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updated 8:57 PM CET, Dec 17, 2017

Explorando nuestra Tierra cambiante en tiempo real

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instrumentos para monitorear la Tierra en tiempo real

La tecnología de drones abre nuevos paisajes a la ciencia

A través del campus del Observatorio de la Tierra de Lamont-Doherty, los científicos están explorando volcanes submarinos, monitoreando la erosión costera a lo largo de costas difíciles de alcanzar y estudiando el movimiento del hielo marino - todo en tiempo real. Al cargar aviones no tripulados con instrumentos de alta tecnología y utilizando satélites y cables submarinos están interactuando con sensores en algunos de los lugares más remotos de la Tierra y, a la vez, nos están descubriendo los secretos de nuestro planeta.

"La observación de la Tierra en tiempo real va a cambiar la forma en que se hace la ciencia en los próximos 10 a 20 años", dijo Tim Crone, un geofísico marino que co-lidera una iniciativa del Observatorio de la Tierra de Lamont-Doherty para fomentar la frontera del tiempo real del planeta. "Estamos en el precipicio de un nuevo tipo de ciencia, y la tecnología nos está dando la oportunidad de hacer cosas asombrosas".

Lamont es una de las pocas instalaciones de investigación en el mundo donde los científicos están poniendo todo tipo de plataformas científicas, desde el fondo marino hasta el espacio, y utilizarlas para el análisis de datos en tiempo real. Los datos están llegando desde arrays cableados que cruzan el fondo marino, vehículos submarinos y laboratorios aéreos tan grandes como aviones y tan pequeños como drones. Los satélites transmiten datos de los sensores marítimos que están monitoreando la química del océano y las corrientes en todo el mundo.

Esas mediciones en tiempo real están alimentando avances a través de las ciencias a medida que verifican modelos de computadora y revelan cambios inesperados.

La tecnología de drones abre nuevos paisajes a la ciencia

En el Ártico, el oceanógrafo Christopher Zappa ha estado rediseñando instrumentos típicamente encontrados a bordo de naves o aviones de investigación y montándolos en drones que vuelan bajo sobre el hielo marino. La gama de drones permite ampliar su área de estudio y evitar la interferencia del calor y el movimiento de un barco, mientras que también reduce significativamente los costos. El resultado son datos inigualables sobre la topografía y el movimiento del hielo marino y nuevas percepciones sobre cómo se rompe el hielo marino y cómo se afectan entre sí la atmósfera y el océano.

Zappa preparando un drone

"Los UAS (unmanned aerial systems - sistemas aéreos no tripulados) son de cuando funcionaron vehículos submarinos autónomos y operados remotamente hace 20 años. Tuvieron estas grandes plataformas, pero los científicos estaban empezando a entender cómo usarlas", dijo Zappa. "Hoy en día hay vehículos submarinos por todas partes en los océanos del mundo. Lo que ha faltado a los UAS es la capacidad de poner la instrumentación de calidad científica en la carga útil, para hacer algo de grado realmente científico requiere una ingeniería significativa".

Zappa, co-líder de la iniciativa Real-Time Earth con Crone y el oceanógrafo físico Ryan Abernathey, están ampliando su capacidad de ingeniería en Lamont a través de su laboratorio UAS, que diseña cargas útiles de alta tecnología con imágenes hiperespectrales, lidar, cámaras infrarrojas térmicas, y otros sensores para misiones científicas.

lanzamiento de un drone para monitorear un volcán

Los aviones teledirigidos científicos vienen en todos los tamaños, desde helicópteros ligeros que puedes lanzar desde tu mano a los drones del ala-fija del tamaño de pequeños aviones. Los pequeños quadcopters no pueden llevar mucho más que una cámara, pero están dando a los volcanólogos Einat Lev y Elise Rumpf la habilidad de trazar flujos de lava y mirar dentro de las calderas. Alessio Rovere pone a los pequeños drones a trabajar para controlar la erosión costera y el blanqueamiento de los corales. Aunque los satélites pueden proporcionar primeros planos, su frecuencia, cobertura y recopilación de datos son limitadas, y las nubes obstruyen la vista a menudo. Con drones, Rovere, un geólogo, puede acercarse a los tramos de costa difíciles de alcanzar sin alterar la tierra.

Zappa, cuyo trabajo sobre el hielo marino depende de instrumentos más sofisticados, utiliza aviones de ala fija de mayor tamaño con navegación GPS auto-pilotada y 10-20 horas de vuelo. Con cargas útiles del tamaño de un balón de fútbol, Zappa puede volar sistemas de imágenes hiperespectrales que utilizan ondas de luz para inferir de qué se forma un objeto o cómo fluye la energía. Puede examinar algas en el agua y cómo afecta el presupuesto de calor superficial, por ejemplo. Otra carga útil deja caer boyas que perfilan la atmósfera y miden la temperatura y salinidad del océano.

"Los UAS permiten que los científicos se acerquen al lado de un glaciar, algo que normalmente no harían con una nave, si quieres mirar una región costera, puedes hacer transectos de forma rutinaria a través de la zona de surf", dijo Zappa.

A medida que bajan los costos, los aviones no tripulados incluso podrían volar en huracanes para recopilar datos en tiempo real sobre la altura de las olas, el impulso y el calor, dijo.

lanzamiento de boyas

Datos en tiempo real desde el fondo

En los océanos, los científicos de Lamont están utilizando vehículos submarinos remotos y autónomos para explorar el fondo marino y medir el medio ambiente marino.

Zappa es parcial a los drifters accionados con energía solar que conectan con los sensores en el fondo marino o en la columna de agua y pueden telemitir datos a los satélites para el monitoreo en tiempo real. El Grupo de Geofísica Polar de Robin Bell, que construyó el IcePod para mapear la plataforma de hielo de Ross de la Antártida desde el aire, despliega boyas para monitorear en tiempo real la temperatura del agua, la salinidad y las corrientes alrededor de los bordes de las plataformas de hielo.

Crone ha pasado gran parte de su carrera desarrollando instrumentación para un tipo diferente de sistema de teledetección: un observatorio del fondo marino con un cable de fibra óptica que corre a 300 millas de la costa de Oregón con una serie de sensores. Los sensores ahora están enviando observaciones en tiempo real de Axial Seamount, un volcán submarino en una cresta del océano medio donde está siendo creado nuevo suelo del océano. El geofísico marino Maya Tolstoy utilizó los datos en tiempo real para estudiar una erupción de 2015, comenzando con un repunte en los terremotos antes de la erupción y controlando cómo se movió la energía de la erupción a través del agua.

Tratamiento de ríos de datos

Todos estos datos entrantes aumentan la demanda de energía de la computadora y las formas inteligentes de procesarlos y archivarlos.

La Alianza Interdisciplinaria de Datos Terrestres (IEDA), dirigida por Kerstin Lehnert y Suzanne Carbotte en Lamont, desempeña un papel crucial al almacenar datos científicos de investigadores de todo el mundo y hacer que los datos estén ampliamente disponibles junto con herramientas de análisis. Abernathey, por su parte, está trabajando en formas de mejorar la arquitectura del sistema de datos y establecer capacidades de computación de alto rendimiento adaptadas a las necesidades de datos de Lamont.

"Estas plataformas se utilizarán para los experimentos en los próximos años que no podemos imaginar hoy", dijo Crone. "Lo mismo ocurre con Internet y los satélites que pueden conectarnos, es tener un problema que solucionar, construir el sensor o dispositivo, conectarlo a una plataforma o una red y traer datos para comenzar a solucionar ese problema".

"Este es el futuro", dijo Crone.

Esta es también la herencia de Lamont. Lamont se basó en la visión del fundador Maurice "Doc" Ewing de la constante recopilación de datos y el intercambio abierto de datos para potenciar la investigación y los descubrimientos mundiales. Si los científicos de Ewing no tenían la tecnología que necesitaban, la construyeron ellos mismos.

A medida que los científicos-ingenieros de Lamont siguen ampliando las fronteras de la ciencia, la Iniciativa de Tierra en Tiempo Real (Real-Time Earth Initiative) está llevando el acceso a los datos a nuevos niveles. "La ciencia de todos va a mejorar a partir de esto", dijo Crone, "porque todo el mundo será capaz de aprovechar la construcción de nuevos sistemas para observar la Tierra".

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