Los datos de radio ocultación muestran que, en las dos primeras décadas del siglo XXI, la troposfera se calentó significativamente, hasta 0,5 K por década, mientras que la estratosfera se enfrió aproximadamente en la misma cantidad.

Durante el último siglo, la cantidad de gases de efecto invernadero se ha acumulado en la atmósfera terrestre a un ritmo que se acelera gradualmente. Se espera que el calentamiento causado por los gases de efecto invernadero impacte en la estructura de la atmósfera terrestre (Meng et al., 2021). Esto es precisamente lo que observamos. Durante las últimas décadas, la capa atmosférica más cercana a la superficie de la Tierra, la troposfera, se ha calentado, mientras que la capa superior, la estratosfera, se ha enfriado, y en relación con estos cambios, la altura de la tropopausa ha aumentado globalmente (IPCC , 2021).

Cuantificar la tasa de calentamiento y enfriamiento en las diferentes capas de la atmósfera libre es una tarea difícil, como lo demuestra la baja confianza que el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) asignó, en su quinto informe de evaluación, a los cambios de temperatura en la atmósfera libre (IPCC, 2013). Sin embargo, en su sexto informe de evaluación, el IPCC vio una mayor confianza asignada a estos cambios de temperatura, en particular para el período posterior a 2001 (IPCC, 2021). Esto se debe en gran parte a la adición de un nuevo registro de datos basado en satélites, es decir, los datos de radio ocultación (RO) del Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS).

Desde alrededor de la década de 1850, las temperaturas en las capas más bajas de la troposfera se miden con termómetros terrestres. Sin embargo, estas series temporales son bastante inciertas en las primeras décadas y solo proporcionan medidas en superficie. Además de las escasas medidas llevadas a cabo por globos desde la década de 1940, obtener una vista detallada de las temperaturas de la atmósfera superior tuvo que esperar hasta el comienzo de la era de los satélites.

Desde finales de la década de 1970, los instrumentos a bordo de satélites, orbitando la Tierra, han proporcionado observaciones periódicas de las temperaturas de la atmósfera superior. Actualmente, existen varias técnicas basadas en satélites para medir estas temperaturas. La mayoría de las técnicas se basan en mediciones de radiación de la atmósfera terrestre en longitudes de onda infrarrojas o de microondas, como las derivadas de las medidas de los instrumentos IASI y AMSU-A a bordo de los satélites Metop.

A principios de este milenio, se introdujo una técnica relativamente nueva, llamada GNSS Radio Occultation (GNSS-RO). Esta técnica calcula perfiles de temperatura atmosférica a partir de la desviación de las señales GNSS provocada por la refracción atmosférica. La estabilidad única a largo plazo de estos perfiles los hace excelentes para estudiar los cambios en las temperaturas troposféricas y estratosféricas durante un largo período de tiempo. Por lo tanto, ayudan a aumentar nuestra confianza en la respuesta de la atmósfera al aumento de las concentraciones de gases de efecto invernadero.

Observando la atmósfera con RO

El principio de la técnica GNSS-RO se basa en medir los cambios de fase y amplitud de las ondas de radio a medida que se propagan a través de la atmósfera desde un satélite GNSS (que vuela a una altitud de unos 20.000 km) hasta un receptor a bordo de un satélite en órbita polar (Low Earth Orbit, LEO) (a altitudes entre 300 y 1.300 km). Desde la perspectiva del receptor, se ve que un satélite GNSS se oculta o se eleva en el limbo de la Tierra. Recibir una señal de radio GNSS durante un lapso de tiempo de aproximadamente dos minutos es suficiente para realizar un escaneo atmosférico desde cerca de la superficie hasta muy por encima de la atmósfera neutra (~100 km). Durante una exploración de este tipo, la cantidad de refracción, o curvatura, del rayo se puede calcular a partir de los cambios de fase y se puede determinar el índice de refracción del aire en función de la altura. En el aire superior, donde la humedad es baja, el índice de refracción es proporcional a la densidad del aire. Por lo tanto, a partir de un solo evento de ocultación, se puede recuperar un perfil casi vertical de temperatura, presión y densidad desde la troposfera media hasta la estratosfera superior.

Como se ha señalado, diferentes técnicas basadas en satélites pueden proporcionar perfiles de temperatura atmosférica y vapor de agua. Estas diferentes técnicas proporcionan en gran medida información complementaria sobre nuestra atmósfera. La técnica RO mide la troposfera y la estratosfera con una alta resolución vertical y una cobertura global.

A diferencia de las mediciones infrarrojas, las mediciones de RO no se ven afectadas por nubes o diferencias tierra-mar. Además, las mediciones de RO tienen una estabilidad a largo plazo – la ventaja de medir diferencias de tiempo en lugar de radiancias – y, por lo tanto, no requieren una intercalibración entre satélites o instrumentos. Esta última es una característica importante para los estudios del clima donde los problemas de calibración pueden ser un factor limitante. Las debilidades de la técnica de RO incluyen una resolución horizontal limitada de unos pocos cientos de kilómetros, precisión reducida en la troposfera inferior, en particular en los trópicos, y que la distribución casi aleatoria de los perfiles hace que el suministro de datos cuadriculados uniformemente sea algo complicado.

Preparación de datos de RO para estudios climáticos

Hoy tenemos una serie temporal continua de más de 20 años de mediciones de RO, que comienza en 2001. Estas mediciones fueron proporcionadas por misiones operativas y de investigación. En 2006, las cifras de datos aumentaron drásticamente, primero con el lanzamiento de la misión de seis satélites COSMIC Taiwán-Estados Unidos y, más tarde, con el lanzamiento de los satélites Metop de EUMETSAT que llevan el instrumento GRAS RO. Actualmente, estas y otras misiones que operan instrumentos de RO han proporcionado alrededor de 20 millones de perfiles atmosféricos que pueden usarse para construir series temporales para aplicaciones climáticas.

La aplicación satelital de meteorología de radio ocultación (ROM SAF) de EUMETSAT proporciona registros de datos climáticos (CDR) y CDR provisionales (ICDR) de datos RO de los receptores GPS operados a bordo de las misiones CHAMP, GRACE, COSMIC y Metop. En la atmósfera libre, por encima de unos 5-6 km, estos registros de datos tienen una excelente estabilidad en el tiempo que supera la de, por ejemplo, los registros de datos de reanálisis actuales (Gleisner et al., 2020).

Un factor que debe abordarse para cualquier técnica de medición basada en satélites son los problemas de muestreo relacionados con las órbitas de los satélites. Por ejemplo, los satélites Metop se colocan en órbitas sincronizadas con el sol y siempre pasan el ecuador a la misma hora local, mientras que otros satélites (p. ej., CHAMP, GRACE, COSMIC) se desplazan lentamente en la hora local. Como consecuencia de la evolución del sistema de observación, donde las antiguas misiones de los satélites se reemplazan gradualmente por nuevas misiones, la cobertura de la hora local puede cambiar con el tiempo, con consecuencias para las observaciones de, por ejemplo, el ciclo diurno en la atmósfera. Esto se maneja mediante una corrección de los impactos de los errores de muestreo basada en una estimación de esos errores. Dichos datos corregidos por errores de muestreo se proporcionan como parte de los datos medios mensuales cuadriculados de ROM SAF, y son la opción preferida para los estudios de variabilidad y tendencias climáticas (Gleisner et al., 2020).

Variabilidad y tendencias en 20 años de temperaturas atmosféricas

Una descripción precisa de la variabilidad y las tendencias del clima requiere series de tiempo que: i) sean lo suficientemente largas como para minimizar el efecto de las variaciones asociadas con el clima, las estaciones y cualquier otro tipo de variabilidad cuasi periódica (por ejemplo, El Niño-Oscilación Sur (ENSO)), y ii) son lo suficientemente largas para alcanzar la estabilidad a largo plazo requerida de las mediciones. Con 20 años de datos de RO de suficiente precisión y estabilidad, ahora estamos en una posición en la que los datos de RO contribuyen a nuestra comprensión del clima de la atmósfera terrestre (Ringer y Healy, 2008; Gleisner et al., 2022).

La siguiente figura muestra distribuciones verticales de anomalías de temperatura media mensual entre 8 km y 40 km para la región de baja latitud entre 20°S y 20°N durante el período de 2002 a 2022. El título de la gráfica es temperatura seca como indicación de que las temperaturas se recuperan bajo el supuesto de que la humedad es insignificante. Esta es también la razón por la cual los 8 km más bajos están enmascarados. Los datos corregidos por errores de muestreo se seleccionaron de los archivos de datos y utilizamos el período de 10 años de 2007 a 2016 como referencia para los cálculos de anomalías.

La figura revela claramente una estructura en los datos de temperatura. La altura de la tropopausa se ve como un límite relativamente definido alrededor de 18 km. Por debajo de unos 18 km, en la troposfera, las anomalías de temperatura exhiben variaciones asociadas con el ENSO y otros modos de variabilidad. ENSO es el patrón climático natural más influyente en la Tierra, se refiere a un patrón de tres a siete años en el que se repiten fases de calentamiento (El Niño) y enfriamiento (La Niña) de las temperaturas de la superficie del mar en el Océano Pacífico tropical (NOAA, evaluado el 20 de enero de 2023). Por encima de unos 18 km, en la estratosfera, las anomalías de temperatura están dominadas por la llamada Oscilación Cuasi-Bienal (QBO): estas son las oscilaciones regulares en la estratosfera ecuatorial con un período promedio de ~28 meses. Cualquier tendencia a largo plazo en los datos debe detectarse en un contexto de variabilidad en un rango de diferentes escalas de tiempo, razón por la cual la serie de tiempo debe ser lo suficientemente larga.

La siguiente figura muestra las tendencias de temperatura basadas en RO en todas las bandas de latitud para el período 2002-2022. Hemos restringido las tendencias a la región de altitud de 8 a 30 km, donde la precisión de los datos de temperatura basados en RO es óptima. La estructura global de los cambios de temperatura se destaca con gran detalle (Ladstädter et al., 2023). Encontramos un enfriamiento generalizado en la estratosfera inferior y una transición al calentamiento troposférico a través de un gradiente vertical relativamente pronunciado en la región de la tropopausa. El calentamiento exhibe una asimetría norte-sur que también es evidente en otros registros de datos de observación, pero que está ausente en las simulaciones de modelos climáticos de uso común. Sin embargo, también encontramos que con series temporales más largas se reduce la asimetría en el registro observacional.

Papel de los datos de RO en las evaluaciones del IPCC

El sexto informe de evaluación del IPCC vio una mayor confianza en la estructura vertical de los cambios de temperatura, lo que permitió un análisis detallado de las tendencias de la troposfera superior y la estratosfera inferior (IPCC, 2021), siendo esta la primera contribución de datos de RO que se utilizarán en una evaluación del IPCC. La contribución se organizó como un esfuerzo de colaboración entre varios centros de procesamiento líderes, con ROM SAF como colaborador clave. Las tendencias derivadas de los datos de RO, así como las mediciones de infrarrojos y los datos de radiosondas, ayudaron a cuantificar los cambios que tienen lugar en las estructuras verticales de temperaturas en la atmósfera terrestre.

Un conjunto de hallazgos de la contribución de RO se resume en la siguiente figura, que se incluyó en el Capítulo 2 del informe IPCC WG1 AR6 (IPCC, 2021). Nos dice que las tasas de calentamiento observadas son más rápidas en la troposfera superior tropical que en la superficie o cerca de ella. Además, las tendencias encontradas en los datos de RO concuerdan razonablemente bien con las tendencias encontradas en los datos de AIRS y en los datos de radiosonda, aparte de una discrepancia entre los datos de RO y de radiosonda alrededor de 15 km. Steiner et al. (2020) sugiere que esta discrepancia se reduce a casi cero si los datos de la radiosonda se restringen solo a instrumentos de alta calidad.

Otro conjunto de hallazgos se presenta en el Resumen técnico del informe IPCC WG1 AR6. En este resumen, las tendencias observadas por RO están relacionadas con dos modelos de proyecciones climáticas diferentes. Las similitudes entre las observaciones y las proyecciones del modelo climático se señalan en el Capítulo 2 del informe IPCC WG1 AR6 (IPCC, 2021) de la siguiente manera:

En los trópicos, desde al menos 2001 (cuando las nuevas técnicas permiten una cuantificación más robusta), la troposfera superior se ha calentado más rápido que la superficie (nivel de confianza medio). Existe un grado de confianza medio de que la mayoría de los modelos CMIP5 y CMIP6 sobreestiman el calentamiento observado en la troposfera tropical superior.

Las conclusiones de estas evaluaciones muestran claramente el potencial de los registros de datos climáticos de RO para contribuir a una mejor comprensión de los cambios atmosféricos asociados con el calentamiento global.

Observaciones climáticas futuras con datos de RO

Más de 20 años de datos de RO ya han demostrado la relevancia y el valor agregado de estos datos para los estudios climáticos. Sin embargo, 20 años sigue siendo un período limitado. Se necesitan observaciones continuas de los instrumentos de RO para aumentar aún más nuestra confianza en las tendencias observadas. Uno de los primeros hitos a alcanzar es a principios de la década de 2030. Entonces será posible proporcionar productos derivados de ósmosis inversa durante un período de 30 años, muy cercano al período de referencia estándar de la Organización Meteorológica Mundial (OMM) de 2001 a 2030.

Actualmente, la recuperación continua de datos de RO está garantizada a través de varias misiones hasta mediados de la década de 2040. Por ejemplo, a través del sondeador de Radio Ocultación (RO) en Metop Segunda Generación (Metop-SG), con operación planificada hasta 2046, el GNSS-RO en Sentinel-6, con operación planificada hasta 2032, o la Sonda de Radio Ocultación GNSS (GNOS) y GNOS-2 en los satélites chinos Feng-Yun-3, con una operación prevista hasta 2035.

Los primeros instrumentos de RO dependían únicamente de la observación de satélites GPS, lo que limitaba el número de observaciones; estos futuros pueden proporcionar hasta cuatro veces más datos al observar todos los sistemas GNSS disponibles (GPS, Galileo, Beidou, Glonass y QZSS). Además, varios proveedores comerciales de RO ya están proporcionando datos para la predicción del tiempo, lo que también podría contribuir al registro de datos climáticos a largo plazo. Aunque se requiere acceso completo a datos de bajo nivel, así como acceso a documentación de instrumentos relevantes, requisitos que no son necesarios para el uso de predicciones meteorológicas. Además, varias próximas misiones satelitales operativas y de investigación también evalúan si se puede añadir un instrumento RO a la plataforma, ya que la mayoría ya tiene la capacidad central a bordo (posicionamiento basado en GNSS) y solo requeriría agregar antenas de ocultación.

Autores: By Hans Gleisner, Axel Von Engeln, Rob Roebeling

Publicado en EUMETSAT, el 30 de enero de 2023.