En el marco de la Iniciativa sobre el Cambio Climático de la ESA, equipos científicos internacionales están realizando investigaciones para generar 21 Variables Climáticas Esenciales (VCE). Se tratan de indicadores clave que describen el clima cambiante de la Tierra y que están definidos por el Sistema Mundial de Observación del Clima. Las 21 VCE producidas por los equipos de la Iniciativa sobre el Cambio Climático (CCI) son VCE que pueden generarse principalmente a partir de datos obtenidos por satélite. Están validadas frente a conjuntos de datos independientes, tienen altos niveles de trazabilidad y coherencia e incluyen estimaciones cuantitativas de la incertidumbre.

Proceso de teledetección

Los sensores de los satélites detectan la radiación reflejada o emitida por la Tierra: de su atmósfera, tierra, océano y superficies de hielo. Los sensores que recogen pasivamente la radiación emitida o reflejada por la Tierra -generalmente el origen de esta radiación es el Sol- se denominan sensores pasivos. Los detectores están diseñados para medir la radiación en bandas de frecuencia específicas.

Por ejemplo, el dióxido de carbono (CO2) es un gas de efecto invernadero que absorbe la radiación solar en bandas específicas. La absorbancia medida dentro de estas bandas de frecuencia puede ser usada para determinar la concentración de CO2 en la atmósfera. El impacto de otros constituyentes atmosféricos (como el vapor de agua, las nubes, los aerosoles, el ozono) se tienen en cuenta en los algoritmos desarrollados por los científicos de la CCI para producir mapas mundiales del dióxido de carbono y vigilar sus niveles desde 2003.

Tipos de sensores en los satélites de observación de la Tierra. Los sensores se basan en la radiación: detectan la energía que se refleja/emite desde la superficie de la Tierra. O basados en la gravedad: detectando las variaciones de la gravedad de la Tierra.

Los sensores que tienen su propia fuente de iluminación se denominan sensores activos. Transmiten pulsos de radiación y miden la retrodispersión reflejada desde la Tierra y hacia el sensor.

La radiación solar, sus regiones y las correspondientes longitudes de onda y nombres de las bandas.

Por ejemplo, un tipo de altímetro envía una señal electromagnética (en la banda de microondas) a la superficie del mar y registra el tiempo transcurrido hasta detectar el eco reflejado. Conociendo tanto la velocidad de la luz como el tiempo transcurrido, se puede calcular la distancia desde la superficie del mar hasta la antena del sensor. Con información adicional sobre la órbita del satélite y el geoide de la tierra, los científicos de la CCI pueden calcular el nivel del mar con precisión milimétrica y producir un registro mundial de 25 años de su variación.

Datos de calidad climática

Las VCE de la CCI son registros de datos de calidad climática, lo que hace referencia a su idoneidad para la investigación climática. La investigación climática implica el estudio de señales sutiles relacionadas con el clima que se producen a lo largo de décadas y que están incrustadas en un fondo ruidoso de variaciones a corto plazo impulsadas por el clima y otros procesos del sistema terrestre. Esta señal de fondo puede tener un rango dinámico de hasta diez mil veces mayor que una tendencia climática subyacente.

Por consiguiente, los conjuntos de datos de calidad climática, denominados registros de datos climáticos (CDR), deben tener una longitud y una estabilidad suficientes para las aplicaciones climáticas, e incluir información que ayude a los usuarios a decidir si los datos son adecuados para el uso previsto.

Para ayudar a los usuarios, los órganos internacionales de coordinación han elaborado seis indicadores de calidad para los CDR de los satélites (Nightingale, J. y otros, 2018). Los archivos de datos deben incluir información de "metadatos" sobre los atributos básicos de los datos y su fuente de sensores, la documentación debe describir de manera transparente cómo se producen, en qué medida el conjunto de datos se ajusta a los requisitos acordados para las aplicaciones climáticas (por ejemplo, los requisitos del Sistema Mundial de Observación del Clima para las VCE), y en qué medida los datos se comparan con conjuntos de datos independientes, los datos deben indicar a nivel de píxeles cuán fiables son las mediciones mediante "marcas de calidad", y deben proporcionarse estimaciones de la incertidumbre rastreable.

¿Qué entendemos por error e incertidumbre?

La incertidumbre describe la duda que tenemos sobre un valor medido. Permite a los usuarios determinar la importancia de sus resultados, y es importante para cualquier aplicación de los CDR, desde la modelización del clima, hasta la investigación del clima, los servicios climáticos y la toma de decisiones. La incertidumbre debe ser caracterizada píxel por píxel, y es un componente crucial de un CDR. Sin embargo, la incertidumbre se confunde a menudo con el término "error".

El error en una medición se refiere a la diferencia entre el valor que se mide y el "valor verdadero" en la naturaleza. Varios efectos contribuyen a la incorrección de una medición, pero es imposible conocer el error de la medición (de lo contrario lo corregiríamos). En cambio, tenemos que estimar la incertidumbre de una medición, que viene determinada por la dispersión de los valores medidos (Merchant, C. et al., 2017).

En el caso de los CDR basados en satélites, surgen incertidumbres en cada etapa del proceso de producción: debido a las imperfecciones de los sensores; a los efectos de la absorción y dispersión de la señal por parte de la atmósfera, que no pueden ser perfectamente "corregidos"; durante la recuperación -cuando se calculan las variables geofísicas- y durante el cuadriculado e interpolación -cuando los datos se producen en las versiones de nivel 3 y nivel 4. La incertidumbre que surge en las primeras etapas del proceso debe tenerse en cuenta en las etapas posteriores del mismo.

Calibración y validación

Los científicos de la ESA llevan a cabo evaluaciones periódicas de la precisión de los productos de datos satelitales. Las VCE derivadas se comparan con los resultados de mediciones de campo independientes y simulaciones de modelos. Estas comparaciones tienen dos propósitos: i) Ajustar los valores de los datos para eliminar los sesgos sistemáticos, si los hubiera, y ii) estimar la calidad de las VCE derivadas (lo que se denomina validación), que requieren tanto las comunidades de la ciencia del clima como las de la elaboración de modelos. La validación aborda la pregunta: ¿cómo de bueno es este conjunto de datos? Implica comparar los valores a nivel de píxeles con mediciones de campo fiables in situ de todo el mundo. Actualmente existen métodos estadísticos avanzados para estimar la precisión y tratar los errores de escala. En su calidad de productora de datos, la ESA está realizando importantes esfuerzos para ayudar a normalizar el proceso de validación, trabajando en estrecha colaboración con el SMOC y el Comité sobre Satélites de Observación de la Tierra (CEOS) para establecer protocolos de buenas prácticas.

La calibración es el proceso de definir cuantitativamente la respuesta de un sensor a entradas de señales conocidas y controladas. En las técnicas pasivas de observación de la Tierra por satélite, la calibración se realiza en la propia plataforma del satélite. Por ejemplo, durante el proceso de medición de la temperatura de la superficie, la radiación infrarroja que emana de una escena de la superficie de la Tierra llega a un sensor, se filtra a través de la óptica del sensor y se detecta como una señal de tensión que se convierte en recuentos. Los recuentos de la escena se calibran frente a objetivos de referencia de temperatura conocida, llamados cuerpos negros, que emiten radiación con un espectro específico con una longitud de onda máxima dependiente de la temperatura. Por lo tanto, la calibración permite que los recuentos de las escenas puedan ser convertidos en una medición de la temperatura del brillo.

La calibración y la validación son partes importantes de la producción de conjuntos de datos fiables y de alta calidad.

Todos los conjuntos de datos de VCE de la CCI están plenamente validados y tienen altos niveles de trazabilidad y coherencia, incluidas las estimaciones cuantitativas de la incertidumbre que requieren tanto la ciencia del clima como las comunidades de modelización.