Un equipo de investigación de la Universidad de Jaén ha demostrado que antenas GNSS de bajo coste que reciben señales de satélites de navegación pueden utilizarse como sensores atmosféricos. Esto ayudaría a mejorar la predicción de lluvias intensas, analizar periodos de sequía o estudiar cómo cambia la humedad del aire con el paso del tiempo.
La propuesta, probada a escala piloto, confirma que estos dispositivos, que habitualmente reciben señales de satélites (como GPS o Galileo) y normalmente sirven para calcular con gran precisión una posición en la Tierra, también miden el vapor de agua atmosférico con una precisión muy similar a la de las estaciones GNSS geodésicas, es decir, las instalaciones científicas que se utilizan habitualmente para este tipo de mediciones y que requieren equipos mucho más caros.
Las antenas GNSS son dispositivos que reciben las señales que envían los satélites de navegación -como GPS o Galileo- para calcular posiciones en la Tierra. Suelen ser pequeñas antenas circulares que captan al mismo tiempo las señales que envían varios satélites. «Hemos comprobado que el procesamiento de las señales registradas por estas antenas también permite calcular la cantidad de vapor de agua presente en el aire. Este parámetro está relacionado con la formación de las precipitaciones, ya que el vapor de agua actúa como el ‘combustible’ de las nubes y las tormentas», explica a la Fundación Descubre, organismo dependiente de la Consejería de Universidad, Investigación e Innovación, la investigadora de la Universidad de Jaén María Selmira Garrido Carretero.
Actualmente, las redes de estaciones GNSS se utilizan principalmente para determinar posiciones con gran precisión y se aplican en ámbitos como la topografía, la cartografía, la ingeniería o la navegación. Estas estaciones suelen estar separadas por decenas de kilómetros, una distancia suficiente para el posicionamiento, pero que limita su utilidad para estudiar fenómenos meteorológicos muy localizados.
Aprovechar las señales de los satélites
En el artículo ‘GNSS-CORS as water vapor sensors for local atmospheric monitoring: Comparing high-end geodetic-grade and low-cost stations in S Spain’, publicado en Remote Sensing Applications: Society and Environment, el equipo investigador explica que el uso de antenas más económicas permitiría instalar más y en distintos lugares y crear redes más densas que funcionen como ‘pequeñas estaciones meteorológicas’, que detectan con mayor detalle variaciones de humedad en la atmósfera. «Podríamos monitorizar eventos de lluvias extremas o periodos de sequía a escala local con mayor detalle«, señala la investigadora.
Para obtener información sobre el vapor de agua, las investigadoras aprovecharon una característica de las señales que envían los satélites de navegación: antes de llegar a la antena, deben atravesar la atmósfera y, en ese recorrido, se ralentizan ligeramente. Parte de ese retraso se produce al pasar por la troposfera, la capa más baja de la atmósfera donde se concentra el vapor de agua.
Al medir ese retraso con precisión y aplicando modelos matemáticos, los científicos pueden estimar la cantidad de vapor de agua presente en el aire. «Aunque la función principal de estas antenas es calcular posiciones, las señales que registran contienen mucha más información. Analizando cómo se ralentizan al atravesar la atmósfera podemos obtener datos sobre la humedad atmosférica», indica la investigadora de la Universidad CEU San Pablo de Madrid María Clara de Lacy Pérez de los Cobos.
Vapor de agua
Para comprobar si los dispositivos de bajo coste podían ofrecer resultados fiables, el equipo comparó 18 meses de datos de dos estaciones GNSS instaladas prácticamente en el mismo punto del campus de la Universidad de Jaén. Una de ellas era una estación geodésica de alta precisión integrada en la Red Andaluza de Posicionamiento,es decir, una estación GNSS de referencia para trabajos de cartografía, topografía o ingeniería, y que forma parte de una red permanente que registra datos de forma continua. La otra correspondía a una antena mucho más económica instalada por las investigadoras para este estudio a cinco metros de distancia de la estación geodésica de referencia para garantizar que registraran las mismas condiciones atmosféricas.
Investigadoras participantes en el estudio.
Durante ese periodo, las expertas procesaron las señales recibidas por ambas antenas para calcular el retraso troposférico, un parámetro que permite estimar el vapor de agua atmosférico. Después, compararon los resultados obtenidos por los dos sistemas. «Los resultados mostraron una coincidencia casi total entre ambos dispositivos. Esto demuestra que los equipos de bajo coste pueden funcionar como sensores atmosféricos fiables», aclara María Clara de Lacy Pérez de los Cobos.
A partir de estos resultados, las investigadoras plantean ampliar este tipo de dispositivos para crear una red más densa de monitorización atmosférica en la provincia de Jaén que complemente las infraestructuras de posicionamiento ya existentes en la provincia.
Con ese objetivo han comenzado a desplegar una red experimental denominada JAENet, formada por cinco estaciones GNSS de bajo coste distribuidas en distintos puntos de la provincia de Jaén. Todas utilizan el mismo tipo de antena y equipamiento para garantizar que los datos obtenidos sean comparables.
Próximos pasos
El siguiente paso del grupo de investigadoras consistirá en seguir analizando los datos de la red JAENet para estudiar cómo varía el vapor de agua a lo largo del año y comprobar cómo influyen factores como la altitud o la distribución de estaciones GNSS sobre el territorio basándose en los resultados obtenidos en el estudio. Esta información resultará útil para mejorar la predicción de lluvias y estudiar fenómenos climáticos como sequías o tormentas intensas. Además, planean mejorar la calibración de los dispositivos y estudiar la posibilidad de ampliar este tipo de redes a otras regiones andaluzas.
El estudio ha sido financiado por la Consejería de Universidad, Investigación e Innovación de la Junta de Andalucía dentro del Plan Andaluz de Investigación, Desarrollo e Innovación (PAIDI2020), con apoyo de fondos europeos FEDER.