Innovación tecnológica a bordo de CryoSat-2

Aquel satélite se perdió tras un fallo en el vehículo lanzador, pero las naciones de Europa reconocieron que no podían abandonar el esfuerzo de buscar respuestas. El segundo satélite dedicado a medir las variaciones en el espesor del hielo está a punto de despegar, culminando más de diez años de retos para la ESA. Nuestro futuro estará influenciado por la velocidad a la que se está derritiendo el hielo polar, pero la tecnología embarcada en CryoSat-2 nos permitirá obtener información para encontrar finalmente una respuesta.

Los satélites actuales, tanto los ópticos como los basados en radares de microondas, proporcionan información sobre la extensión del hielo de la crioesfera, donde los efectos del cambio climático resultan más evidentes. Sin embargo, sus resultados carecen de una crucial dimensión adicional: muestran dónde se encuentra el hielo, pero no disponen de medios para estimar su masa con precisión, o para determinar cómo varía su masa con el tiempo. El satélite ICESat de la NASA utilizó un sistema activo de medición por láser para estimar el espesor de las capas de hielo, pero su efectividad estaba limitada por las condiciones meteorológicas en la superficie de la Tierra y por los problemas con el láser – hoy en día, todos sus láseres se encuentran inoperativos.

El instrumento principal de CryoSat-2 es un altímetro radar, basado en el mismo principio de medición pero utilizando pulsos de radar – capaces de atravesar las nubes – en lugar de la luz láser. El instrumento SIRAL envía miles de pulsos radar hacia la superficie de la Tierra cada segundo, y mide con precisión el tiempo que tarda en recibir los ecos. Dado que la posición del satélite en el espacio es conocida con una gran precisión, estos datos se pueden utilizar para trazar un mapa de la superficie del hielo a escala global con una precisión de unos pocos centímetros.

Los primeros altímetros radar fueron desarrollados para la monitorización de los océanos, para detectar las corrientes oceánicas y la altura de las olas. Años más tarde, los satélites de la ESA Envisat y ERS llevaron instrumentos similares al espacio para cartografiar la tierra, los océanos y las regiones polares.

Medir el espesor del hielo oceánico

Sin embargo, desde el punto de vista del cambio climático, lo que interesa es estudiar la región próxima a los bordes de las grandes masas de hielo, donde enormes glaciares se precipitan hacia el mar. Estas zonas continúan siendo terra incognita para los altímetros radar. Los instrumentos convencionales recogen miles de ecos radar por segundo para mejorar la relación señal/ruido, lo que permite trazar el contorno de las placas de hielo con una precisión de unos 1.6 km – más que suficiente para el estudio del mar abierto, para lo que han sido diseñados, pero demasiado difuso para discernir entre los trozos de hielo que están flotando en los océanos y el agua que los rodea, o para trazar con precisión el contorno de las capas de hielo que cubren la tierra en regiones polares.

El University College de Londres (UCL) desarrolló un método para medir el espesor del francobordo del hielo que se encuentra flotando en los océanos (la porción de hielo que sobresale sobre la superficie del agua) y su extensión a partir de datos de altimetría obtenidos por ERS, pero su aplicación estaba limitada por la resolución del satélite en los bordes de las placas de hielo. Fue un primer paso muy prometedor, que inspiró a un equipo de científicos e ingenieros a pensar en un instrumento que pudiese sacar más provecho de esta técnica y que además fuese capaz de medir la elevación de las capas de hielo que cubren regiones como Groenlandia y la Antártida.

Así es como nació el Altímetro de Interferometría Radar basado en un Radar de Apertura Sintética, SIRAL, el instrumento principal de CryoSat-2. Pero antes de empezar a forjar metal o a curar fibra de carbono, fue necesario desarrollar y demostrar los principios físicos en los que se basaría la misión.

“Los algoritmos de procesado de alto nivel que utiliza la misión fueron desarrollados a través de un estudio de la ESA”, explica Robert Cullen, supervisor de la entrada en servicio de SIRAL-2 y de CryoSat-2 para la ESA. “El Investigador Principal Duncan Wingham dirigió este proyecto antes de enviar la propuesta de la misión en 1998. El estudio de la ESA también incluía el desarrollo del concepto en el que se basaría el instrumento, realizado por un equipo de Thales Alenia Space.”

“Cuando la misión recibió luz verde para ponerse en marcha, el equipo del Profesor Wingham en el UCL ya tenía la base para desarrollar un simulador de las prestaciones de la misión, que incluía un modelo software del radar. Rápidamente presentaron métodos detallados para procesar los datos científicos en tierra, métodos que fueron desarrollados específicamente para la misión CryoSat. Cuando la industria comenzó a desarrollar los sistemas para las operaciones en tierra en 2002, la UCL ya había generado una base para los métodos de procesado más críticos, escenarios de prueba y datos para comprobar el sistema de las operaciones de procesado en tierra.”

La misión utiliza dos técnicas diferentes para mejorar la visión del altímetro de CryoSat-2 sobre los bordes de las capas de hielo que cubren la tierra y del hielo que flota en los océanos. Una mejora la precisión del altímetro en la dirección longitudinal de su desplazamiento (along-track) mientras que la segunda mejora la de las medidas realizadas en dirección transversal (across-track).

La primera técnica se conoce como Radar de Apertura Sintética (SAR), un método utilizado habitualmente para mejorar la resolución de las imágenes obtenidas por radares embarcados en satélites. En el modo SAR de SIRAL, los ecos radar recibidos se clasifican en distintas franjas a lo largo de la trayectoria del satélite, en función de pequeñas variaciones en su frecuencia causadas por el efecto Doppler inducido por el desplazamiento del CryoSat a más de 7 km/s respecto a la superficie de la Tierra.

De esta forma, la huella longitudinal del altímetro es dividida en más de 60 haces separados con una resolución de unos 250 m cada uno, lo suficiente para poder distinguir muchos trozos de hielo del agua que los rodea y a veces incluso las grietas que se forman entre ellos. Para que este método funcione correctamente, el número de pulsos enviados por segundo tiene que ser unas diez veces mayor que en los altímetros tradicionales, lo que permite un muestreo de la superficie de la Tierra mucho más detallado que los obtenidos con los altímetros de Envisat o de ERS.

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