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Absorción y atenuación

Figura 1: Absorción de una onda electromagnética por la atmósfera y sus componentes, ① lluvia intensa, ② niebla, nubes, ③ lluvia moderada, ④ dispersión molecular

Atenuación
Frecuencia
① lluvia intensa
② niebla, nubes
③ lluvia moderada
④ dispersión molecular

Figura 1: Absorción de una onda electromagnética por la atmósfera y sus componentes.

Absorción y atenuación

Una onda electromagnética que atraviesa la atmósfera es parcialmente absorbida por sus componentes; esta absorción puede ser incluso total en algunos casos. La energía así transferida al medio absorbente provocará diversos efectos, entre ellos el calentamiento y la reemisión de una parte de la energía a una longitud de onda diferente.

La absorción depende de la frecuencia (inversa de la longitud de onda) utilizada. El oxígeno, el vapor de agua y las precipitaciones tienen una frecuencia de resonancia que depende de sus dimensiones. Cuando la longitud de onda utilizada es la misma que la frecuencia de resonancia de estas dos moléculas, una gran parte de la energía del haz se utiliza para hacerlas vibrar.

El gráfico muestra que la absorción varía en función del medio absorbente. El oxígeno tiene una tasa de absorción baja hasta que su zona de resonancia se encuentra por encima de los 60 GHz. La absorción del vapor de agua se sitúa entre 20 y 30 GHz. La absorción del agua líquida es significativa por debajo de los 10 GHz. Esta absorción relacionada con las precipitaciones depende también de su intensidad.

Por lo tanto, la atenuación de la señal depende de la frecuencia utilizada y de la longitud del trayecto a través del medio absorbente. También puede variar con la temperatura del medio.

Figura 2: Atenuación en la lluvia para diferentes longitudes de onda

Atenuación en la lluvia

Cualquier onda electromagnética puede ser absorbida al atravesar cualquier medio porque excita las moléculas que lo componen. Esto puede eliminar algunos de los fotones y cambiar el nivel de energía del medio. El aire no es muy absorbente, pero las moléculas de agua sí lo son. Cuanto más cerca esté la longitud de onda portadora del haz del radar de la de las gotas de agua (de 0,1 a 7 milímetros), más excitados estarán los dipolos de estas moléculas y más atenuada será la onda por la precipitación encontrada.

Este diagrama muestra el efecto de la lluvia que atenúa la señal del radar a diferentes longitudes de onda. El caso utilizado es el de una tormenta de 20 kilómetros de diámetro, cuya precipitación aumenta linealmente hacia el centro, a 100 mm/h, y disminuye linealmente hacia el otro lado.

La línea azul representa la curva teórica normalizada de la señal no atenuada que viaja de un lado a otro de la tormenta. La curva morada es la observada con un radar que utiliza la banda S (10 cm). Las curvas siguientes, en amarillo y cian, son la señal de retorno de los radares de banda C (5 cm) y X (3 cm) respectivamente. La diferencia con la señal teórica es cada vez mayor a medida que se acorta la longitud de onda, debido a que las moléculas de agua absorben cada vez más energía.

El diagrama muestra también que la atenuación varía con la velocidad de las precipitaciones: el haz de la banda X es totalmente absorbido a partir de 20 mm/h, el haz de la banda C a partir de 60 mm/h, pero la pérdida es insignificante para el haz de la banda S, incluso en el pico de precipitaciones.

Por lo tanto, la atenuación suele ser mínima en la nieve, incluso para la banda X. Con lluvia de ligera a moderada, la banda X se ve afectada de forma significativa, pero la banda C sólo se ve ligeramente afectada. En cambio, con lluvia intensa, sólo la banda S sufre una pérdida mínima. Por este motivo, los radares meteorológicos de banda S, más caros, se utilizan en regiones donde se producen tormentas/lluvias intensas durante gran parte del año: los trópicos, el sur de Estados Unidos o Europa, etc. Los radares de banda C son un buen compromiso para las regiones templadas en las que el nivel de precipitaciones suele ser de bajo a moderado. Los radares de banda X sólo son adecuados para un uso de corto alcance debido a la fuerte atenuación de su señal.

Lectura recomendada: Recommendation ITU-R P.676-10 “Attenuation by atmospheric gases” (en anglais)