Los radares, en general, son más bien conocidos por su capacidad de detectar aviones y barcos y ubicar su posición en el espacio, de ahí es de dónde proviene el acrónimo en inglés: RADAR: RAdio Detection And Ranging. Repasemos antes de “fajarnos” con el radar, algunas de las variables meteorológicas y los instrumentos que las miden: la temperatura se mide por medio de termómetros y se expresa en grados Celsius, grados Fahrenheit o grados Kelvin; los barómetros, miden presión en hectopascales o en milímetros de la columna de mercurio; los anemómetros miden velocidad del viento expresada en metros por segundo, kilómetros por hora o millas por hora; la lluvia caída se mide por medio de pluviómetros y se expresa en milímetros o en litros por metro cuadrado. Cuando se habla de los radares meteorológicos es común escuchar a los presentadores del tiempo decir: “según nos muestran las imágenes de nuestros radares…”. Entonces, ¿Qué miden los radares meteorológicos? ¿Acaso imágenes? ¿No? ¿Qué variable meteorológica miden que los ha hecho tan imprescindibles a lo largo de 58 años, especialmente cuando se acerca un huracán a Cuba? ¿Son o no son instrumentos de medición?
Definitivamente sí, amables lectores, pueden creerme a mí (y al «monstruo» Pablo Maroto), que llevamos más de 41 años lidiando con ellos, el radar meteorológico SÍ ES un instrumento de medición, el más complejo y sofisticado instrumento de medición de que dispone la Meteorología en la actualidad. A diferencia de sus congéneres, los radares aeronáuticos y marítimos (que sirven para detectar la presencia objetos móviles como aviones y barcos), los radares meteorológicos se ocupan de…los objetos meteorológicos. La palabra objeto aquí se entiende como objetivo, blanco (target en inglés). Intuitivamente, está claro para cualquier lector que los blancos para un radar meteorológico son las nubes y las precipitaciones, ellos son los objetos de la radiolocalización meteorológica; pero antes de seguir debemos aclarar ahora ¿a qué llamamos “objetos meteorológicos”?
Los objetos de la radiolocalización meteorológica son los hidrometeoros, es decir las nubes y las precipitaciones, dicho de forma resumida, porque podríamos decir que el granizo, el graupel, la niebla, la neblina, el rocío, la lluvia, el aguanieve, los cristales de hielo en sus muy diversas modalidades, los copos de nieve de formas irrepetibles, todos ellos forman las nubes y las precipitaciones en concentraciones muy cambiantes. En general, y resumiendo hablamos de los hidrometeoros.
Por otra parte ¿Qué hace posible que el radar “vea” los hidrometeoros? Pues los hidrometeoros no son más que conglomerados de numerosas pequeñas partículas de agua en su estado líquido o sólido. La diferencia del índice de refracción de estas partículas con respecto al índice de refracción del aire que las rodea es lo que hace posible que la onda incidente proveniente del radar, al sufrir el fenómeno refracción, refleje una parte de esta energía en dirección al radar y este se encarga de permitirnos detectar la presencia de estas formaciones. Conociendo la dirección a la que apunta la antena y la distancia a la que se encuentra el blanco meteorológico (medida por el tiempo que tarda la onda en ir hasta el objeto y regresar), el radar meteorológico nos permite detectar la presencia de estos meteoros y ubicarlos en el espacio.
Note mi avezado lector que hasta aquí hablo de que los radares meteorológicos DETECTAN la presencia de objetos meteorológicos como mismo los otros radares detectan y ubican la presencia de aeronaves y barcos. Sin embargo, dije que el radar meteorológico MIDE y que eso lo diferenciaba de los otros radares que solo DETECTAN.
Pues cierto, para los otros tipos de radares no importa la intensidad de la señal que proviene de un avión o un barco, basta que esta intensidad supere un umbral mínimo para que el radar declare la presencia de ese objeto; pero para los radares meteorológicos no basta solamente detectar que existe una señal, sino que es importante saber exactamente cuál es la intensidad de la señal proveniente de un objeto meteorológico. Es decir, el radar meteorológico se dedica a detectar la presencia de los objetos meteorológicos y a medir la intensidad de esta señal proveniente de ellos.
Ahora bien, la intensidad de la señal medida por el radar no es una variable meteorológica que conozcamos, es simplemente un indicador cuantitativo de las propiedades del objeto meteorológico; pero no dilataré más la respuesta a la pregunta de ¿qué miden los radares meteorológicos?
Los radares meteorológicos nos permiten medir una propiedad FÍSICA de los objetos meteorológicos (nubes y precipitaciones) que llamamos REFLECTIVIDAD, que no es más que la capacidad que tienen estos objetos de REFLEJAR la energía de microondas que incide sobre ellos, en este caso, la que se les manda desde el radar, hacia atrás en la dirección desde la cual se le envió (porque también la dispersa en todas direcciones, solo una pequeñísima fracción es la que se refleja en dirección al radar). En el radar solamente podemos medir la intensidad de la señal retornada; pero ella es proporcional a la Reflectividad del objeto.
Esta propiedad (la Reflectividad) carece de interés por sí misma y es de utilidad solamente dentro del proceso de radiolocalización meteorológica. Si a uno le dicen que la temperatura de la atmósfera en un lugar de Cuba es de 35 grados Celsius, uno sabe, sin lugar a dudas, que en ese lugar hace calor; pero si a uno le dicen que la Reflectividad de una nube en un punto dado de la atmósfera en un instante es de, por ejemplo, 48 dBZ (más abajo hablaremos de lo que significa dBZ), pues eso a uno no le dice absolutamente nada, no es una variable que tenga un significado evidente para las personas, y muchas veces, tampoco para los meteorólogos, a no ser aquellos que se dedican al análisis de la información de radar. Como puede ver mi incrédulo lector, el radar meteorológico es un instrumento muy complejo y sofisticado (que requiere de complejas calibraciones) y ya tenemos una primera respuesta: el radar meteorológico MIDE LA REFLECTIVIDAD de los hidrometeoros y su distribución espacio-temporal.
Hablemos un poco de la Reflectividad de los hidrometeoros. Si conociéramos la cantidad de partículas, su composición (agua líquida o hielo, o una mezcla de ambos) y sus diámetros, entonces podemos calcular con exactitud y sin ambigüedad cuál es su Reflectividad. Basta con multiplicar la densidad (cantidad de partículas por unidad de volumen) por el diámetro de cada partícula elevado a la sexta potencia). Veamos un ejemplo de cálculo de la Reflectividad (que solemos representar por la letra “zeta”, en minúsculas) a partir de que se conozca el espectro de las gotas de la nube (espectro típico, por ejemplo, de una nube Estrato), es decir conocemos la concentración (N) de gotas de nube de cada diámetro.
Ya llegados a este punto, tenemos que hablar de las unidades en que se mide la Reflectividad. Matemáticamente hablando deberíamos expresarla en metros cúbicos (m3); pero preferimos expresarla en milímetros a la sexta potencia, partido metro cúbico (mm6/m3) de esta forma recalcamos la esencia del cálculo de la Reflectividad en el cual el diámetro de la partícula es muy significativo porque está elevado a la sexta potencia. Esto quiere decir que el tamaño de la partícula es más importante que la cantidad de partículas. Para que el lector pueda sacar sus propias conclusiones sobre lo que digo les muestro la siguiente tabla con el cálculo de la Reflectividad para diferentes tamaños y cantidades de gotas de lluvia (vean que las gotas de lluvia son mucho más grandes que las gotitas de nube del ejemplo anterior, claro, por eso caen, porque son más grandes y por tanto más pesadas, ya no se mantienen en suspensión).
Sorprendente ¿verdad? Una sola gota de lluvia de 3 mm de diámetro tiene la misma Reflectividad (729 mm6/m3) que 729 millones de gotas de lluvia de 0.1 mm de diámetro. Bueno, calcular la Reflectividad de partículas de nube o de lluvia conociendo sus espectros es un buen ejercicio; pero… ¿Cómo obtenemos estos espectros? Como pueden imaginarse mis sorprendidos y doctos lectores, no siempre podemos subir hasta una nube y contar la cantidad de partículas que hay de cada tamaño para saber su Reflectividad. Digo que no siempre podemos subir y mi lector pensará que exagero y bromeo como siempre, pero no, no lo digo en son de burla ni con ironía. Con el avión laboratorio sí se puede conocer la composición microfísica de la nube y a partir de ahí calcular la Reflectividad en cada punto por el que pasa el avión dentro de la nube. Esto lo hace por medio un aparato óptico que mide los espectros de gotas, es decir las cantidades de gotas por cada diámetro.
Antes de continuar veamos, a modo de ejemplo, qué valores de Reflectividad suelen tener los diferentes tipos de hidrometeoros; pero antes debemos retornar a las unidades en las que expresamos la Reflectividad. Por un lado, tenemos hidrometeoros con valores muy bajos de Reflectividad, en el orden de las millonésimas y diezmillonésimas de mm6/m3 (niebla, nubes tipo cirros, alto estratos, alto cúmulos). Por el otro lado, tenemos precipitaciones líquidas y sólidas (granizo, por ejemplo) cuyas Reflectividades están en el orden de millones y hasta decenas de millones de mm6/m3. O sea, la Reflectividad de los hidrometeoros es una variable que se expande en un rango de 10-7 hasta 107, nada más y nada menos que 14 órdenes decimales. Resulta pues bastante incómodo lidiar con una variable que puede abarcar valores con una diferencia de hasta 1014 entre los valores de Reflectividad de los diferentes hidrometeoros. En auxilio nuestro acude John Napier con sus logaritmos. Los valores de Reflectividad, expresados logarítmicamente nos permiten lidiar con números menos “sangrientos y feroces”. Si tomamos los valores de Reflectividad (z, expresados en mm6/m3) y los dividimos por una Reflectividad de referencia (que se escogió z0 = 1 mm6/m3), le hallamos el logaritmo de base 10 y lo multiplicamos por 10, entonces la Reflectividad quedará expresada en dBZ y en lo adelante la representaremos por la letra ZETA mayúscula.
Ahora que ya sabemos qué es dBZ, veamos una tabla que ilustra. a modo de ejemplo, los valores de Reflectividad de diferentes hidrometeoros.
Como pueden observar mis sagaces lectores, hay varios ejemplos de hidrometeoros con Reflectividades (Z mayúscula, en dBZ) que tienen valores negativos. No hay que asustarse, eso lo que significa es que sus Reflectividades (z minúscula, en en mm6/m3), tienen valores entre 0 y 1. Como ya vimos de la Tabla 2, y por muy descorazonador que esto le parezca a mis atribulados lectores, no, a partir de los valores de Reflectividad no podemos inferir la composición microfísica de la nube.
Habida cuenta de lo narrado, para poder conocer la Reflectividad de TODOS los hidrometeoros que se encuentran en la troposfera en un radio de 500 km con respecto a un punto, TODO el tiempo, no disponemos de otra cosa que de… los radares meteorológicos y en Cuba tenemos 8 de ellos.
Seguramente, mi ávido lector, llegados a este punto tendrá numerosas preguntas ¿Cómo hace el radar para medir los valores de Reflectividad? ¿Qué rango de valores de Reflectividad puede medir un radar meteorológico? ¿Cómo sabemos si la Reflectividad que mide el radar es fiel a la Reflectividad REAL de la nube o la precipitación? ¿Qué refleja mejor el agua o el hielo? ¿Qué influencia tiene la longitud de onda del radar en los valores de Reflectividad que podemos medir? ¿Por qué se usan diferentes longitudes de onda? ¿Qué miden los radares Doppler? ¿Qué miden esos radares modernos que llaman polarimétricos? Pero bueno, yo, como Scherezada tengo que dejarles algo para otras noches, perdón, otros posts…
Hasta la próxima pincelada teórica…
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