Los radares de doble polarización son la tecnología más avanzada para estudiar la atmósfera actualmente. A diferencia de los modelos antiguos que solo detectaban la cantidad de precipitación, estos nuevos equipos pueden diferenciar entre lluvia, nieve y granizo, e incluso identificar los escombros (debris en inglés) que levantan los tornados. Funcionan emitiendo y recibiendo señales en dos direcciones simultáneamente – horizontal y vertical – lo que les permite analizar las características de las partículas en la atmósfera con gran precisión. Esta capacidad los hace extraordinariamente útiles para calcular el contenido de agua en las nubes, predecir la caída de granizo y anticipar tormentas peligrosas. Actualmente, los principales sistemas meteorológicos como el NEXRAD en Estados Unidos y la red EUMETNET en Europa utilizan esta tecnología. Aunque representan una inversión mayor que los radares convencionales, su superior desempeño en la predicción de fenómenos severos y el estudio de las nubes los ha convertido en herramientas indispensables para la meteorología moderna.
Prácticamente todas las emisiones artificiales de radiofrecuencia y microondas presentan una polarización definida. En el ámbito meteorológico, los radares convencionales de polarización única operan transmitiendo ondas electromagnéticas con polarización lineal horizontal. Cuando analizamos una onda propagándose radialmente desde el radar en un sistema de coordenadas cartesianas, observamos que el campo eléctrico oscila exclusivamente en el plano horizontal y el campo magnético oscila en el plano vertical. Ambos campos mantienen una oscilación perpendicular (transversal) a la dirección de propagación y ortogonales entre sí, que en este marco de referencia consideramos horizontal. Los sistemas de doble polarización representan un avance significativo, ya que transmiten simultáneamente ondas con polarización horizontal y vertical, lo que plantea una pregunta fundamental:
¿Por qué es crucial la polarización en las observaciones radar?
La interacción radar-hidrometeoro se produce a través del campo eléctrico incidente, que induce un campo secundario dentro de la partícula. Este fenómeno presenta tres características esenciales: Reflexión parcial (dispersión): La onda re-irradiada por la partícula (en todas direcciones) muestra retrasos temporales distintos a los de un reflector puntual ideal. Atenuación: Pérdida de energía por dispersión (en otras direcciones diferentes de la dirección hacia el radar) y absorción (pérdida de energía por calor generado por la oscilación) dentro del hidrometeoro. Retardo de fase: Alteración de la velocidad de propagación de la onda electromagnética respecto respecto a la que tendría esta propagándose en la atmósfera libre (fuera del hidrometeoro).
La geometría del hidrometeoro juega un papel determinante. Para partículas no esféricas: Las señales retornadas con polarización horizontal revelan principalmente la dimensión del hidrometeoro en el eje horizontal. Las señales retornadas con polarización vertical están más correlacionadas con la dimensión vertical del hidrometeoro. Si las partículas son perfectamente esféricas, las señales retornadas con polaridad horizontal y vertical son iguales.
Los hidrometeoros pueden presentarse en diversas formas, especialmente en su estado sólido. Entre ellos se encuentran los copos de nieve y los cristales de hielo, que adoptan múltiples configuraciones, aunque predominan algunas formas características: láminas hexagonales, dendritas, balas sólidas, columnas sólidas, balas en forma de rosa, columnas truncadas, agujas, graupel con forma hexagonal o cónica, y el granizo. Este último se define como hielo con un diámetro superior a 5 mm y también exhibe una notable variedad de formas y tamaños.
Ahora que hemos señalado que los hidrometeoros sólidos no suelen ser esféricos, es importante destacar que muchos otros hidrometeoros sí presentan formas casi perfectamente esféricas. Tal es el caso de las gotas de nube y las pequeñas gotas de lluvia. A medida que estas gotas crecen, las fuerzas aerodinámicas —provocadas por la gravedad, que las hace caer en relación con el aire circundante— pueden comenzar a deformar su forma original.
La siguiente figura (tomada de El Radar para los Meteorólogos) muestra la forma en equilibrio de las gotas de lluvia como función del tamaño, comenzando por gotas de 1 mm de diámetro y hasta un diámetro de 6 mm (figura original de Beard y Chuang, 1987). El tamaño más pequeño está muy cercano a una forma esférica verdadera (es decir, circular en la sección transversal); pero en la medida en que la gota se hace más grande, se torna más ancha que alta. Y más aún, la parte de abajo es más plana que la de arriba.
Es por estas características de los hidrometeoros y por la cualidad de los radares de doble polaridad (de poder comparar las señales retornadas con ambas polaridades) que podemos usarlos para identificar los hidrometeoros presentes en un objeto meteorológico como son las nubes y las precipitaciones. Así pues, sí, vale la pena hacer radares polarimétricos aunque su costo sea más elevado que el de los radares convencionales.
¿Cuales son los esquemas tecnológicos de los radares polarimétricos?
Sin ánimo de entrar en detalles «sangrientos» de la electrónica de los radares, veamos las formas en que se implementan estos en la actualidad. Existen dos esquemas básicos para fabricar un radar polarimétrico: los que transmiten alternativamente (ALT) (de un pulso del transmisor al otro) con una polaridad horizontal y al próximo con una polaridad vertical. En este esquema se puede recibir a la vez la polaridad igual y la contraria. Es decir transmitimos H y recibimos H y V, transmitimos V y recibimos V y H. El otro tipo son los radares que transmiten simultáneamente las polaridades horizontal y vertical (ST) y recibimos las polaridades H y V a la vez. Cada uno tiene sus ventajas y sus desventajas. Inicialmente predominaban los ALT; pero actualmente predominan los ST. Vean en la siguiente imagen un esquema de cada tipo comparado con el de un radar convencional.
Estos esquemas son muy simplificados y obvian toda la complejidad circuital de las soluciones técnicas de un radar moderno, es solo para explicar el principio de funcionamiento. Prometo un post comparativo de uno y otro esquema de polaridad dual, mientras tanto, aquí tienen un diagrama un poco más concreto.
¿Qué variables entregan los radares polarimétricos?
Los radares polarimétricos miden cuatro variables clave que permiten analizar la forma, tamaño y fase de los hidrometeoros: Reflectividad (Z), mide la intensidad del eco (en dBZ) es proporcional al tamaño (a la sexta potencia) y concentración de partículas. Reflectividad Diferencial (Zdr), compara la señal en polarización horizontal (H) vs. vertical (V), evidencia la forma de las partículas: Zdr > 0 dB: Gotas achatadas (lluvia). Zdr ≈ 0 dB: Granizo o nieve (formas irregulares). Fase diferencial específica (Kdp). mide el retraso de fase entre H y V por unidad de distancia (°/km). Sensible a lluvia intensa (gotas grandes y oblongas), resulta clave para estimar tasa de precipitación en tormentas. Coeficiente de correlación (ρhv), mide la coherencia entre señales H y V (toma valores entre 0 y 1). Identifica: ρhv ≈ 1: Partículas homogéneas (lluvia pura). ρhv < 0.9: Mezclas (nieve/lluvia) o escombros de tornados. Basados en estas variables, los radares de doble polarización aportan dos beneficios fundamentales con respecto a los radares convencionales: permiten identificar los tipos de partículas presentes en las nubes y precipitaciones y permiten mejorar el estimado de las precipitaciones con radar.
Identificadores de partículas
Los identificadores de partículas (PID) en radares polarimétricos son dispositivos capaces de correr algoritmos que clasifican automáticamente los tipos de hidrometeoros y otros blancos (como insectos, ecos fijos provenientes de objetos locales o escombros (churre) levantados por tornados y aeroavalanchas) utilizando las variables polarimétricas (Z, Zdr, Kdp, ρhv), más arriba mencionadas, junto con datos ambientales (temperatura, altura). Estos algoritmos se basan generalmente en lógica difusa y últimamente comienzan a emplear machine learning. Mis amables lectores a estas alturas puede que se estén preguntando –bueno ¿y a qué viene tanta complicación algorítmica?
Pues nada, que el asunto es peliagudo. No existe una correspondencia biunívoca entre las variables polarimétricas y los tipos de hidrometeoros. Lamentablemente, no existe un «observable» (es decir una variable que al alcanzar cierto valor, identifique con certeza a un tipo de hidrometeoro). Tenemos que conformarnos con aplicarle inteligencia artificial (lógica difusa en su versión más simple) para TRATAR de identificar con cierto grado de certeza el tipo de partícula que estamos observando. No espere mi crédulo lector que un Identificador de partículas, cuyos algoritmos fueron parametrizados para los fenómenos de Finlandia, en Oklahoma o en Alemania, pueda funcionar exitosamente en la Amazonia, en las llanuras de Centroamérica o en la zona montañosa oriental de Cuba. Como todo engendro de inteligencia artificial requiere ser ENTRENADO PARA LAS CONDICIONES LOCALES.
Estimación de las precipitaciones
Basado en que el Identificador de Partículas, logró discernir entre lluvia fina, lluvia de gotas gruesas, granizo, nieve, hielo, ecos fijos de objetos locales, insectos, aves … resulta entonces mucho más fácil variar la relación empírica para calcular la tasa de precipitación instantánea. Ya no solo disponemos de la clásica relación Z-R, es decir, reflectividad (generalmente medida en la polaridad horizontal en los radares convencionales) y la tasa de intensidad de lluvia (R).
Ahora, en los radares polarimétricos, podemos usar también en las relaciones la reflectividad diferencial (ZDR), la diferencia de fase específica (KDP), la reflectividad (Z) y de este modo obtener una tasa más ajustada al tipo de precipitación imperante, previamente limpiada la señal útil (la que proviene de los objetos meteorológicos) de las señales provenientes de objetos no-meteorológicos (árboles, superficie terrestre, edificios, colinas y montañas, insectos, aves, cenizas volcánicas, escombros levantados por los tornados y las aeroavalanchas (downburst). De este modo nos acercamos al ideal de que los acumulados de lluvia se parezcan mucho más a los acumulados medidos puntualmente por pluviómetros. Aun no se logra del todo, la Naturaleza es díscola y los radares, por muy mejorados que estén, aún son dispositivos imperfectos. La verdad sobre la lluvia, aún la sigue teniendo San Pedro en exclusiva (que es quien manda el agua para la tierra).
Lamento volver a ser aguafiestas; pero recuerden lo que dije sobre el Identificador de Partículas: si no está bien calibrado para las condiciones locales, su efecto positivo sobre la estimación de la tasa de precipitaciones será también cuestionable, entonces olvídense del beneficio de hacer que las tasas de precipitaciones medidas con el radar vayan a coincidir con los acumulados pluviométricos.
Y … ¿desventajas?
Desde el título estoy insinuando que hay desventajas, así que veamos desventajas ¿entre qué y qué? Pues obviamente me refiero a los radares convencionales (es decir, de una sola polaridad) y los radares polarimétricos (de dos polaridades). Aclaro que estamos dando por sentado que en ambos casos son Doppler, ya hoy en día no tiene sentido fabricar un radar No-Doppler, así que debería decir que vamos a comparar Radares Doppler que transmiten y reciben en una sola polaridad contra Radares Doppler que transmiten y reciben en dos polaridades. Hago la aclaración para que nadie piense que intento comparar un radar «convencional» de los años 70 del pasado siglo, con un moderno radar del año 2025 (en que escribo este post).
Bueno, en este punto mi incrédulo lector habrá llegado a la conclusión de que estoy fumando yerbas exóticas ¿Qué desventaja podría tener un radar que, además de lo convencional, permite identificar los tipos de objetos y tiene una mejor estimación de la tasa de precipitaciones? Lamentablemente, en la técnica no hay nada absolutamente MEJOR. Unas ventajas se obtienen a costa de perder en otras cosas. La decisión pasa por saber exactamente cuál es nuestra prioridad.
Ahora les llamo la atención sobre una cosa. Digamos que nuestro hidrometeoro de interés es ovoideo, es decir mucho más grande en la horizontal que en la vertical y que se encuentra bastante alejado del radar. Con un radar polarimétrico ALT, ese objeto es iluminado con toda la potencia horizontal (la que puede llegar hasta él, recuerden, atenuada por la distancia a la cuarta potencia) un período sí y el otro no. Como promedio, la potencia que lo ilumina es dos veces más pequeña que la que lo iluminaría si fuera un radar no-polarimétrico. Con un radar ST, el objeto en cada período es iluminado con la mitad de la potencia. En ambos casos, el radar polarimétrico ilumina a los objetos con una potencia 3 dB (la mitad) de lo que lo iluminaría un radar no polarimétrico que concentra toda la potencia del transmisor solo en la polaridad horizontal. Así de simple, el radar polarimétrico (solo por el hecho de alternar o dividir la potencia) tiene una capacidad de detección de 3 dB menos que el radar de una sola polaridad.
Las cosas no terminan ahí. Tanto en los ALT como en los ST se introducen dispositivos para dividir o conmutar la potencia transmitida. Estos dispositivos distan de ser perfectos, ellos introducen atenuación adicional. Mi estimado lector tiene todo su derecho a dudar de mis elucubraciones, en ese caso les digo –no me crean a mí, léanse el libro: Dual-Polarization Radar Principles and System Operation, presentado por la Warning Decision Training Branch de los EE.UU. y entenderá por qué, después de su modernización a radares polarimétricos (WER-88DP), los WSR-88D, perdieron unos 5 dB en sensibilidad para detectar objetos débiles. La modernización se efectuó entre 2011 y 2013 a un costo de alrededor de 50 millones para toda la red de 159 radares. Presten atención al Capítulo 2 (LQQD):
Es por esto que algunos fabricantes de modernos radares polarimétricos le dan la posibilidad al comprador de usar el radar en modo No-Polarimétrico, radiando toda la potencia en una sola polaridad.
Asesorados por LADETEC, el INAC de Nicaragua, financiado por COCESNA adquirió un radar polarimétrico METEOR-735C (del fabricante alemán SELEX-ES perteneciente al complejo italiano Leonardo), en el cual solicitamos un transmisor de 500 kW (lo usual en en esa banda es 250 kW) de modo de mantener 250 kW radiados en cada polaridad. Adicionalmente, este radar permite radiar los 500 kW en la polaridad horizontal en modo No-Polarimétrico para lograr una alta capacidad de detección de objetos débiles en la larga distancia.
Ventajas adicionales
Como ya he explicado en el post de Aplicaciones de los radares Meteorológicos, estos pueden ser usado con gran éxito en aplicaciones adicionales. Los radares polarimétricos están especialmente bien dotados para la detección y seguimiento de aves, nubes de insectos, cenizas volcánicas, penachos de contaminación sobre grandes áreas industriales, incendios forestales y otras más específicas.
No resulta fácil entender toda la complejidad de los radares meteorológicos. Mi curioso lector puede leerse los siguientes artículos que están disponibles en mi blog y sacar, como siempre les digo, sus propias conclusiones ¿Vale la pena comprarse un radar polarimétrico?
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