SuomiNet es una red internacional de receptores GPS, configurados y administrados para generar, casi en tiempo real, estimados de vapor de agua precipitable en la atmósfera, contenido de electrones en la Ionósfera, y otro tipo de información meteorológica y geodética.
En SuomiNet participa una red de Sistemas de Posicionamiento Global (GPS) en tiempo real para fines educativos y de investigación atmosférica. Dicha red utiliza la habilidad de los GPS terrestres para realizar diariamente miles de mediciones precisas de la baja y alta atmósfera en las distintas regiones disponibles.
El Consorcio de Universidades para la Investigación Atmosférica (UCAR) basado en el Estado de Colorado en Estados Unidos, recibió un apoyo para la adquisición de equipo GPS para realizar estudios de Cambio Global y Tectónica de la parte Occidental de Norteamérica. Con la participación financiera de 28 universidades y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), se adquirieron 170 receptores GPS de frecuencia dual.
La Universidad de Sonora solicitó en 1999, participar como uno de los 75 nodos de la red SuomiNet en Hermosillo. El nodo de SuomiNet (SA27) inició el registro de datos en la Universidad de Sonora el 26 de Junio de 2003.
También en colaboración con el Departamento de Ciencias Atmosféricas de la Universidad de Arizona, opera 5 nodos de Suominet, y en particular el nodo (SA33) en la Unidad Experimental del DICTUS en Puerto Peñasco. Dicho sitio inició operaciones el día 17 de Junio de 2003.
Configuración del Nodo (SA27) de la Red Suominet en la Universidad de Sonora:
Configuración del sitio.
Equipo y accesorios:
Protector contra rayos
(opcional)
Protector anti-picos de voltaje
Computadora
con Linux con acceso al Internet
Fuente de poder
(...)
Fuente ininterrumpible de poder
Conector de energía eléctrica
Cables:
Cable a la antena GPS
Cable a la antena GPS
Cable a la estación meteorológica
Cable serial
Cable serial
Cable de energía
Figura: A partir de los datos de amplitud y fase de la señal de los GPS, se puede encontrar información de la estructura y dinámica de la parte alta y baja de la atmósfera.
La atmósfera se encuentra inundada de señales de 1.6 y 1.2 GHz (L1 y L2), transmitidas por los 24 satélites GPS. Las señales de una docena de estos satélites pueden ser observadas simultáneamente con precisión milimétrica en todas las condiciones del estado de tiempo, utilizando GPS comerciales. Al observar desde el nivel de mar, la atmósfera baja y alta inducen retardos en las señales de los GPS que son equivalentes a algunos metros o más de desplazamiento. El propósito de SuomiNet es el de estudiar estos retardos no como errores, sino como información atmosférica.
Figura: Elevación de satélites GPS y trayectorias azimut observadas durante un día cerca de Boulder Colorado (curvas azul claro) y en un instante de tiempo (círculos azules). El receptor está ubicado en el centro de la gráfica. El agua precipitable a lo largo de la trayectoria cruzada SW ("slant water", integrated water along a slant path) puede ser estimada simultáneamente a lo largo de las trayectorias a cada satélite en línea de vista.
En la parte alta de la atmósfera se puede medir el Contenido Total de Electrones (TEC) a lo largo de cada trayectoria individual del GPS al combinar las fases L1 y L2. En la parte baja de la atmósfera, el aire seco, vapor de agua, e hidrometeoros inducen retardos en las señales de los GPS. Como resultado, se puede inferir la cantidad de vapor de agua (integrada a lo largo de la trayectoria de la señal del GPS) si se conoce la presión atmosférica en la superficie.
La red SuomiNet proporcionará en tiempo real a las Universidades, datos GPS y meteorológicos crudos, los retardos troposféricos y ionosféricos, vapor de agua en 2D, y datos de TEC en 2D. Los investigadores, a través de sus programas de investigación independientes, podrán asimilar estos datos a sus modelos para proporcionar densidades de vapor de agua y de electrones en 3D, y para mejorar la modelación espacial del estado del tiempo y del ciclo hidrológico.
SuomiNet utiliza software y los protocolos establecidos por el sistema de Distribución de Datos vía Internet (IDD) para coordinar los sensores de red y distribuir los datos en tiempo real. SuomiNet promueve el concepto de un instrumento geofísico distribuido en las universidades para proporcionar datos atmosféricos críticos para la investigación y la educación.
Los datos colectados por SuomiNet son relevantes para el Programa de Investigación Meteorológica de Estados Unidos (USWRP), el Experimento Internacional de Energía Global y Ciclo del Agua (GEWEX), y el Programa Nacional del Estado del Tiempo Espacial (NSWP).
Los retardos inducidos en las fases de las señales de los GPS por la ionosfera y la atmósfera neutra pueden ser medidos simultáneamente a lo largo de las trayectorias de vista de un conjunto de sitios en el campo de visión de los satélites. Los retardos son convertidos posteriormente en una integración del vapor de agua (si se tiene los datos de presión en la superficie terrestre) y en el contenido total de electrones (TEC) a lo largo de la trayectoria de vista de cada GPS.
Los datos de humedad en tiempo real resultantes de los GPS, continuos, precisos, y en todas las condiciones del estado de tiempo ayudan a la investigación en las universidades sobre modelación de mesoescala y asimilación de datos, estados de tiempo severos, precipitación, dinámica de las nubes, comprensión del clima regional y la hidrología. Estos temas son centrales en el USWRP y GEWEX.
Figura: Distribución de Vapor de Agua Precipitable (PWV) y sitios GPS
utilizados en la estimación.
Figura: Distribución de Contenido Total de Electrones en TECU
Además, los datos TEC y de centelleo ionosférico obtenidos de la fase y amplitud de la señal de los GPS permiten a las universidades estudiar temas como:
Se espera que SuomiNet tenga fuertes impactos en:
Asimilación de datos y modelación de mesoescala
Asimilación de datos y modelación de la ionosfera
Modelación y pronóstico del estado de tiempo severo terrestre y espacial
Estudios de Hidrología Regional y del Clima
Las aplicaciones potenciales de la red SuomiNet son:
Detección y pronóstico de actividad de centelleo ionosférico de baja latitud y efectos de tormentas geomagnéticas en latitudes medias ionosféricas
Meteorología Costera. Se planea desarrollar métodos para estimación de agua precipitable de una red de GPS instalada en boyas.
Proveer de referenciación para radiometría por satélite
Corrección de datos de radares de apertura sintética para deformaciones de la corteza terrestre asociadas con la tectónica y volcanismo del anillo del Pacífico y estudios de topografía
Detección de centelleo asociado con la turbulencia atmosférica en la troposfera baja
Detección de efectos de ionosféricos inducidos por una variedad de eventos geofísicos
Desde el punto de vista educativo, SuomiNet pone en manos de un gran número de departamentos universitarios, investigadores, y estudiantes, el estado del arte en equipo GPS, datos, y métodos de procesamiento. El impacto de este nuevo tipo de datos y métodos de observación en las ciencias atmosféricas es comparable con el impacto que tuvieron los datos de los GPS en las ciencias de la Tierra.
El vapor de agua en los procesos atmosféricos
El Agua en sus tres fases tiene una influencia profunda en la evolución del estado del tiempo y en el clima. El vapor de agua, medio a través del cual se transporta humedad y calor latente, juega un papel fundamental en los procesos atmosféricos que actúan sobre una variedad de escalas de espacio y tiempo. El entender el vapor de agua y su papel en el estado del tiempo y clima, es uno de los objetivos principales de este, de los proyectos como USWRP, GEWEX y otros programas similares.
Es reconocido que, los campos de humedad no están bien definidos en los análisis y pronósticos globales, regionales y locales. La falta de definición se debe a las pocas observaciones del vapor de agua combinado con la alta variabilidad espacial y temporal de los campos de humedad. Los sistemas de observación del vapor de agua tradicionales incluyen las radiosondas, sensores de humedad de superficie, radiómetros de superficie y de satélite, y aviones. El sistema de GPS basados en la superficie, complementa a estos sistemas tradicionales. que proporciona datos de humedad autónomos, frecuentes, económicos y precisos, que no son afectados por las condiciones meteorológicas o la hora del día.
Figura: Gráficas de retardos atmosféricos cruzados en el azimut y ángulo observado del satelite GPS durante cuatro horas de observación de un receptor GP ubicado en el centro de la gráfica. Las perturbaciones verdes (positivas) y amarillas (negativas) se grafican perpendicularmente a las trayectorias del satélite (rojo). Se observan mayores variaciones de retardos cruzados durante condiciones de un tifón y se asocian con los cambios en el vapor de agua.
Se requieren datos de humedad más precisos y frecuentes para mejorar la investigación en modelación de mesosescala y para mejorar la calidad de los pronósticos a corto plazo de nubes y precipitación. Las Universidades que se encuentran a la vanguardia en este campo corren modelos de mesoescala en tiempo real para producir pronósticos numéricos del estado del tiempo.
El vapor de agua en un gas tipo invernadero y juega un papel importante en el sistema climático global. Su papel no se limita a absorber y radiar energía del Sol, sino también incluye el papel del vapor de agua en la formación de las nubes y aerosoles, y en la química de la parte baja de la atmósfera.
SuomiNet proporcionará datos precisos de vapor de agua en tiempo real a escala regional y continental contribuyendo a los programas de estudio USWRP y GEWEX.
Suominet, A Real Time National GPS Network for Atmospheric Research and Education. Descripción del proyecto.
Suominet, A Real Time National GPS Network for Atmospheric Research and Eduaction, Bulletin of the American Meteorological Society, R.H. Ware et al., pp. 677-694, 2000.
Diagnosis of Three-Dimensional Water Vapor Using a GPS Network, A.E. MacDonald, et al., Monthly Weather Review, Vol. 130, pp 386-397, February 2002.
Recent Ground Based GPS Meteorology Developments for Suominet. C. Rocken et al., Jan 2002.
NOAA Forecast Systems Laboratory, Ground-Based GPS Meteorology
Global Positioning System Overview, Peter H. Dana, Department of Geography, University of Texas at Austin, 1994.
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