A través de su Programa del Decenio de los Océanos "Sistema de previsión sin fisuras del océano al clima (OSF)", el Primer Instituto de Oceanografía (FIO) del Ministerio de Recursos Naturales de China ha creado una boya a la deriva de superficie del Sistema Mundial de Navegación por Satélite (GNSS) de nueva generación. La boya a la deriva de superficie GNSS, de coste extremadamente bajo, alta precisión e inteligente, ofrece importantes oportunidades para mejorar la observación y el seguimiento de los océanos.
La boya a la deriva de superficie GNSS de nueva generación creada por el Profesor Fangli Qiao, Investigador Principal del Programa OSF y Director General Adjunto de la FIO, y su equipo, utiliza señales libres de los satélites GNSS para obtener con precisión 10 variables importantes: posición geográfica, hora, altura, periodo y dirección de las olas superficiales, velocidad y dirección de las corrientes superficiales, temperatura superficial del mar, salinidad superficial del mar y contenido de vapor de agua atmosférico.
Este logro se basa en años de investigación fundamental dirigida por el Profesor Qiao, también miembro del Consejo Asesor del Decenio de los Océanos, que demostró cómo las olas oceánicas a pequeña escala desempeñan un papel crucial en la circulación oceánica a gran escala y en el sistema climático, a través de la modulación de la mezcla del océano superior y los flujos aire-mar. Por esta razón, la observación de las olas en la superficie del océano es de vital importancia en sí misma, también en la circulación oceánica a gran escala y en el cambio climático global.
A lo largo de la historia se han producido tres grandes revoluciones en la observación mundial de los océanos. En 1978, el primer satélite de coloración de los océanos hizo posible por primera vez la observación sincronizada de los océanos a gran escala. En la década de 1980, se inició el desarrollo de redes de boyas tropicales y se estableció la red mundial de observación continua de puntos fijos tropicales a gran escala, que ha mejorado enormemente las capacidades de seguimiento y predicción de El Niño-Oscilación Austral. A principios del siglo XXI, se puso en marcha una iniciativa mundial de observación de los océanos: Array for Real-time Geostrophic Oceanography (Argo). Hoy en día, unas 4.000 boyas Argo están en funcionamiento en los océanos del mundo, observando un perfil vertical aproximadamente cada 10 días, y haciendo realidad la monitorización en tiempo real del océano en tres dimensiones. El Programa Argo también forma parte del Sistema Mundial de Observación de los Océanos (GOOS), codirigido por la Comisión Oceanográfica Intergubernamental de la UNESCO. El elevado coste sigue siendo el cuello de botella y el gran reto de la observación de los océanos, aunque se han realizado enormes esfuerzos y se han conseguido una serie de logros técnicos.
Desde 2016, a través de una profunda cooperación multidisciplinar marina y mediante el uso de satélites GNSS, incluido el BeiDou, el equipo del profesor Qiao ha logrado avances técnicos en el diseño de hardware de boyas y el procesamiento de datos. Entre ellos se incluyen la determinación de la velocidad y la posición en línea de alta precisión y bajo coste de una sola estación GNSS, la inversión en línea en tiempo real de múltiples elementos, incluidos los elementos de oleaje y el contenido de vapor de agua, la expansión de amplio espectro y la captura del espectro de oleaje, la transmisión y el control de codificación multielemento integrados con la Comunicación de Mensajes Cortos (SMC) del satélite BeiDou, la optimización de algoritmos de bajo consumo y alto rendimiento, la miniaturización de boyas y la optimización del seguimiento de las olas, entre otros. Estos avances han mejorado enormemente la precisión de la inversión, han evitado el coste de los servicios de corrección diferencial de precisión y han reducido drásticamente la carga de las comunicaciones.
Los resultados de varios experimentos de observación sobre el terreno y las comparaciones realizadas demuestran que la precisión de esta nueva y revolucionaria boya no tiene nada que envidiar a la de otros instrumentos de medición de olas utilizados habitualmente, como el Waverider, con una diferencia de sólo centímetros. Los costes de observación también se han reducido drásticamente: el coste de la boya GNSS es un 90% inferior. En otras palabras, el coste de observación de la nueva boya GNSS es inferior al 10% del sistema actual.
Este aspecto financiero es especialmente relevante, ya que ha obstaculizado el despliegue de un sistema completo de observación de los océanos. A pesar de los notables avances registrados en los últimos 45 años, las observaciones oceánicas siguen enfrentándose a problemas de costes elevados y escasa cobertura, lo que obstaculiza directamente la comprensión científica de los procesos oceánicos y la capacidad de predecir el océano y el clima. En efecto, el océano superior y la atmósfera inferior no sólo están estrechamente relacionados con las actividades humanas en el mar, sino que también son clave para comprender el cambio climático.
Basándose en sus hallazgos iniciales, el profesor Qiao y su equipo están desarrollando cuatro tipos de boyas GNSS. Las boyas GNSS de tipo A son la configuración básica, que puede obtener las 10 variables anteriores, simultáneamente. Las boyas GNSS de tipo B son capaces de captar otras cinco variables atmosféricas: velocidad y dirección del viento, temperatura, humedad y presión atmosférica. Mediante el despliegue de un gran número de boyas GNSS de tipo B, la observación en tiempo real de los flujos globales aire-mar a gran escala será una realidad, y la contribución de las ondas de superficie se tendrá en cuenta exactamente en el cálculo de los flujos aire-mar. Las boyas GNSS de tipo C pueden medir la temperatura del agua de mar y la estructura de salinidad de 0 a 300 metros, además de las 10 variables convencionales, así como captar con precisión las olas internas del océano, gracias al software de control de inteligencia artificial. Por su parte, las boyas GNSS de tipo D, además de las 10 convencionales, pueden medir el ruido submarino, lo que puede utilizarse para vigilar a los mamíferos marinos y proteger la ecología marina.
La nueva boya GNSS desarrollada por la FIO es inteligente, lo que significa que puede realizar automáticamente observaciones intensivas en cualquier momento según las necesidades, como zonas de grandes olas, olas internas, peligros oceánicos y más. En el futuro, gracias a nuevos avances tecnológicos, también podrá detectar remolinos y medir con precisión el nivel global de las mareas, protegiendo así a las comunidades costeras vulnerables de todo el mundo.
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Lea el artículo completo:
Liu et al. 2022. Real-time precise measurements of ocean surface waves using GNSS variometric approach. International Journal of Applied Earth Observations and Geoinformation, 115, 103125. https://doi.org/10.1016/j.jag.2022.103125
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Dr. Li Li, Director del Departamento de Cooperación Internacional; Científico Principal, Primer Instituto de Oceanografía, Ministerio de Recursos Naturales
li.li@fio.org.cn