómetros, la emisividad de la mayoría de las superficies y tipos de nubes se acerca a 1 (lo cual implica una eficiencia del 100 %), siendo los cirros delgados una excepción notable. Por lo tanto, la temperatura de brillo que percibe el satélite está cerca de la temperatura real de la capa superficial del suelo o de los topes de las nubes, excepto donde la escena contiene cirros delgados. En realidad, los cirros delgados dejan pasar una mayor cantidad de energía que en las demás bandas de ventana IR, de modo que tienen un aspecto más cálido en la banda de 10.3 micrómetros.

La mayoría de las características de superficie también son levemente más cálidas en la banda de 10.3 micrómetros que en las bandas IR tradicionales, producto de su sensibilidad relativamente baja a la humedad en la troposfera inferior.

La comparación siguiente destaca algunas de las diferencias más comunes entre la banda de 10.3 micrómetros y la de 11.2 micrómetros, históricamente más usada. Dada la similitud de estas dos bandas infrarrojas, la banda de ventana limpia de 10.3 micrómetros se puede usar de la misma forma que la de 10.7 micrómetros del GOES anterior y la del satélite polar Suomi-NPP.

Arrastre el control deslizante para comparar dos imágenes del norte de Australia captadas a comienzos de verano en las bandas de 10.3 y 11.2 micrómetros.

 

En los productos derivados, la calidad de la «ventana limpia» de 10.3 micrómetros contribuye a mejorar las correcciones de humedad atmosférica en los productos de humedad de superficie, como los de temperatura de la superficie del mar (TSM), así como a estimar los perfiles de humedad, a estimar el tamaño de las partículas en los topes nubosos y a caracterizar las propiedades de superficie.

Banda de ventana IR de onda larga

La banda de «ventana IR de onda larga» de 11.2 micrómetros del ABI —la banda o canal IR de onda larga «tradicional»— es la tercera de las cuatro bandas de ventana IR del ABI que se cubren en esta lección. Esta banda se encuentra en una región del espectro IR de escasa sensibilidad a la absorción del vapor de agua. Al igual que las otras tres bandas de ventana IR, la señal de temperatura de brillo de esta banda está dominada por la señal de temperatura de los topes nubosos y de la superficie.

En la longitud de onda de 11.2 micrómetros, que es similar a la banda de 10.3 micrómetros, la emisividad de la mayoría de las superficies y tipos de nubes se acerca a 1 (lo cual implica una eficiencia del 100 %). Por lo tanto, la temperatura de brillo que percibe el satélite está cerca de la temperatura real de la capa superficial del suelo o de los topes de las nubes, excepto donde la escena contiene cirros delgados.

En comparación con la banda de 10.3 micrómetros, la de 11.2 micrómetros deja escapar al espacio una cantidad menor de energía IR de onda larga a través de las capas de cirros ópticamente delgadas (semitransparentes). Por eso los cirros no opacos tienen un aspecto más frío en la banda de 11.2 micrómetros. La ventana «sucia» de 12.3 micrómetros deja pasar aún menos energía de onda larga a través de las nubes delgadas, de modo que en dicha banda los cirros tienen un aspecto incluso más frío.

Esta comparación de imágenes permite ver que los cirros más delgados se vuelven más fríos a medida que la longitud de onda aumenta de 10.3 a 11.2 y luego a 12.3 micrómetros. Las características en la superficie también se tornan cada vez más frías, algo que volveremos a considerar más adelante.

Arrastre el control deslizante para comparar el tifón Meranti en tres imágenes IR del Himawari-8.

 

Las siguientes funciones de ponderación corresponden a las cuatro bandas de ventana IR en condiciones de cielos despejados; la curva de la banda de 11,2 micrómetros es marrón. El área debajo y a la izquierda de cada curva indica las contribuciones relativas de las distintas capas de la atmósfera a la energía saliente.

Aunque las cuatro funciones de ponderación alcanzan su máximo en la superficie, por debajo de aproximadamente 700 hPa la curva de 11.2 micrómetros se encuentra a la derecha de la curva correspondiente a la banda de 10.3 micrómetros. Esto indica un mayor grado de sensibilidad al vapor de agua troposférico en comparación con la banda de 10.3 micrómetros. El resultado es que en la banda de 11.2 micrómetros la temperatura de brillo en condiciones despejadas es levemente más fría que en la de 10.3 micrómetros, aunque es más cálida en comparación con las bandas de 8.4 y 12.3 micrómetros, que son más sensibles al vapor de agua. El efecto de enfriamiento de las bandas de 8.4, 11.2 y 12.3 micrómetros aumenta a medida que aumenta la humedad en niveles bajos, un efecto cuyas implicancias se deben considerar al evaluar la humedad en niveles bajos y diagnosticar los límites entre masas de aire.

Arrastre el control deslizante para comparar las imágenes y funciones de ponderación de las cuatro bandas de ventana IR del Himawari-8 (8.4, 10.3, 11.2 y 12.3 micrómetros).

 

Las bandas IR del GOES-R incorporan varias mejoras, como una resolución espacial de 2 km, una frecuencia de adquisición de imágenes de 15 minutos para el disco terrestre completo y de 5 minutos para el territorio contiguo «extendido» de los EE.UU. (una vista amplia de los EE.UU. y México con parte del Caribe) y un ritmo incluso más frecuente de 1 minuto para dos áreas seleccionables. Con estas mejoras, la banda de 11.2 micrómetros brinda posibilidades sin precedentes para monitorear la evolución, el crecimiento en escala y la disipación de la convección a través de la temperatura de los topes nubosos, cuando se utilizan junto con las imágenes de los radares meteorológicos y las observaciones de rayos del innovador instrumento GLM, también a bordo del GOES-R.

La banda de 11.2 micrómetros es un componente importante de las tres clases generales de productos derivados del GOES-R, los productos básicos (de línea de base), futuros e imaginados. Los productos «básicos» comprenden imágenes, propiedades de las nubes, vientos derivados del satélite, temperatura de la superficie del mar y agua precipitable total. Los topes de las nubes que penetran la tropopausa (overshooting tops) y el ozono total son dos ejemplos de productos futuros. La tercera clase abarca los productos ideados posteriormente como aplicaciones adicionales que van más allá de los usos convencionales de la información satelital. Esta clase incluye las ayudas para la toma de decisiones diseñadas para mejorar las predicciones de convección y tiempo severo.

Banda de ventana IR de onda larga sucia

Al igual que ocurre con las otras tres bandas de ventana IR de onda larga, la banda de 12.3 micrómetros del ABI se encuentra en la región general de ventana IR de onda larga. Dentro de este grupo de bandas IR, la banda de 12.3 micrómetros es la más sensible a la absorción de la humedad atmosférica en niveles bajos, motivo por el cual recibe el apodo de banda de ventana IR de onda larga «sucia».

Esta banda se presta a gran variedad de usos, y hace muchos años que los satélites geoestacionarios y polares incluyen bandas similares. Cuando se la combina con una banda de ventana IR más limpia, la banda de 12.3 micrómetros permite estimar la humedad en niveles bajos, analizar las diferencias y las fronteras entre masas de aire, diagnosticar las propiedades de las nubes y observar y cuantificar las cenizas volcánicas y el polvo y la arena suspendidos en la atmósfera.

Como ocurre con las bandas de 10.3 y 11.2 micrómetros, en la banda de 12.3 micrómetros la emisividad de la mayoría de las superficies y de las nubes espesas y opacas se acerca a 1. Sin embargo, más allá de la emisividad hay otras diferencias sutiles pero importantes relacionadas con la sensibilidad de esta banda a la humedad en niveles bajos, y con procesos de absorción y dispersión más complejos en el interior de las nubes de agua y de hielo, y las nubes de polvo y de cenizas volcánicas. Como veremos en un momento, estas propiedades ópticas de la banda de 12.3 micrómetros resultan particularmente útiles en combinación con otras bandas infrarrojas para numerosas aplicaciones.

Una de estas combinaciones de diferentes bandas infrarrojas es la llamada split window, un producto de sustracción o diferencia que utiliza la banda de 12.3 micrómetros y una banda de ventana IR más limpia, como la de 11.2 micrómetros. El producto de sustracción es particularmente adecuado para destacar varias de las propiedades atmosféricas y nubosas antes mencionadas.

Consideremos la identificación de cirros delgados, un uso de la banda de 12.3 micrómetros que viene de largo. Las partículas de hielo de las nubes absorben más energía en la banda de 12.3 micrómetros que en las bandas de 8.4, 10.3 y 11.2 micrómetros. Esto reduce la temperatura de brillo de los cirros más delgados en comparación con las otras tres bandas de ventana IR. La siguiente comparación de imágenes permite ver que los cirros más delgados se vuelven más fríos a medida que la longitud de onda aumenta de 10.3 a 12.3 micrómetros. Las características de la superficie también tienen un aspecto cada vez más frío, como veremos en un momento.

Arrastre el control deslizante para comparar el tifón Meranti en tres las imágenes IR del Himawari-8.

 

Como vimos antes, la banda de 12.3 micrómetros es la más sensible de las cuatro bandas de ventana IR a la absorción de humedad atmosférica en niveles bajos. Las funciones de ponderación corresponden a las cuatro bandas de ventana IR del ABI bajo condiciones despejadas y una atmósfera de latitudes medias relativamente húmeda de verano. La curva de la banda de 12.3 micrómetros es anaranjada.

Si nos fijamos en la función de ponderación de la banda de 12.3 micrómetros vemos que es la de las cuatro bandas de ventana IR que se encuentra más a la derecha, y que buena parte del aporte de la absorción de vapor de agua ocurre por debajo del nivel de aproximadamente 700 hPa. Esto indica un mayor grado de sensibilidad al vapor de agua troposférico. En escenas despejadas, el resultado es una temperatura de brillo levemente más fría en comparación con las otras tres bandas, suponiendo la ausencia de fuertes inversiones de temperatura en dicha capa.

En las tres funciones de ponderación que se muestran a continuación, observe que en la mayoría de las escenas las temperaturas de brillo se enfrían al aumentar la longitud de onda, donde hay una mayor sensibilidad a la humedad de niveles bajos.

Arrastre el control deslizante para comparar las funciones de ponderación de las tres bandas de ventana IR del Himawari-8.

 

El efecto de enfriamiento también aumenta a medida que aumenta la cantidad de humedad en niveles bajos, y es más notable en la banda de 12.3 micrómetros. Una mayor concentración de humedad suele causar más enfriamiento, porque la absorción de vapor de agua ocurre en capas más altas de la troposfera. Esto tiene algunas implicancias a la hora de estimar la cantidad de humedad en niveles bajos y de definir las diferencias entre masas de aire.

Arrastre el control deslizante para comparar las funciones de ponderación de la banda de 12.3 micrómetros para atmósferas cada vez más húmedas.

 

Hace mucho tiempo que la banda de 12.3 micrómetros se utiliza en combinación con la banda de 11 micrómetros para detectar las cenizas volcánicas y el polvo atmosférico, tanto de día como de noche. Los mismos procesos que permiten detectar los cirros delgados se dan en el interior de las nubes de polvo y de cenizas volcánicas semitransparentes, pero en sentido contrario. Las nubes de polvo y de cenizas volcánicas atenúan menos energía a la longitud de onda de 12.3 que a 10.3 y 11.2 micrómetros, gracias a lo cual parte de la energía de los topes de nubes o de las superficies debajo de ellos, más cálidos ambos, atraviesa la nube. Esto es lo opuesto de lo que vimos antes, al describir los efectos en relación con los cirros delgados. Este efecto de «absorción inversa» produce una señal de temperatura de brillo levemente más cálida en la banda de 12.3 micrómetros en comparación con las bandas de 10.3 y 11.2 micrómetros.

Utilice los botones de radio para seleccionar y comparar una nube de polvo atmosférico en imágenes de las bandas de 10.3, 11.2 y 12.3 micrómetros captadas en primavera sobre el noreste de la China. Se incluye una imagen de la banda visible «roja» a modo de referencia.

V. IR «limpia» (10.3 μm) V. IR «de onda larga» V. IR «sucia» Sustracción (Split Window) Banda vis. «roja»

 

A partir de las bandas infrarrojas individuales, es evidente que la señal de polvo es tenue y que aumentar el contraste del polvo atmosférico requiere procesamiento adicional con diferentes combinaciones de bandas. Aunque el producto de sustracción que se obtiene restando la banda de 10.3 micrómetros de la de 12.3 micrómetros (split window) no es un producto óptimo, estas imágenes resaltan parte de la señal del polvo con tonos anaranjados. Los tonos azules indican la presencia de mayores cantidades de humedad en los niveles bajos o características de los topes nubosos, especialmente los cirros más delgados. En la parte inferior de la imagen de diferencia, observe las áreas anaranjadas corriente abajo de las áreas costeras. Estas señales pueden deberse a polvo en suspensión o quizás a una combinación de polvo con otros contaminantes atmosféricos.

Además de las aplicaciones relacionadas con la detección de humedad, cirros delgados, polvo y cenizas a las que aludimos en esta sección, la banda de 12.3 micrómetros es un componente importante de muchas otras categorías de productos del GOES-R. Entre otras, cabe mencionar las siguientes:

• productos de superficie que requieren correcciones en la humedad atmosférica,
• productos relacionados con la fase, microfísica y altura de las nubes,
• índices de estabilidad que dependen de las estimaciones de humedad
• y perfiles de temperatura y humedad atmosféricas que continúan la serie histórica de las sondas del GOES.

Banda de dióxido de carbono (CO₂)

La «banda de dióxido de carbono» de 13.3 micrómetros tiene varias aplicaciones, como la generación de perfiles de temperatura y humedad troposférica y la definición de la tropopausa; también es un componente de productos de nubes derivados para estimar la opacidad de las nubes, asignar a los topes nubosos vectores de movimiento y complementar las observaciones meteorológicas de los sistemas automatizados de superficie. Dada la naturaleza compleja de esta banda, la mayoría de las aplicaciones están relacionadas más con los productos derivados que con la interpretación de imágenes.

Hace varias décadas que las bandas de CO₂ se usan en los satélites geoestacionarios y en órbita polar, principalmente como complemento a los sondeos atmosféricos y para evaluar las propiedades de los topes nubosos. Los satélites GOES han demostrado la utilidad de los productos cuantitativos a partir del lanzamiento del GOES-12 en 2001 y de las sondas atmosféricas desde el GOES-8, que se lanzó en 1994.

La nueva banda de 13.3 micrómetros abarca una región del espectro de emisión de la Tierra donde las moléculas de dióxido de carbono absorben una cantidad considerable de la radiación emitida por las nubes y por el suelo a longitudes de onda entre 13 y 18 micrómetros. Por lo tanto, esta banda percibe la radiación de todos los niveles de la troposfera. Como a la longitud de onda de 13.3 micrómetros el dióxido de carbono solo oculta parcialmente las nubes y la superficie terrestre, su combinación con otras bandas de ventana IR permite detectar las propiedades de las nubes.

La función de ponderación para la banda de CO₂ que se muestra a continuación corresponde a cielos despejados en una atmósfera estándar para los EE.UU. Podemos considerar la temperatura de emisión observada en términos de un valor medio ponderado sobre este rango de presiones.

La mayor parte de esta energía se origina en los niveles medios y bajos de la troposfera. Dado que el máximo de la función de ponderación ocurre cerca de la superficie terrestre, las nubes y las características de superficie siguen siendo visibles. Sin embargo, a medida que la contribución a la temperatura de emisión del dióxido de carbono se vuelve más dominante en las capas inferiores de la atmósfera, las nubes más bajas y las características de la superficie pierden nitidez.

Compare estas imágenes de 11.2 y de 13.3 micrómetros para ver que las emisiones infrarrojas del dióxido de carbono ocultan parcialmente las nubes más bajas y especialmente las características de superficie.

 

La banda dedicada a la detección de CO₂ a bordo del GOES-R genera imágenes del disco completo de la Tierra a intervalos de 15 minutos, una mejora considerable en la cobertura temporal de los productos derivados en comparación con la frecuencia de actualización de 3 horas del generador de imágenes del GOES anterior.

Las imágenes y los productos derivados se benefician además de la mayor resolución del ABI, que en todas las bandas IR es de 2 km. La mayor resolución espacial y temporal del ABI permite detectar características nubosas más pequeñas y resolver con más detalle la estructura de las nubes.

 

Resumen

El conjunto ampliado de bandas IR de onda larga del ABI genera imágenes y productos de alta resolución espacial y temporal que permiten monitorear gran variedad de fenómenos en la superficie y en la atmósfera. Las nuevas bandas adicionales prometen mejoras importantes en la detección y observación de las estructuras de los topes nubosos, la fase y otras propiedades microfísicas de las nubes, las características de superficie, los peligros ambientales y las características de las masas de aire de niveles bajos en el entorno preconvectivo. Las bandas IR de onda larga también contribuyen a asegurar la continuidad de la serie histórica de perfiles de temperatura y humedad atmosférica, importantes para los pronósticos inmediatos (nowcasting) y a acorto plazo, y la mejora continua de los vectores de movimiento atmosférico relacionados con el movimiento de las nubes, que son esenciales para la predicción numérica del tiempo.

Esta tabla muestra los varios productos «básicos» del GOES-R y su dependencia de las bandas infrarrojas que se presentan en esta lección. Estos productos se basan en algoritmos científicos para extraer información de distintos grupos de bandas cuya sensibilidad a una propiedad específica es conocida a fin de producir datos cuantitativos sobre distintas propiedades físicas.

Características de las siete bandas IR contempladas en esta lección.

• Cobertura espectral, profundidad de bits, rango de temperatura
  • Ventana IR de onda corta
    • Longitud de onda central: 3.9 μm en el rango de 3.8 a 3.99 μm (GOES-R ABI), IR de onda corta
    • Profundidad de bits: 14 (se compara con 10 para el generador de imágenes del GOES anterior)
    • Temperatura máxima aproximada: 410 K (137 °C), aprox. 70 K más alta que en los instrumentos del GOES-13 a 15
  • Fase del tope de las nubes
    • Longitud de onda central: 8.4 μm en el rango de 8.23 a 8.66 μm (GOES-R ABI), IR de onda larga
    • Profundidad de bits: 12 (se compara con 10 para el generador de imágenes del GOES anterior)
    • Temperatura máxima aproximada: 340 K (67 °C)
  • Ozono
    • Longitud de onda central: 9.6 μm en el rango de 9.42 a 9.80 μm (GOES-R ABI), IR de onda larga
    • Profundidad de bits: 12 (se compara con 10 para el generador de imágenes del GOES anterior)
    • Temperatura máxima aproximada: 310 K (-269 a 37 °C)
  • Ventana IR de onda larga «limpia»
    • Longitud de onda central: 10.3 μm en el rango de 10.18 a 10.48 μm (GOES-R ABI), IR de onda larga
    • Profundidad de bits: 12 (se compara con 10 para el generador de imágenes del GOES anterior)
    • Temperatura máxima aproximada: 340 K (67 °C)
  • Ventana IR de onda larga
    • Longitud de onda central: 11.2 μm en el rango de 10.82 a 11.60 μm (GOES-R ABI), IR de onda larga
    • Profundidad de bits: 12 (se compara con 10 para el generador de imágenes del GOES anterior)
    • Temperatura máxima aproximada: 340 K (67 °C)
  • Ventana IR de onda larga «sucia»
    • Longitud de onda central: 12.3 μm en el rango de 11.83 a 12.75 μm (GOES-R ABI), IR de onda larga
    • Profundidad de bits: 12 (se compara con 10 para el generador de imágenes del GOES anterior)
    • Temperatura máxima aproximada: 340 K (67 °C)
  • CO₂
    • Longitud de onda central: 13.3 μm en el rango de 12.99 a 13.56 μm (GOES-R ABI), IR de onda larga
    • Profundidad de bits: 10 (igual al generador de imágenes del GOES anterior)
    • Temperatura máxima aproximada: 318 K (45 °C)
• Resolución (en el ecuador)
  • Todas las bandas infrarrojas: campo de visión de 2 km
• Mejoras de calidad (en comparación con el GOES anterior)
  • Menos ruido
  • Resolución de temperatura más alta
  • Temperaturas de saturación más altas
  • Mejores prestaciones de geolocalización y registro de los píxeles (estabilidad de los píxeles de un fotograma a otro).

Consideraciones de aplicación de las bandas

• Ventana IR de onda corta
  • Está disponible tanto de día como de noche.
  • Durante el día, el efecto del reflejo solar (sun glint) produce temperaturas de brillo más cálidas.
  • Los productos de sustracción/diferencia entre esta banda y una banda de ventana IR de onda larga, como los de nubes bajas u otros tipos de detección del agua en las nubes, solo son útiles por la noche.
  • Cuando se utiliza en productos derivados y composiciones RGB, esta banda es eficaz para determinar la fase de las nubes tanto de día como de noche.
  • Puntos calientes e incendios: la temperatura de saturación más alta (400 K) permite mejorar su detección y caracterización a nivel de subpíxel (cobertura aérea y temperatura de quema).
  • El ruido creciente en la temperatura de brillo de las escenas nocturnas muy frías —por debajo de -40 °C (233 K)— afecta los cirros, los topes de las tormentas y las vistas de superficies frías en invierno.
• Fase del tope de las nubes
  • Está disponible tanto de día como de noche.
  • Es sensible a la humedad en niveles bajos, por lo cual se trata de una banda de «ventana sucia».
  • Es más fría que las bandas de ventana IR (de 10.3 y 11.2 µm) al detectar masas de aire húmedas en niveles bajos y nubes de agua.
  • Es más cálida que las bandas de ventana IR de onda larga para los cirros delgados.
  • Se combina con otras bandas de ventana IR para estimar la microfísica de los topes de las nubes (fase y tamaño de las partículas) de día y de noche.
• Ozono
  • Está disponible tanto de día como de noche.
  • Es sensible a las concentraciones de ozono en la estratosfera y en la alta troposfera.
  • Debido a la absorción del ozono, en escenas despejadas es más fría que las bandas de ventana IR; por lo general, una mayor concentración de ozono produce un mayor grado de enfriamiento.
  • Es levemente más cálida que las bandas de ventana IR para las nubes cerca del nivel de la tropopausa, debido al aumento de temperatura que se observa con la altura en la estratosfera.
  • Su sensibilidad al ozono cerca de la superficie es limitada, debido a la amplitud del rango espectral de esta banda.
• Ventana IR de onda larga «limpia»
  • Está disponible tanto de día como de noche.
  • Es la banda de ventana más limpia, es decir, la menos sensible al vapor de agua.
  • Brinda las vistas más limpias de los topes de las nubes y de las emisiones de temperatura en la superficie.
  • La temperatura y la emisividad de la superficie predominan en la temperatura de brillo de las escenas despejadas.
  • Es levemente más cálida que la banda tradicional de ventana IR de onda larga (10.7 µm en el GOES anterior) debido a la menor absorción de humedad en la troposfera inferior.
• Ventana IR de onda larga
  • Está disponible tanto de día como de noche.
  • Es la banda que más se asemeja a las bandas tradicionales de ventana IR de onda larga de los instrumentos a bordo del GOES anterior, de Suomi NPP y de JPSS.
  • Las temperaturas de brillo están dominadas por los topes de las nubes y las superficies en escenas despejadas.
  • Es levemente más sensible a la humedad en niveles bajos —y, por tanto, es más fría— que la banda de ventana IR limpia de 10.3 µm.
  • Es levemente más fría que la banda de ventana IR de 10.7 µm del GOES anterior, debido a la mayor absorción de humedad en la troposfera inferior.
  • La mayor absorción de la radiación saliente por las partículas de hielo hace que sea levemente más fría para cirros semitransparentes que la banda de ventana IR de 10.7 µm del GOES anterior.
• Ventana IR de onda larga «sucia»
  • Está disponible tanto de día como de noche.
  • Las temperaturas de brillo están dominadas por los topes de las nubes y la temperatura de superficie.
  • Es la banda más sensible a la humedad en niveles bajos, en comparación con otras bandas de ventana IR de onda larga.
  • Es la banda de ventana IR de onda larga más fría, debido a la sensibilidad a la humedad.
  • Detecta los cirros delgados, las cenizas volcánicas y el polvo atmosférico cuando se combina con otras bandas de ventana infrarroja.
• CO₂
  • Está disponible tanto de día como de noche.
  • Es sensible al dióxido de carbono troposférico y levemente sensible al vapor de agua.
  • Las nubes y la superficie siguen siendo visibles, pero pierden definición en los niveles bajos, donde la absorción del dióxido de carbono es más dominante.
  • Es particularmente útil para resaltar las nubes más altas y más frías, que suelen ser de fase sólida.
  • Se utiliza principalmente en productos derivados y menos en la interpretación de imágenes.
  • Es un dato de entrada importante para estimar la altura de los topes de las nubes, así como su temperatura y cantidad.
  • Es un dato de entrada especialmente importante para la serie histórica de perfiles de temperatura.

Recursos

Recursos en internet

• Sitio oficial del programa GOES-R: http://www.goes-r.gov/
• Materiales de formación sobre el GOES-R en general: http://www.goes-r.gov/users/training.html
• Lección de COMET: GOES-R: beneficios de la observación ambiental de próxima generación http://www.meted.ucar.edu/training_module.php?id=980
• Materiales de divulgación del programa GOES-R: http://www.goes-r.gov/education/outreach.html
  (El sitio se actualiza con regularidad y contiene enlaces a recursos que ilustran la misión GOES-R y sus productos y servicios, como hojas informativas, marcalibros, pósteres, folletos y calendarios.)
• Página del terreno de pruebas del GOES-R: http://www.goes-r.gov/users/proving-ground.html
• Página de documentación del GOES-R: http://www.goes-r.gov/resources/docs.html
• Publicaciones científicas sobre el GOES-R: http://www.goes-r.gov/resources/Scipubs/index.html
• Conferencias y reuniones sobre GOES y POES: http://www.goes-r.gov/users/conf-mtgs.html
• Bitácora de UW CIMSS sobre satélites y el GOES-R: http://cimss.ssec.wisc.edu/goes/blog/archives/category/goes-r
• VISIT: SHyMet para pronosticadores: Sesión de formación básica sobre el GOES-R: http://rammb.cira.colostate.edu/training/shymet/forecaster_goesr101.asp

Sobre el generador avanzado de imágenes de base (Advanced Baseline Imager, ABI)

• Página del instrumento ABI del GOES-R: http://www.goes-r.gov/spacesegment/abi.html
• Lección de COMET: El ABI del GOES-R: la próxima generación de imágenes satelitales http://www.meted.ucar.edu/training_module.php?id=1141
• Hoja de datos del ABI: http://www.goes-r.gov/education/docs/Factsheet_ABI.pdf
• Guías de información rápida sobre las bandas del ABI: https://www.goes-r.gov/mission/ABI-bands-quick-info.html

 

Referencias bibliográficas

GOES-R

• Schmit, T., P. Griffith, M. Gunshor, J. Daniels, S. Goodman y W. Lebair, 2016: A closer look at the ABI on the GOES-R series. Bull. Amer. Meteor. Soc., doi:10.1175/BAMS-D-15-00230.1, en prensa.
• Publicaciones científicas y otra documentación sobre los satélites GOES-R y GOES (disponible en el sitio web del programa GOES-R):
  Publicaciones: http://www.goes-r.gov/resources/Scipubs/index.html,
  Documentación: http://www.goes-r.gov/resources/docs.html

Colaboradores

Patrocinadores de COMET

MetEd y The COMET® Program forman parte de los Programas de la Comunidad de UCAR (University Corporation for Atmospheric Research Community Programs, UCP) y están patrocinados por el National Weather Service (NWS) de la NOAA, con fondos adicionales de las siguientes organizaciones:

• Bureau of Meteorology of Australia (BoM)
• Bureau of Reclamation, United States Department of the Interior
• European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT)
• Meteorological Service of Canada (MSC)
• NOAA's National Environmental Satellite, Data and Information Service (NESDIS)
• NOAA's National Geodetic Survey (NGS)
• Naval Meteorology and Oceanography Command (NMOC)
• U.S. Army Corps of Engineers (USACE)

Para aprender más sobre nuestra organización, visite la página web de COMET.

Colaboradores del proyecto

Gerentes del proyecto

• Wendy Abshire — UCAR/COMET
• Bruce Muller — UCAR/COMET

Meteorólogo del proyecto

• Patrick Dills — UCAR/COMET

Diseño instruccional

• Bruce Muller — UCAR/COMET

Asesores y colaboradores científicos

• Dr. Jordan Gerth — Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies (CIMSS)/NOAA/University of Wisconsin
• Tim Schmit — NOAA NESDIS STAR/ASPB en CIMSS
• Mat Gunshor — CIMSS

Infografía/Animaciones

• Steve Deyo — UCAR/COMET

Diseño multimedia y de interfaz

• Gary Pacheco — UCAR/COMET

Edición/producción audiovisual

• Steve Deyo — UCAR/COMET

Imágenes del Himawari-8 proporcionadas por

• El archivo abierto SSEC/Unidata Community ADDE de la University of Wisconsin, Madison
• La agencia meteorológica del Japón (JMA)

Traducción al español

• David Russi — UCAR/COMET

Revisión de la versión en español

• Luciano Vidal — SMN Argentina

Personal de COMET, 2016

Oficina del director

• Dr. Rich Jeffries, director
• Dr. Greg Byrd, vicedirector
• Lili Francklyn, especialista de desarrollo comercial

Administración de empresa

• Dra. Elizabeth Mulvihill Page, gerenta de grupo
• Lorrie Alberta, administradora
• Hildy Kane, asistenta administrativa

Servicios de tecnologías de la información

• Tim Alberta, gerente de grupo
• Bob Bubon, administrador de sistemas
• Dolores Kiessling, ingeniera de software
• Joey Rener, estudiante
• Malte Winkler, ingeniero de software

Servicios instruccionales y multimedia

• Bruce Muller, gerente de grupo
• Dr. Alan Bol, científico/diseño instruccional
• Steve Deyo, diseño gráfico y 3D
• Lon Goldstein, diseño instruccional
• Bryan Guarente, diseño instruccional/meteorólogo
• Lindsay Johnson, estudiante
• Dra. Vickie Johnson, diseño instruccional (ocasional)
• Gary Pacheco, diseño y desarrollo web
• Sarah Ross-Lazarov, diseño instruccional (ocasional)
• Tsvetomir Ross-Lazarov, diseño instruccional
• Sylvia Quesada, asistenta de producción
• David Russi, traducción al español
• Andrea Smith, diseño instruccional/meteoróloga
• Marianne Weingroff, diseño instruccional

Grupo científico

• Wendy Schreiber-Abshire, gerenta de grupo
• Dr. William Bua, meteorólogo
• Dr. Frank Bub, oceanógrafo (ocasional)
• Patrick Dills, meteorólogo
• Matthew Kelsch, hidrometeorólogo
• Dra. Elizabeth Mulvihill Page, meteoróloga
• Amy Stevermer, meteoróloga
• Vanessa Vincente, meteoróloga