Cómo medir la aureola lunar y los aerosoles con una cámara de cielo

Los aerosoles son las partículas que se encuentran en suspensión dentro de la atmósfera, como el polvo del desierto, el humo de los incendios o algunos productos de la combustión de fósiles derivados del tráfico rodado. Estos aerosoles tienen un efecto doble en el balance radiativo de la Tierra: por un lado, son capaces de dispersar parte de la radiación del Sol de vuelta al espacio (enfrían la Tierra); y por otro, hay aerosoles que absorben bastante radiación y son capaces de calentar la atmósfera (calientan la Tierra).

Los aerosoles también actúan como núcleos de condensación, modificando las propiedades de las nubes, por lo que también pueden enfriar o calentar la Tierra de manera indirecta. Por todo ello, están muy vinculados con el cambio climático. Las propiedades de los aerosoles se pueden caracterizar con bastante precisión en toda la atmósfera a través de medidas de la radiación del Sol y del cielo durante el día. Sin embargo, actualmente estas propiedades no se pueden determinar de manera tan precisa por la noche.

Ahora investigadores de España, Francia e Italia han propuesto, en un artículo publicado en la revista Remote Sensing of Environment, utilizar las denominadas cámaras de cielo para obtener medidas de la radiación del cielo cerca de la Luna. Las cámaras de cielo son unos dispositivos de foto o vídeo asequibles que capturan imágenes de la bóveda celeste con la ayuda de una lente 'ojo de pez' o gran angular, con las que se toman imágenes completas de los 180º del cielo.

Para ello, han desarrollado e implementado una configuración especial en dos cámaras de cielo (una en Valladolid y otra en Granada) y han diseñado una metodología para intentar detectar de la forma más precisa posible la aureola lunar a través de esas imágenes. Como explica Roberto Román, quien encabeza el estudio, para ello se ha caracterizado el ruido de la cámara o la luz de fondo proveniente de la ciudad, entre otros aspectos.

“Una vez obtenido el método para extraer la radiación relativa en la aureola lunar se seleccionaron varias noches en ambas localidades en las que el aerosol permaneció bastante estable y, conociendo las propiedades del aerosol durante la tarde anterior y la mañana posterior, se ha calculado la radiación que debería llegar por la noche en la aureola lunar”, precisa.

Estas simulaciones se han comparado con los resultados obtenidos por la cámara y se ha podido determinar que sí era capaz de detectar la aureola de la Luna con una incertidumbre del 10% en los canales rojo y verde de la cámara, y del 14% en el canal azul.

Una vez caracterizadas las incertidumbres, se añadieron las medidas obtenidas con la cámara, y las de un fotómetro lunar, en un algoritmo denominado GRASP (siglas en inglés de Generalized Retrieval of Atmosphere and Surface Properties) para obtener las propiedades ópticas y microfísicas del aerosol por la noche durante un evento de polvo sahariano en Valladolid en agosto de 2015, en el que se comprobó cómo creció el tamaño de las partículas en el aire durante la noche, entre otras cosas.

En el trabajo han participado investigadores de la Universidad de Valladolid, a través del Grupo de Óptica Atmosférica (GOA), el Grupo de Física de la Atmósfera (GFAT) de la Universidad de Granada, del Laboratoire d'Optique Atmosphérique-CNRS (Francia), de la plataforma empresarial para el desarrollo del algoritmo GRASP (Francia), de la compañía francesa Cimel Electronique, de la Universidad de Huelva, de la Universidad de Salento (Italia) y de la Agencia Estatal de Meteorología (AEMET) de España.

El origen de un estudio y un algoritmo

El origen de este trabajo se encuentra en una estancia de investigación que Roberto Román realizó en la Universidad de Granada en 2011 mientras desarrollaba su tesis doctoral en la Universidad de Valladolid. “En esta estancia me dediqué a trabajar con una cámara de cielo y al acabar la tesis me incorporé al GOA, que tenía mucha experiencia en la caracterización del aerosol de día. En 2013 el grupo empezó a trabajar en la línea de los aerosoles por la noche gracias a la comercialización de un instrumento que permitía medir propiedades de los aerosoles apuntando a la Luna”, recuerda.

Por otro lado, con ayuda de los investigadores de Granada, Román pudo configurar la cámara de cielo que disponía el GOA, llamada SONA (Sistema de Observación de Nubes Automático), y más tarde la del GFAT, para que tomara imágenes de alto rango dinámico (High Dynamic Range en inglés, o HDR).

De esta forma se resolvían dos cuestiones, la falta de linearidad -los sensores de las cámaras suelen tener una respuesta a la luz más similar a la del ojo humano, no lineal- y captar zonas brillantes, como la Luna o el sol, y oscuras. La técnica HDR consiste en tomar varias imágenes de la misma escena pero con distintos tiempos de exposición, teniendo en cuenta que a mayor tiempo de exposición mayor es la señal que se recibe. La cámara también podía tomar imágenes nocturnas y observaron que, cuando estaba la Luna presente, se podía detectar bastante bien su aureola.

Finalmente, durante su trabajo en el GOA, Román coincidió con dos vallisoletanos ex miembros del Grupo que llevaban varios años en Lille (Francia) desarrollando un código nuevo, llamado GRASP, y que habían fundado una empresa con el mismo nombre para asesorar sobre el mismo.

“Este código sirve para obtener propiedades de los aerosoles a través de distintos tipos de medidas. Las medidas normales que se utilizaban en este tipo de códigos, como el que se usa en AERONET –la red de aerosoles capitaneada por la NASA-, eran medidas del AOD (siglas en inglés de espesor óptico de aerosoles) que se obtienen midiendo la radiación que llega apuntando al Sol y medidas de radiación de distintos puntos del cielo. Sin embargo, GRASP es mucho más versátil y permite introducir otros tipos de medidas”, detalla.

“Nos dimos cuenta de que la información que se estaba obteniendo con la cámara sobre la radiación en la aureola de la Luna podría ser muy útil para obtener propiedades del aerosol por la noche. Mientras que por el día se pueden realizar dos tipos de medida, AOD y radiación del cielo, bastante buenas para determinar propiedades del aerosol como la absorción o la distribución de tamaños; por la noche no se disponían medidas de radiación del cielo.

Con el método que hemos desarrollado sí se obtiene información de la radiación del cielo, aunque solo sea cerca de la Luna (aureola) y de forma relativa, lo que permite dar información extra al código y caracterizar mejor las propiedades”, precisa. Según sus autores, estos resultados implican que se va a poder mejorar la caracterización del aerosol por la noche al tener más información gracias a un instrumento relativamente asequible para los grupos de investigación que se dedican a ese campo.