Los radares Doppler sirven para medir la velocidad del viento, pero …solamente si hay lluvias o precipitaciones. Cuando en la atmósfera no hay estos fenómenos, aunque haya viento, no lo sabremos. Para medir el viento necesitamos trazadores, es decir partículas que se muevan con el viento; pero que tengan una reflectividad tal que puedan ser detectadas por el receptor de los radares. Sin embargo, misteriosamente, los radares a veces mostraban ecos en la pantalla cuando la atmósfera estaba ópticamente limpia, es decir no se divisaban precipitaciones, ni siquiera nubes muy débiles. Esto intrigaba grandemente a los pioneros del uso del radar para la Meteorología.
A esos retornos detectados en condiciones de aire ópticamente limpio, que ahora les llamamos ecos de aire claro, durante mucho tiempo fueron un misterio. Como no había nada visible al ojo humano —ni con binoculares ni con telescopios—, los primeros meteorólogos de radar les pusieron nombres casi de leyenda: “ángeles” y “fantasmas”. Hoy sabemos que no son sobrenaturales, pero siguen siendo una herramienta fascinante para estudiar el viento.
En este post le cuento a mi asiduo lector qué son, de dónde vienen y por qué pueden ayudarnos a detectar fenómenos peligrosos. Siga leyendo y le doy detalles.
¿Qué son los ecos de aire claro?
Son ecos de radar que aparecen donde no hay nubes ni precipitación. Tienen dos fuentes principales:
- Partículas: insectos, polvo, desperdicios y otras cosas lo bastante grandes como para devolver potencia al radar.
- Gradientes del índice de refracción: cambios bruscos de temperatura y humedad que producen dispersión detectable, sobre todo en radares de onda larga.
En los radares convencionales de microondas, la causa más común suele ser la primera: insectos. En cambio, en los radares perfiladores de viento, que usan longitudes de onda más grandes, predominan los gradientes del índice de refracción.
Un poco de historia: ángeles, fantasmas y hasta sirenas
La detección por radar de intrigantes ecos en aire claro (sí, con la atmófera completamente despejada a la vista) comenzó muy temprano en la historia del radar meteorológico. A los ecos puntuales y discretos se les llamó “ángeles” —probablemente eran aves en la mayoría de los casos, aunque no se supiera en los primeros años—. A los más difusos y nebulosos, se les llamó “fantasmas”.
En los años 60 se hicieron muchos experimentos que demostraron que insectos y aves eran la fuente de la mayoría de aquellos ecos desconocidos. El último artículo que usó la palabra “ángel” en el título se publicó en 1970. Después apareció incluso un eco desconocido sobre el agua al que apodaron “sirena” (lea el capítulo 9 de mi traducción del libro de Rinehart, Radar for Meteorologists).
Hoy sabemos que, en los meses cálidos, gran parte del globo tiene suficientes insectos en el aire como para producir retornos detectables por radar. Por eso los ecos de aire claro son más comunes en primavera, verano y otoño, y mucho más raros en invierno.
Fuente 1: partículas (insectos, polvo y aves)
Los insectos pueden encontrarse desde la superficie hasta alturas moderadas. Como su origen está en el suelo, su cantidad disminuye con la altura. Pero durante las migraciones pueden concentrarse en capas, cuya altura depende del tipo de insecto, la temperatura y el viento.
El radar es tan útil para estudiar insectos que existe un campo llamado Entomología Radárica, así como para estudiar aves y se le llama Ornitología Radárica.
Cuando el viento es suficientemente fuerte, también puede levantar polvo y desperdicios, a veces traducido como escombros, generando ecos detectables. Normalmente esto ocurre solo en tormentas con vientos muy intensos. Se han documentado incluso nubes de polvo detectables por radar, como una que cruzó el Mediterráneo en diciembre de 1996 (Lea el libro de Rinehart arriba mencionado).
Si los insectos se mueven de forma aleatoria o vuelan lento en comparación con el viento, la señal que generan en el radar, puede usarse para estimar la dirección y velocidad del viento. Eso sí: la velocidad medida siempre es una mezcla entre el viento y el movimiento propio de los insectos, el espectro de potencias Doppler puede mostrarse bimodal.
Fuente 2: gradientes del índice de refracción y dispersión de Bragg
La temperatura y la humedad pueden fluctuar lo suficiente como para producir ecos detectables. La causa principal de esas fluctuaciones es la turbulencia.
Cuando una turbulencia del tamaño de la longitud de onda del radar —o más pequeña— mezcla aire caliente y frío, o aire seco y húmedo, el radar puede detectarla. Eso se llama dispersión de Bragg.
Por eso los radares de onda más larga tienen ventaja para detectar estos gradientes. Los perfiladores de viento, por ejemplo, operan en longitudes de onda de 0.3 a 6 metros, a diferencia de los radares de 3 a 10 cm que se usan para tormentas. Así pueden “ver” el viento a partir de fluctuaciones de las variables atmosféricas.
Eso sí: en radares de microondas, y especialmente en los que van a bordo de aviones, estos retornos son raros. Y en el único caso donde sería muy útil detectarlos —la turbulencia en aire claro—, la señal no es lo bastante fuerte para que la mayoría de los radares a bordo la detecten de forma operativa.
¿Cómo se ve un eco de aire claro en el radar?
La mayoría de los retornos de aire claro tienen reflectividades de alrededor de 6 dBZ o menos.
A veces la fuente exacta no está clara ¿Son insectos o gradientes del índice de refracción? No se sabe con certeza. Es un buen recordatorio de que no todos los ecos de aire claro tienen un único origen identificable.
¿Qué relación tienen estos ecos de aire claro con fenómenos peligrosos?
Mis incrédulos lectores estarán sorprendidos con este acápite. Estamos hablando de ecos (señales retornadas) que provienen de espacios atmosféricos en los que no se observan nubes ni precipitaciones. Es lógico preguntar ¿cómo puede haber un fenómeno meteorológico peligroso en aire claro?
Pues sí, hay dos casos en que estos retornos de aire claro pueden servirnos de trazadores para detectar vientos peligrosos aunque provengan de sectores de la atmósfera donde no hay nubes o precipitaciones visibles.
Aeroavalanchas secas
Antes de entrar en este punto, el lector debería echar un vistazo al post Aeroavalanchas: Anatomía de un «asesino de aviones» donde se explica el fenómeno de las aeroavalanchas (downburst en inglés, reventones para los españoles) en todas sus modalidades. En este post nos referiremos solamente a las aeroavalanchas (o microavalanchas) secas (microburst dry).
Una aeroavalancha seca —o microavalancha seca— es un flujo descendente intenso asociado a convección, pero con poca o ninguna precipitación que llegue al suelo. La precipitación se evapora o se sublima antes de alcanzar la superficie, enfriando el aire circundante. Ese aire frío, más denso, se acelera hacia abajo y, al chocar contra el suelo, se expande horizontalmente produciendo vientos destructivos. Suelen formarse en ambientes con aire seco en capas bajas y nubes de base alta. La lluvia se evapora y no llega al suelo (se llama virga a este fenómeno).
Su detección por radar es un desafío precisamente porque no hay eco de precipitación por debajo de la base de la nube de tormenta, que delate el fenómeno del flujo descendente.
Aquí es donde entran en juego los ecos de aire claro. Aunque débiles, los insectos, el polvo y los desechos suspendidos pueden actuar como trazadores del viento. Cuando el flujo descendente impacta y se expande, levanta estas partículas y genera una señal detectable en el campo de reflectividades: una línea fina, un anillo o un área de reflectividad débil —típicamente entre 0 y 20 dBZ— que marca el frente de racha que emanará de la aeroavalancha.
En el radar Doppler, la firma clave está en la velocidad radial. La expansión del viento en superficie produce un patrón divergente: por un lado del fenómeno las velocidades son entrantes al radar y por el otro son salientes. El mecanismo es igual para las aeroavalanchas secas que para las húmedas. La diferencia entre ambas —la cizalladura— suele ser de 10 m/s o más en una distancia menor a 4 km, que es el criterio operativo para clasificarla como microavalancha. El ancho espectral también aumenta en la zona de turbulencia, lo que ayuda a localizar el evento incluso cuando la componente radial es pequeña.
Para detectar una aeroavalancha seca, al igual que para detectar las húmedas, conviene usar exploraciones de baja elevación (por ejemplo, 0.5° a 1.5°), de modo que el haz esté lo más cerca posible del suelo, y aprovechar la alta sensibilidad del radar para captar retornos de aire claro. La técnica VAD y el análisis de isodopas pueden ayudar a identificar el cambio brusco de dirección y velocidad del viento asociado al fuja saliente (outflow).
La limitación principal es que estos ecos no siempre están presentes: dependen de la época del año, de la actividad de insectos y de las condiciones atmosféricas. En invierno o en ambientes muy fríos y secos, la señal puede ser inexistente. Por eso, la detección de aeroavalanchas secas por radar es posible, pero no está garantizada; requiere sensibilidad, baja elevación y, a menudo, complementarse con otros datos meteorológicos.
Frentes de rachas
Los frentes de rachas —también llamados “líneas finas”— se forman cuando el flujo que sale de una tormenta se inserta en el aire claro que tiene delante. Pueden viajar lejos de la tormenta madre y durar mucho después de que esta desaparezca del radar, por lo que constituyen un fenómeno peligrosos en sí mismo.
Se detectan por dos vías:
- Reflectividad: suspenden insectos, polvo y desechos, y a veces atraen aves. Su reflectividad suele estar entre 0 y 20 dBZ.
- Velocidad: detrás del frente, el viento es más fuerte que el movimiento del propio frente. El radar Doppler puede ver ese cambio si las partículas son arrastradas por el viento.
El problema es que el radar Doppler solo mide velocidad radial. Si el frente se mueve tangencialmente al haz, puede pasar desapercibido. Para esos casos se usa el ancho espectral, que indica variabilidad del viento y ayuda a localizar la línea del frente.
En aviación, penetrar un frente de rachas no suele ser peligroso; de hecho, puede mejorar el rendimiento de la aeronave, pero volar a lo largo de la línea del frente sí puede ser muy incómodo, lleno de turbulencia.
Conclusión
A veces, en la Internet, aparecen imágenes de Velocidad, correspondientes a una imagen de Reflectividad que no muestra (aparentemente) ecos, pero se trata de que el umbral de Reflectividad escogido está más alto que la Reflectividad de esos ecos, para los cuales sí se les muestra información de Velocidad.
Los ecos de aire claro son una ventana inesperada a la atmósfera. A simple vista parecen ruido, pero contienen información sobre viento, insectos, frentes, turbulencia y hasta microavalanchas.
La próxima vez que veas un eco débil en un radar, pregúntate: ¿es un ángel, un fantasma, una nube de insectos o simplemente el aire moviéndose? La respuesta puede ser más interesante de lo que parece.
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