El 13 de julio de 2021, poco antes de las 2 de la mañana, una tormenta excepcionalmente fuerte azotó Zúrich, con fuertes ráfagas, relámpagos constantes y lluvias torrenciales que despertaron a la gente sobresaltada.
por Corinne Landolt, ETH Zurich
Benedikt Soja, profesor de Geodesia Espacial, durmió poco esa noche. «Fue una de las tormentas más fuertes que he presenciado jamás. Me desperté en medio de la noche y pude ver la tormenta a través de la ventana», recuerda.
La magnitud de la tormenta fue evidente a la mañana siguiente: árboles caídos en calles y parques, tejados dañados y líneas de tranvía derribadas en varias partes de Zurich. El terreno en los alrededores del campus de Hönggerberg también estaba cubierto de ramas e incluso de árboles enteros. «La tormenta debió pasar justo por encima de ETH», afirma Soja.
Cortes de datos GPS
Una estación GPS situada en el tejado del Instituto de Geodesia y Fotogrametría del campus de Hönggerberg registra las señales de distintos sistemas de satélite las 24 horas del día. Al examinar con más detalle los datos de la noche de la tormenta, Soja y sus colegas del Instituto no podían creer lo que veían.
«Hubo interrupciones en el procesamiento de datos GPS. Al principio no podíamos entender qué las había causado», dice Matthias Aichinger-Rosenberger, ex postdoctorado en el grupo de Soja y ahora profesor en ETH Zurich. Cuando otras estaciones también informaron de interrupciones en la medición de datos del GPS y otros sistemas de navegación por satélite esa noche, los investigadores comenzaron a analizar los datos brutos de la antena en el campus de Hönggerberg.
En un estudio publicado en la revista Geophysical Research Letters pudieron demostrar que los fenómenos meteorológicos extremos influyen en la calidad de las señales GPS y que, por tanto, estas señales también son adecuadas para detectar tormentas. Algún día incluso podrían utilizarse para la detección temprana y la predicción de tormentas.
La relación señal-ruido cayó
Los científicos sacaron sus conclusiones del análisis de los datos de la tormenta del 13 de julio y de otra tormenta en el verano de 2021. Se hizo evidente que los fenómenos meteorológicos extremos tuvieron un impacto en la relación señal-ruido, lo que indica cómo fuertes son las señales de los satélites que nos llegan a la Tierra. Cuanto mayor sea la relación, mejor será la calidad de la señal.
«La intensidad de la señal que medimos con nuestra antena en el tejado normalmente sólo cambia mínimamente», afirma Aichinger-Rosenberger. Sin embargo, no fue así en los dos días de tormenta: «La relación señal-ruido en los datos del GPS disminuyó considerablemente en el momento de la tormenta. Vimos que una vez que la tormenta pasó, volvió a su estado normal». rango.»
Para determinar el momento exacto de la llegada de la tormenta y comprobar si coincidía con el momento en que disminuyó la relación señal/ruido, los investigadores compararon sus datos con los datos del radar de la Universidad de Berna.
«Esto confirmó nuestra sospecha de que existía una conexión directa», afirmó Aichinger-Rosenberger.
¿Fue lluvia intensa o granizo?
Los investigadores están seguros de que las fuertes precipitaciones son responsables de la caída repentina de la relación señal/ruido. Lo que no está claro es qué tipo de precipitación (lluvia o granizo) tiene un mayor impacto y por qué. Esto es algo que los científicos desean aprender en el futuro.
Por simple que parezca el resultado del estudio, es un gran avance para la investigación de la geodesia espacial.
«Nunca se ha demostrado hasta ahora que las tormentas fuertes y otros fenómenos meteorológicos con fuertes precipitaciones influyan significativamente en la relación señal/ruido», afirma Aichinger-Rosenberger. Hasta ahora se suponía que el GPS era un sistema independiente de las condiciones meteorológicas. Ahora parece que los datos del GPS son lo suficientemente sensibles como para capturar tales perturbaciones atmosféricas.
Pronosticar las precipitaciones de forma más fiable
Estos hallazgos podrían abrir nuevas perspectivas para el uso de datos de navegación por satélite en meteorología.
«Ahora queremos recopilar más mediciones para mejorar la predicción de las precipitaciones en los modelos meteorológicos», afirma Soja. La previsión fiable de las precipitaciones sigue siendo un gran desafío. «Muchos otros parámetros meteorológicos, como por ejemplo la temperatura, ahora se pueden predeterminar bastante bien con modelos meteorológicos numéricos. Lamentablemente, estos modelos a menudo no son lo suficientemente buenos en el caso de las precipitaciones».
Para poder utilizar algún día los resultados de los investigadores de ETH para realizar predicciones, es necesario relacionarlos con un modelo meteorológico.
«Para transferir nuestras observaciones a parámetros específicos como el contenido de agua y hielo en el aire o la dirección del movimiento de la tormenta, necesitamos recopilar y analizar más datos. Estos hallazgos podrían luego incorporarse a un modelo meteorológico informático en para mejorar la previsión de las precipitaciones», afirma Aichinger-Rosenberger.
Se necesitan más receptores para la detección temprana
Las tormentas aún deben pasar directamente sobre la estación de medición para que las señales GPS puedan ser detectadas. Debido a que la red de estaciones de medición no es lo suficientemente densa, el método aún no es adecuado para la detección temprana de tormentas.
«Si, por ejemplo, tuviéramos entre treinta y cuarenta receptores fijos alrededor de Zúrich, podríamos capturar con precisión y de forma muy económica fenómenos meteorológicos extremos en toda la ciudad», explica Soja. «También se podría utilizar una densa red de estaciones para determinar hacia dónde se mueven las tormentas y a qué velocidad».
Un sistema de detección temprana de este tipo podría utilizarse en el futuro, por ejemplo, para garantizar un tráfico aéreo seguro, afirma Soja: «Una densa red de estaciones GPS alrededor del aeropuerto permitiría localizar una tormenta en tiempo real y emitir avisos efecto.»
Además de perfeccionar el método, los científicos también planean ampliar su trabajo de investigación en Suiza y a nivel europeo para ampliar su red en consecuencia. Aunque la fuerte tormenta de julio de 2021 causó muchos daños locales, también permitió adquirir conocimientos que algún día podrían aplicarse a nivel mundial.
Geodesia espacial
La geodesia espacial es un campo de la geodesia que aborda la medición y mapeo de grandes áreas, particularmente de la Tierra, utilizando tecnología espacial . El principal objetivo de la geodesia espacial es obtener información precisa sobre la forma, el tamaño y el movimiento de la Tierra.
El GPS es un componente decisivo de la geodesia espacial. Los satélites GPS se pueden utilizar para determinar las posiciones de los usuarios en la Tierra con un alto nivel de precisión. Esto se utiliza en muchas aplicaciones, como navegación, topografía y sistemas de información geográfica.
Más información: Matthias Aichinger‐Rosenberger et al, Detección de firmas de eventos de tormentas convectivas en GNSS‐SNR: dos estudios de caso del verano de 2021 en Suiza, Geophysical Research Letters (2023). DOI: 10.1029/2023GL104916
