FISICA DE LA TELEDETECIN

OBJETOOBSERVADO

SENSOR

Perturbacin(Onda electromagntica)

COMPONENTES DE LA TELEDETECCIN

Las ondas electromagnticas se definen como la propagacin de un campo elctrico y un campo magntico en el espacio. Los dos campos son perpendiculares y la direccin de propagacin es tambin perpendicular a ambos.

ONDAS ELECTROMAGNTICAS

l = Longitud onda

Amplitud

ESPECTRO ELECTROMAGNTICO

Espectro visible (0.4 a 0.7 mm)

Infrarrojo prximo (0.7 a 1.3 mm).

Infrarrojo medio (1.3 a 8 mm).

Infrarrojo lejano o trmico (8 a 14 mm)

Microondas ( 1 mm a 1.5 m)

Los intervalos de longitudes de onda ms utilizados en Teledeteccin son:

Espectro visible (0.4 a 0.7 mm). Se denomina as por tratarse de la nica radiacin electromagntica que pueden percibir nuestros ojos. Suelen distinguirse tres bandas elementales, que se denominan azul (0.4 a 0.5 mm); verde (0.5 a 0.6 mm), y rojo (0.6 a 0.7 mm).

Infrarrojo prximo (0.7 a 1.3 mm). A veces se denomina infrarrojo reflejado y fotogrfico, puesto que puede detectarse a partir de films.

Infrarrojo medio (1.3 a 8 mm). Regin en donde se entremezclan los procesos de reflexin de la luz solar y de emisin de la superficie terrestre.

Infrarrojo lejano o trmico (8 a 14 mm). Regin que abarca la parte emisiva de la superficie terrestre.

Microondas ( 1 mm a 1.5 m)

MAGNITUDES RADIOMTRICAS BSICAS

La energa asociada con una onda electromagntica se denomina energa radiante (Q). Sin embargo, es habitual utilizar otras magnitudes radiomtricas para proporcionar una descripcin detallada de la energa radiante.

[ ]WdtdQ

=f

= 2m

WdsdF f

Flujo radiante (f): energa radiada en todas direcciones por unidad de tiempo.

Densidad de Flujo Radiante: flujo radiante por unidad de rea

Se distingue entre la densidad de flujo, que emerge de una superficie, llamada exitancia o emitancia, y a la que llega a una superficie, llamada irradiancia

= 2m

WdsdM f

mmWm2

Emitancia (M): energa radiada en todas direcciones desde una unidad de rea y por unidad de tiempo (densidad de flujo)

A veces se habla de emitancia espectral Ml para hacer referencia a la emitancia en una longitud de onda concreta, en cuyo caso las unidades son

Irradiancia (E): energa radiada sobre una unidad de rea y por unidad de tiempo. Es equivalente a la emitancia, si bien sta indica la energa emitida, mientras la irradiancia se refiere a la incidente. Por lo tanto, tiene las mismas unidades que la emitancia y tambin se puede hablar de irradiancia espectral.

= 2m

WdsdE f

Al igual que la emitancia espectral, tambin podemos hablar de irradiancia espectral

Intensidad Radiante (H): flujo radiante transportado por unidad de ngulo slido.

W=

srW

ddH f

La Intensidad Radiante es utilizada para caracterizar la emisin de fuentes puntuales.

2rdsd =W

Para fuentes extendidas, se utiliza la Radiancia, concepto fundamental en Teledeteccin, ya que describe lo que mide el sensor a bordo de un satlite.

Radiancia (I): definida como el flujo radiante por unidad de ngulo slido procedente de una superficie normalmente ubicada a la direccin de propagacin.

W

= 22

cos msrW

dsddI

qf

ngulo

slido

W

Angulo cenital q

Superficie

proyectada

SUPERFICIE LAMBERTIANA

Si la radiancia es la misma en todas direcciones, por lo tanto no tiene dependencia direccional, la fuente se dice lambertiana.

qfcos

2

dsddI

W= W= dIds

dq

f cos2

W= dIdsdd qf cos)( W= dIMd qjq cos),(

=p

p

jqqqjq2

0

2

0

cos),( ddsenIM

IM p=

LEYES FUNDAMENTALES DE LA RADIACIN

LEY DE DISTRIBUCIN DE PLANCK

La principal fuente natural de radiacin electromagntica es la agitacin trmica que produce un espectro continuo. Para modelar esta radiacin, Planck (1900) introduce el concepto de cuerpo negro.

Un cuerpo negro es un cuerpo ideal en equilibrio termodinmico con su medio ambiente. Absorbe totalmente la radiacin que recibe y emite una radiacin mxima en todas las longitudes de onda.

Planck demostr que un cuerpo negro es lambertiano, y la radiancia en una longitud de onda dada, es funcin nicamente de la temperatura

-

=msrm

W

e

chTBTk

ch ml l

l 25

2

1

2)(

h : constante de Planck (6.626 x 10-34 J s)k : constante de Boltzman (1.38 x 10-23 J K-1 )c : velocidad de la luz en el vacio (3 x 108 m s-1)T : temperatura en grados Kelvin

LEY DE WIEN

A partir de la ley de distribucin de Planck, la longitud de onda, l, a la cual la radiancia espectral de cuerpo negro toma su valor mximo es:

0= = mdBd

lll

l

[ ]KmTm

ml 2898=

Sol (6000 K) lmax = 0.48 mm

Tierra (300 K) lmax = 9.6 mm

LEY DE STEFAN-BOLTZMAN

)()( TBTM ll p=

-

=mm

W

e

chTMTk

ch ml

p

l

l 25

2

1

2)(

= 2

432

45

152)(

mWT

hcKTM p

=0

ll dMM

== - 42

832

45

1067.5152

KmWx

hckp

s Cte de Stefan-Boltzman

INTERACCIN RADIACIN-ATMOSFERA

Radiacin SolarEntrante 100 %

Atmsfera

Nubes

Superficie Terrestre

4% 20%6%

19% absorbido por la atmsfera y nubes

51% absorbido por la tierra

BALANCE RADIATIVO

ATMSFERA TERRESTRE

COMPONENTES ATMOSFRICOS

1. GASES PERMANENTES. En los primeros 80 km, la atmsfera estfundamentalmente integrada por cuatro componentes mayoritarios que se presentan en proporciones constantes

Componente Porcentaje (% volumen)

N2 78.084

O2 20.948

Ar 0.934

CO2 0.033

2. GASES CONCENTRACIN VARIABLE .Corresponden a componentes como el vapor de agua, ozono, monxido de carbono, entre otros se conocen como componentes minoritarios, con concentraciones altamente variables.

Componentes Concentracin (p.p.m.)

Vapor de agua 1 - 40.000

Ozono 10-2 - 1

Monxido de Carbono 2 - 300

Anhidrido Sulfuroso 10-3 - 4

Oxido nitroso 0.5 5.3

Monxido Carbono 0.02 - 4

Dixido de nitrgeno 0.03 0.2

Amoniaco 0.02 - 3

3. AEROSOLES. Corresponden a partculas slidas o lquidas que se encuentran en suspensin en la atmsfera. Caractersticas fundamentales de los aerosoles atmosfricos son la gran variedad de las concentraciones, que es de varios ordenes de magnitud, y la enorme variedad de tamao, que van desde los 5 x 10-3 a las 20 mm.

Por su origen, los aerosoles atmosfricos se clasifican en naturales, compuestos principalmente por cenizas volcnicas, esporas, polen, sal marina, polvo natural, etc, y antropognicos, derivados de la actividad humana, tales como humo de chimeneas, partculas minerales surgidas de procesos industriales..., las partculas producidas fotoqumicamente a partir de contaminantes gaseosos tambin entran en este apartado.

La eliminacin de los aerosoles de la atmsfera es producida por la accin gravitatoria, coagulacin, condensacin y su posterior precipitacin, etc. Todo ello implica un tiempo de vida de estas partculas en la atmsfera que puede variar de minutos a semanas en la troposfera, y llegar a los aos si tales partculas alcanzan la estratosfera (comn tras las erupciones volcnicas, por ejemplo), ya que ahprocesos de eliminacin tales como condensacin o precipitacin no se producen.

TIPOS DE AEROSOLES (resumen)

Extraterrestres: partculas provenientes de pequeos meteoritos o polvo interplanetario (presente en el sistema solar hasta la rbita de Jpiter), pueden llegar a penetrar en la atmsfera, especialmente a travs de los polos (dirigidas por el campo magntico terrestre, por ejemplo).

En su composicin fundamentalmente entran elementos como hierro, magnesio, silicio, azufre, argn, calcio, nquel, cromo, cloro, manganeso, potasio, cobalto o titanio. Su efecto, sin embargo, es prcticamente despreciable a nivel climtico, y en nuestras latitudes apenas son detectables.Partculas marinas: en las superficies de los mares y ocanos se desprenden burbujas por accin del viento (olas) o la lluvia, burbujas que en determinadas condiciones de humedad (superior a un 98%) pueden quedar en suspensin en la atmsfera.

Aerosoles minerales: de toda la tierra firme existente en la superficie del planeta, un tercio es un desierto o est prcticamente rida. En esas condiciones, el viento es el causante principal en generar un aerosol de tipo mineral que el suelo es incapaz de retener. As, mediante mecanismos de conveccin y circulacin atmosfrica un aerosol generado en un desierto es capaz de llegar a capas altas de la troposfera e incluso la estratosfera, e iniciar un largo viaje que le lleve incluso a otras latitudes

Aerosoles volcnicos: los aerosoles generados en las erupciones volcnicas llegan a la alta troposfera y a la estratosfera, estando formados por cenizas, polvo no soluble y gases reactivos (H2S, SO2, HCl).

Los aerosoles atmosfricos quedan completamente descritos si damos de ellos en cada punto de la atmsfera, o en capas homogneas:

Distribucin de tamaos

Composicin qumica

Forma (aunque se estudian asimilando que su efecto es equivalente al de partculas esfricas, desde el punto de vista ptico).

PROCESOS DE INTERACCIN ATMOSFRICOS

La propagacin de la radiacin electromagntica a travs de la atmsfera est afectada por los procesos de absorcin, dispersin, que modifican las caractersticas de la radiacin incidente, resultando globalmente que la radiacin experimenta una atenuacin (habitualmente, se emplea el trmino extincin, para hacer referencia a la accin combinada de la absorcin y dispersin).

Absorcin

La absorcin est ligada a la retencin de radiacin por parte de los diferentes componentes de la atmsfera, sobre todo oxgeno, dixido de carbono, ozono y vapor de agua, con una menor influencia de los aerosoles atmosfricos

Consideremos un medio exclusivamente absorbente (sin dispersin). Al ingresar un haz de radiacin de radiancia I se ve atenuado por absorcin al atravesar en direccin normal una capa de longitud geomtrica dx, de forma que, su radiancia se modifica en I+ dI, siendo dI proporcional a la radiancia incidente en la capa, a la longitud de camino geomtrico dx y a un coeficiente caracterstico del medio y que representa su absorcin, denominado coeficientede absorcin volmico ba (unidades de L-1). Este coeficiente informa de la fraccin de energa incidente que es absorbida por el medio

Atenuacin de la radiancia al cruzar un medio material

dxxIxxdI a )()()( b-=La prdida de energa debido al proceso de absorcin viene dada por:

Medio absorbente dx

I

I+dI

dxxx

xa

exIxI)(

12

2

1)()(

=- b

Ecuacin de Beer-Lambert-Bouguer.

donde =2

1

)(x

xaa dxxbt es el espesor ptico de absorcin entre x1 y x2.

El espesor ptico de absorcin es una magnitud adimensional, que informa de la opacidad que presenta el medio a la transmisin de la seal.

aexIxIta

t-==)()(

1

2atxI

xIxI-=

-= 1

)()()(

1

21a

transmitancia absorvancia

=2

1

)()(x

xaa dxxxk rt

Coeficiente absorcin msico

densidad medio

Dispersin

Cuando un haz de radiacin atraviesa un medio, adems de la absorcin, se puede producir el proceso de scattering o dispersin. Este proceso puede ser entendido como aquel en el cual la energa que incide sobre la partcula es redistribuida en todas las direcciones.

Si la partcula en este proceso no absorbe nada de energa, de forma que toda la energa sale dispersada, se dice que es una dispersin o scatteringpuro. Si por el contrario, la partcula se queda con parte de esta energa es una dispersin con absorcin.

Polvo, nubesPolvo, nubesNo selectivaNo selectiva

Humo, neblinaHumo, neblinaMieMie

MolMolculasculasRayleighRayleigh

Tipo de Tipo de partpartculasculas

DiDimetro metro promedio de las promedio de las

partpartculas culas dispersorasdispersoras

Proceso de Proceso de dispersidispersinn

1ld

Como ocurre en la absorcin, es habitual definir el espesor ptico de dispersin en funcin del coeficiente de dispersin o scattering volmico bs (L-1) como:

=2

1

)(x

xss dxxbt

En el caso de que el proceso de dispersin no sea puro (absorcin + dispersin), hablaremos del coeficiente de extincin definido por:

ase bbb +=

Similarmente tenemos el espesor ptico de extincin, suma del de dispersin y absorcin.

ase ttt +=El cociente entre el coeficiente de scattering puro y de extincin define el albedo de scattering simple

e

s

bb

w =0