SENTINEL-1

Una órbita heliosíncrona (o sun-synchronous orbit) es un tipo especial de órbita polar en la que el plano orbital precesa exactamente al mismo ritmo con el que la Tierra avanza alrededor del Sol: aproximadamente 0.9856° por día. Esto significa que el satélite siempre pasa sobre el mismo punto de la Tierra a la misma hora solar local; en el caso del Sentinel-1, a las 18:00 hora local en el nodo descendente.

Esta precesión no es propulsada por los motores del satélite, sino que es un efecto natural del achatamiento ecuatorial de la Tierra. El planeta no es una esfera perfecta: tiene un ligero abultamiento en el ecuador (el radio ecuatorial supera al polar en unos 21 km). Esta asimetría produce una perturbación gravitacional que lentamente "empuja" el plano orbital hacia el este, exactamente a la tasa necesaria para que permanezca sincronizado con el Sol.

La constancia de la hora de cruce tiene consecuencias prácticas muy importantes para el SAR: aunque el radar no depende de la luz solar, la estabilidad de la hora garantiza condiciones atmosféricas e ionosféricas consistentes entre pasadas, lo que es esencial para la interferometría (InSAR). En todo el ciclo de 12 días, Sentinel-1 realiza exactamente 175 órbitas antes de repetir la misma traza terrestre.

El radar convencional determina la distancia a un objeto midiendo el tiempo que tarda un pulso de microondas en ir y volver. El SAR va mucho más lejos: al moverse el satélite, registra el eco del mismo punto terrestre desde cientos de posiciones distintas y combina toda esa información para simular una antena de varios kilómetros de longitud: la apertura sintética que da nombre al instrumento.

Sentinel-1 opera en Banda C (λ = 5.6 cm). Esta longitud de onda es lo suficientemente corta para revelar detalles de la superficie, pero lo suficientemente larga para penetrar nubes, lluvia moderada, humo y polvo sin atenuarse significativamente. A diferencia de los sensores ópticos que dependen del Sol y quedan ciegos ante la cobertura nubosa, el SAR ilumina activamente la escena con su propio radar.

El instrumento no mira hacia abajo en línea recta: mira lateralmente, con ángulos de incidencia entre 20° y 47° respecto a la vertical. Este ángulo lateral es esencial para crear diferencias de retorno entre superficies planas (como el agua, que refleja el radar lejos del satélite) y superficies rugosas o verticales (como edificios, que lo devuelven directamente). Esa diferencia es lo que produce las imágenes características del SAR: agua negra, ciudades blancas.

El dato SAR tiene dos componentes: la amplitud (cuánta energía regresó) y la fase (en qué punto del ciclo de onda estaba el eco al llegar). La amplitud produce las imágenes de backscatter que usamos para detectar inundaciones o cambios en la cobertura. La fase, casi imposible de interpretar sola, es el ingrediente secreto del InSAR: comparar la fase de dos pasadas revela movimientos del terreno a escala de milímetros.

El modo más utilizado es el IW (Interferometric Wide-swath): cubre una franja de 250 km con resolución de 5 × 20 m usando la tecnología TOPS (Terrain Observation with Progressive Scans), que divide la franja en tres sub-bandas (sub-swaths) y escanea cada una con pulsos de azimut progresivos para evitar los artefactos de los sistemas de haz fijo.

Las polarizaciones VV (vertical transmitido, vertical recibido) y VH (vertical transmitido, horizontal recibido) se adquieren simultáneamente. VV es especialmente sensible a la rugosidad de la superficie y la humedad del suelo. VH capta dispersión de volumen: vegetación densa, bosques o nieve producen una señal VH mucho más intensa que un suelo desnudo.

El coeficiente de retrodispersión σ⁰ (sigma naught, pronunciado "sigma cero") expresa en decibeles (dB) la relación entre la potencia del pulso enviado y la potencia del eco recibida. Es el número que convierte la señal radar en información útil sobre la superficie terrestre. Comprender qué valores produce cada tipo de cobertura es la clave para interpretar imágenes SAR.

Tres factores físicos lo determinan: la rugosidad de la superficie (cuán irregular es a escala de la longitud de onda), la constante dieléctrica (ligada a la humedad, porque el agua líquida es un dieléctrico muy eficiente que refleja mucho más que el suelo seco), y el ángulo de incidencia (ángulos más pequeños, más cercanos a la vertical, tienden a producir retornos más intensos).

La presa Endhó es una de las infraestructuras hidráulicas más peculiares de México: fue construida entre 1949 y 1952, originalmente para almacenar agua limpia del río Tula. Sin embargo, décadas de desarrollo urbano en la Ciudad de México transformaron su función radicalmente. Hoy recibe principalmente aguas residuales de la megalópolis, transportadas por el Túnel Emisor Central y el Túnel Emisor Oriente, un sistema construido para drenar el Valle de México hacia el norte.

Esta agua contaminada irriga tres distritos de riego en el Valle del Mezquital: el DR-003 Tula (52,537 ha, 36,386 usuarios), el DR-100 Alfajayucan (34,965 ha, 35,716 usuarios) y el DR-112 Ajacuba (7,369 ha, 3,722 usuarios), con una superficie total de 94,873 hectáreas y una eficiencia de riego del 30%. Por décadas, las aguas residuales, ricas en materia orgánica y nutrientes, enriquecieron los suelos hidalguenses, permitiendo dos o tres cosechas anuales en una región semiárida que de otro modo produciría una sola. Pero ese beneficio tiene un costo: un estudio de CONAGUA de 2006 identificó 128 compuestos orgánicos tóxicos en estas aguas, incluyendo metales pesados como plomo, arsénico y cromo, y compuestos farmacéuticos y de cuidado personal que los sistemas de tratamiento no eliminan.

El sistema de agua de la presa Endhó beneficia e impacta a más de 500,000 personas en ocho municipios del Valle del Mezquital: Actopan, Ixmiquilpan, Mixquiahuala, Progreso de Obregón, Tlahuelilpan, Tezontepec de Aldama, Tepeji del Río y Francisco I. Madero. Esta dependencia histórica del agua residual hace del Endhó un caso único: la misma infraestructura que alimenta la agricultura regional es también la que concentra los contaminantes de una ciudad de 22 millones de personas.

El Sentinel-1 monitorea la presa Endhó cada 12 días en modo IW, produciendo imágenes SAR en polarizaciones VV y VH que permiten:

• Estimar el nivel de almacenamiento mediante la extensión de la lámina de agua (σ⁰ muy bajo en agua quieta)
• Detectar desbordamientos antes de que se reporten en tierra, gracias a la capacidad de operar con nubes
• Monitorear la expansión del lirio acuático mediante el índice cross-pol VH/VV, como muestra la imagen real de la sección anterior
• Alimentar modelos de InSAR para medir subsidencia diferencial en el borde de la presa
• Documentar la expansión de zonas inundadas aguas abajo durante eventos extremos

La ubicación de la presa (en la cuenca del río Tula, entre la Sierra de las Navajas al este y la planicie aluvial del Mezquital al norte) la hace especialmente vulnerable a los efectos combinados de precipitación extrema y operación del Túnel Emisor Oriente (TEO). Cuando el sistema de drenaje profundo del Valle de México opera a capacidad máxima durante tormentas, el Endhó puede llenarse en horas. Fue exactamente este escenario el que desencadenó la catástrofe de septiembre de 2021.

Entre el 6 y el 10 de septiembre de 2021, el Valle del Mezquital sufrió una de las inundaciones más graves en décadas. El evento fue resultado de lluvias extraordinarias acumuladas en el centro del país y de la operación al límite de la infraestructura hidráulica que conecta la Zona Metropolitana del Valle de México con Hidalgo.

El Túnel Emisor Oriente (TEO), parte del sistema de drenaje profundo de la Zona Metropolitana del Valle de México, operaba cercano a su capacidad máxima. Al mismo tiempo, la presa Endhó registraba niveles elevados debido a las precipitaciones de días previos, lo que obligó a realizar desfogues para evitar riesgos estructurales. En este contexto, el río Tula se desbordó, provocando inundaciones rápidas en municipios como Tula de Allende, Tlahuelilpan y Tepeji del Río.

El Hospital General de Tula quedó inundado durante la madrugada del 7 de septiembre; el agua alcanzó más de un metro de altura en distintas áreas. El Gobierno de Hidalgo y el IMSS informaron el 7-sept-2021 que al menos 17 pacientes fallecieron tras la falla del suministro eléctrico. El hecho evidenció la vulnerabilidad de infraestructura crítica ubicada en zonas expuestas a inundaciones.

Miles de personas fueron evacuadas y se registraron daños significativos en viviendas, comercios y actividades productivas. Además, el agua que inundó la región transportaba sedimentos y material arrastrado por la corriente, que quedaron depositados en calles, viviendas y terrenos agrícolas.

En este contexto, los datos de radar de apertura sintética (SAR), como los del satélite Sentinel-1, resultaron especialmente útiles. A diferencia de los sensores ópticos, que no pueden observar la superficie en presencia de nubes densas, el radar permite obtener información incluso durante tormentas intensas. En las imágenes SAR, las zonas inundadas suelen presentar valores bajos de retrodispersión (aproximadamente entre −15 y −25 dB), lo que se traduce en tonos oscuros que contrastan con áreas urbanas y suelos no inundados, facilitando la delimitación de las zonas afectadas.

La interferometría SAR (InSAR) es una de las técnicas geodésicas más poderosas desarrolladas en el siglo XX. La idea central es engañosamente simple: si el radar SAR registra tanto la amplitud como la fase de cada eco, y se toman dos imágenes del mismo lugar desde posiciones casi idénticas en momentos distintos, la diferencia de fase entre ambas imágenes codifica los cambios de distancia entre el satélite y la superficie, con una precisión de fracciones de centímetro.

La fase de una onda radar varía en 2π por cada λ/2 = 2.8 cm de cambio en la distancia radar-superficie (el factor 2 por el viaje de ida y vuelta). En el interferograma, cada ciclo completo de colores (una "franja") equivale exactamente a ese desplazamiento. Contar franjas permite medir deformaciones del terreno causadas por terremotos, subsidencia, deslizamientos, o la acumulación y fusión de hielo glaciar, todo ello desde el espacio, sin tocar el suelo.

El proceso completo incluye varios pasos: tras generar el interferograma, es necesario eliminar la señal topográfica (usando un Modelo Digital de Elevación) para aislar solo el movimiento real. Luego viene el phase unwrapping: como la fase solo se conoce módulo 2π, hay que reconstruir el campo continuo de deformación integrando los gradientes. Finalmente, la corrección atmosférica elimina las variaciones de fase debidas al vapor de agua, que pueden simular deformaciones ficticias.

Las técnicas avanzadas como PSInSAR (Persistent Scatterer InSAR) o SBAS (Small Baseline Subsets) procesan largas series temporales de docenas o cientos de imágenes para extraer tasas de deformación con precisión de 1-2 mm/año. Estos métodos identifican píxeles con alta coherencia temporal (reflectores permanentes como edificios, rocas o postes metálicos) y construyen una historia completa de movimiento para cada uno.

En México, el InSAR derivado de Sentinel-1 ha documentado subsidencia en la Ciudad de México (hasta 40 cm/año en algunas zonas de Iztapalapa), en el Valle del Mezquital, en Querétaro y en zonas costeras de Veracruz. La causa principal es la sobreexplotación de acuíferos: al extraer agua del subsuelo, los materiales arcillosos se compactan irreversiblemente, generando un hundimiento que daña infraestructura, agrava el riesgo de inundación y amenaza la integridad de tuberías y redes de drenaje.

La ventaja de Sentinel-1 para InSAR es precisamente su ciclo de revisita corto y su consistencia orbital: la misma hora de cruce en cada pasada garantiza condiciones atmosféricas e ionosféricas similares, lo que maximiza la coherencia entre imágenes y mejora la calidad del interferograma resultante.

El Valle del Mezquital se asienta sobre un sistema de acuíferos que ha sido explotado intensamente durante décadas para abastecer de agua a comunidades locales y apoyar la agricultura de riego. La sobreextracción de agua subterránea (cuando se extrae más agua de la que se recarga de forma natural) tiene una consecuencia física inevitable: los materiales arcillosos y limosos del subsuelo, que antes estaban saturados de agua y soportados por ella, pierden presión y se compactan irreversiblemente.

Este fenómeno, conocido como subsidencia por consolidación, hunde la superficie de manera diferencial: no baja toda la ciudad o toda la región por igual, sino que algunas zonas descienden más rápido que otras dependiendo de la composición litológica local y la intensidad de la extracción. El resultado son gradientes de hundimiento que generan grietas en edificios, roturas en tuberías, pérdida de la pendiente hidráulica en canales y drenes, e incremento del riesgo de inundación en zonas que antes no lo tenían.

En el área de Tula, estudios basados en datos de Sentinel-1 han documentado tasas de subsidencia de entre 3 y 10 cm por año en los sectores de mayor extracción. El acuífero Tula-Tepeji está clasificado por la CONAGUA como sobreexplotado: la extracción supera la recarga natural, y el déficit se acumula año con año. La paradoja es que parte de esa sobreexplotación es consecuencia del propio riego con aguas residuales: al regar los campos con el agua del Endhó se reduce la necesidad de bombear agua subterránea, pero los pozos de uso doméstico e industrial siguen operando.

La técnica de InSAR aplicada a Sentinel-1 es la herramienta más eficiente para cartografiar la subsidencia a escala regional. El método SBAS (Small Baseline Subsets) procesa decenas de pares de imágenes con pequeñas diferencias de baseline espacial y temporal, produciendo mapas de velocidad de deformación con resolución de 20 metros en planta y precisión de 1-2 mm/año.

Estos mapas tienen aplicaciones concretas y urgentes: permiten identificar las zonas de mayor riesgo para infraestructura crítica (hospitales, plantas de tratamiento, ductos), calibrar los modelos hidrogeológicos del acuífero, evaluar la efectividad de políticas de reducción de extracción, y documentar la evolución temporal para comparar con registros de nivelación geodésica en campo.

La gráfica de serie temporal a continuación muestra un perfil ilustrativo basado en tasas de subsidencia publicadas en la literatura científica para el Valle del Mezquital. Las tasas reales varían significativamente de un punto a otro: las zonas urbanas de Tula registran hundimientos más acelerados que las áreas rurales. El mapa sintético representa la variabilidad espacial típica de un campo de subsidencia en este tipo de cuencas, con el máximo de hundimiento coincidiendo con los centros de bombeo intensivo.

Datos ilustrativos. Fuentes: Cigna et al. (2012), InSAR subsidence Valle del Mezquital; Ramirez-Hernandez et al.; CONAGUA Acuífero Tula-Tepeji.

Recorriste órbitas, pulsos, polarizaciones e interferogramas. Esta escena sintética resume todo el viaje: tres zonas, tres firmas de radar. Demuestra que ya las reconoces.