Los científicos rusos han comparado la efectividad de varias técnicas de detección remota de la temperatura del agua basadas en espectroscopía láser y han evaluado varios enfoques para la interpretación del perfil espectral. El artículo que detalla el estudio fue publicado en Letras de óptica . Los investigadores examinaron cuatro técnicas de procesamiento de datos basándose en los análisis relevantes de publicaciones anteriores. La técnica que los propios autores desarrollaron previamente fue precisa hasta 0,15 grados centígrados. Los resultados de la investigación respaldarán un mayor desarrollo de las soluciones de teledetección de la temperatura de la superficie del mar. permitir a los científicos realizar un seguimiento de los flujos de energía térmica en áreas de difícil acceso, como la región ártica, donde las temperaturas promedio están aumentando aproximadamente dos veces más rápido que en otras partes del planeta.

En su estudio, los científicos se centraron en la espectroscopia Raman, que se basa en el fenómeno de la dispersión Raman descubierto en la década de 1920. Implica la interacción de un medio con una onda de luz:la luz dispersa es modulada por las vibraciones moleculares del medio, resultando en el desplazamiento de las longitudes de onda de algunos de los fotones; en otras palabras, parte de la luz dispersa cambia de color. Dispersión Raman, y por extensión, el campo de la espectroscopia Raman, fueron nombrados en honor a Sir C. V. Raman, un físico indio que recibió un premio Nobel por el descubrimiento de este efecto. Curiosamente, La literatura científica rusa tiende a referirse al mismo fenómeno como "dispersión combinada, "un término acuñado para enfatizar su descubrimiento independiente por investigadores soviéticos.

"Con el cambio climático tan rápido, la teledetección de la temperatura del agua es una prioridad, pero las técnicas de radiometría actualmente en uso solo son precisas hasta aproximadamente medio grado. La espectroscopia Raman permite realizar mediciones con una precisión mucho mayor, "afirma Mikhail Grishin, uno de los autores del estudio, un doctorado estudiante en MIPT, e investigador del Laboratorio de Espectroscopía Láser del Centro de Investigación de Ondas de GPI.

El experimento llevado a cabo por los científicos consistió en sondear agua con un láser pulsado y utilizar un espectrómetro para analizar la luz que se dispersaba. Dependiendo de la temperatura del agua, su banda espectral de vibraciones de estiramiento OH característica se transformó de manera variable. Los científicos necesitaban averiguar si era posible establecer una relación clara entre la temperatura del agua y uno de los parámetros de la banda espectral.

Los científicos examinaron la dependencia de la temperatura de varios parámetros de la banda espectral, verbigracia., ciertas partes del área debajo del gráfico (ver Fig.1), espectros diferenciales (el resultado de la resta de dos espectros), y la ubicación del pico de la curva que se ajusta al espectro de banda. Aunque resultó posible establecer una relación entre la temperatura del agua y cada una de las métricas antes mencionadas, la precisión de la medición de temperatura estimada de las técnicas respectivas varió. El análisis estadístico de los datos experimentales mostró que la dependencia de la temperatura era más pronunciada cuando se usaba como métrica la longitud de onda que corresponde al pico de la curva que se ajusta al espectro de banda. La oficina de patentes rusa concedió a los científicos una patente para el enfoque correspondiente a la interpretación del perfil espectral.

Las temperaturas del agua de mar en el Ártico se controlan actualmente mediante una variedad de técnicas que incluyen mediciones directas realizadas por boyas meteorológicas y buques mercantes o de investigación. Sin embargo, para rastrear la dinámica de la temperatura del agua de la superficie del mar en tiempo real y en vastas áreas, es necesario realizar observaciones aéreas utilizando equipos de detección instalados en aeronaves o satélites, que irradia el agua con un láser y recoge la luz dispersa. Una resolución espacial de menos de un kilómetro permite a los investigadores crear mapas de temperatura muy detallados que pueden usarse para monitorear la transferencia de calor por las corrientes oceánicas. predecir qué tan rápido se derretirá el hielo del Ártico, y hacer un pronóstico del cambio climático global. A medida que los vehículos aéreos no tripulados (UAV) mejoran, Los equipos de teledetección también deberían mejorarse para ser más precisos, ligero, compacto, y energéticamente eficiente. Los científicos están desarrollando tanto el software como el sistema detector láser.

Vasily Lednev, uno de los autores del estudio, un experto líder en el Departamento de Certificación y Control Analítico de NUST MISiS, nos dijo cómo ve el futuro de esta investigación:"Uno de los principales obstáculos para la teledetección de la superficie del mar es la necesidad de calibrar el equipo y verificar los resultados de las mediciones satelitales frente a las mediciones de contacto de los parámetros del agua de mar (temperatura, concentración de clorofila, etc.). El desarrollo y diseño de sistemas lidar (radar láser) autónomos compactos que se pueden montar en vehículos aéreos no tripulados nos permitirá obtener cartas marinas detalladas con una variedad de parámetros del agua. Estos sistemas lidar también son de interés inmediato para el estudio de objetos peligrosos y difíciles de alcanzar como icebergs o plataformas de hielo ".

Los cambios anuales promedio en la temperatura de los océanos del mundo tienden a ser muy pequeños. Actualmente se está calentando apenas una décima de grado cada 10 años, mientras que las variaciones estacionales de temperatura pueden ascender a varios grados. Esto significa que un error de solo medio grado provocará una caída significativa en la precisión de la imagen general de la dinámica de temperatura obtenida. En el caso de mediciones estacionales, la incertidumbre puede alcanzar el 20 por ciento o más, mientras que las tendencias climáticas a largo plazo pueden permanecer sin identificar debido al error de medición.

Los termómetros de detección remota que se utilizan actualmente funcionan en el rango espectral de microondas. La espectrometría de dispersión Raman tiene una ventaja significativa sobre la radiometría de microondas en que la radiación láser de sondeo cae en la parte visible (azul-verde) del espectro. A diferencia de la radiación de microondas, al que el agua es casi completamente opaca, la luz visible puede penetrar una capa de agua de entre 1 y 10 metros de espesor. Con detección de microondas, los datos solo están disponibles para la capa superficial de 30 micrones de espesor cuya temperatura se ve significativamente afectada por los vientos fríos del Ártico. Esto da lugar a un error, que se evita casi por completo en las mediciones basadas en la dispersión Raman. Para corregir errores de este tipo, Los radiómetros de microondas basados ​​en satélites deben calibrarse con respecto a las mediciones realizadas en tierra. Por el contrario, La espectrometría Raman no enfrenta este obstáculo y puede producir datos útiles independientemente de las observaciones de contacto.