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¿Qué Física usa la Teledetección?

DRP

DFMF – UNED

26 de Octubre 2007

DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 1 / 29

FísicaConceptos de Física involucrados

Electromagnetismo

I ondas electromagnéticas

Electrónica

I electrones y fotones

Óptica

I reflexión, refracción, transmisión, absorción y dispersión


FísicaConceptos útiles derivados

Espectro

I bandas, radiancia

Detectores

I detectores, espectrorradiómetros

Firma espectral

I transmisividad atmosférica, absorción molecular, dispersión en materiales

CuidadoMucho más complicado que lo que se cuenta. . .. . . pero lo que se cuenta basta para empezar!


Ondas electromagnéticasCampo electromagnético

Campo eléctrico

I creado por cargas(las cargas se conservan)

Campo magnético

I creado por corrientes(las corrientes no se conservan)

Campo eléctrico inducido

I creado por campos magnéticos variables(∼corrientes cambiantes)

Campo magnético inducido

I creado por campos eléctricos variables(∼cargas cambiantes)

Campo magneticoH

Plano de polarizacionΠ

Vector de propagacion k

Campo electricoE

Longitud de onda λ

Am

plitu

d

Intensidad


Ondas electromagnéticasCampo electromagnético

Campo magneticoH

Plano de polarizacionΠ

Vector de propagacion k

Campo electricoE

Longitud de onda λ

Am

plitu

d

Intensidad

Campo eléctrico

I cambios en la materia:moléculas, átomos y electrones

Campo magnético inducido

I VARIABLE: percibido por lasantenas

Campo electromagnético

I longitud de onda vs. frecuencia:λν = c

I amplitud vs. intensidad: I ∝ E20

I vectores de propagación k ypolarización ε


Ondas electromagnéticasEspectro matemático

Descomposición frecuencial del campo

I cualquier señal se puede expresar como suma de señales con frecuenciasdadas

E(x, t) = ∑ν

Eν(x)cos(2πνt +ϕν)

F Teorema de Fourier

I la energía total es suma de las energías de las distintas frecuencias

I (x) = ∑ν

Iν(x)

I Espectro:

F reparto de energías por frecuenciasF reparto de energías por longitudes de onda

λ = c/ν


Ondas electromagnéticasEspectro electromagnético

Rangos de frecuencias

I frecuencias bajas

F microondas, ondasde radio

I frecuencias medias

F infrarrojo, luz visible

I frecuencias altas

F ultravioleta

I frecuencias muy altas

F rayos X, rayos γ

Frecuencias usadas enTeledetección

I visibleI infrarrojo cercano (NIR)I infrarrojo medio (SWIR)I infrarrojo lejano/térmico

(TIR)I . . .I Microondas (RADAR)

¿Longitud de onda o frecuencia?

Las radiaciones de frecuencias medias y altas, se describen dando sulongitud de onda. Esto es así, porque se analizan con rejillas dedifracción, que separan las longitudes de onda.

Las radiaciones de frecuencias bajas, se analizan mediante circuitoselectrónicos, por lo que se describen bien con las frecuencias deoscilación de éstos.


Ondas electromagnéticasEspectro usado en Teledetección

visible

infrarrojo

I infrarrojo cercano (NIR)I infrarrojo medio (SWIR)I infrarrojo lejano/térmico

(TIR)I . . .

Microondas (RADAR)

10 8

10 9

10 10

10 11

10 12

10 13

10 14

10 15

10 16

10 18

10 19

10 7

10 17

300 mµ

3 mµ

30 mµ

3 A

0.3 A

0.4 mµ

0.7 mµ

R

B

G

3 m

3 cm

3 mm

30 nm

3 nm

30 m

30 cm

300 nm

Frecuencia, MHz Longitud de onda

UV

IR

SWIRNIR

TIR

MW

RW


Ondas electromagnéticasEspectro electromagnético del sol

Espectro solar:

I espectro de cuerponegro T ' 6000 K

I espectro de absorción

F atmósfera solar:líneas

F atmósfera terrestre:bandas

Ventanas atmosféricas

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

500 1000 1500 2000 2500R

adia

ncia

Longitud de onda (nm)


Fotones y electronesTeoría cuántica

Cuantización de la energíaεν = hν

Cuantización de la materia

λdB = h/mv

Probabilidades de transición

w(1→ 2) =λΓ2

12w0

(hν−∆E12)2 + 14 Γ2

12

Espectro de emisión/absorción

ν =Efinal−Einicial

h↔ λ =

hc

Efinal−Einicial



E 6

E 4

E 3E 2

E 1

E 0

E 5

E 6

E 4

E 3E 2

E 1

E 0

E 5

Espectro de emision Espectro de absorcion

Nive

les

ener

getic

os

Espectros de emisión y absorción

Espectro “blanco”: igual energía para todas las frecuencias

Espectro de emisión: la energía sólo en ciertas frecuencias y no en elresto de ellas

Espectro de absorción: la energía desviada de ciertas frecuencias, nollega al observador

absorcion+emision=blancoLas frecuencias que faltan en el espectro de absorción son las que aparecenen el espectro de emisión de la sustancia correspondiente



E 6

E 4

E 3E 2

E 1

E 0

E 5

E 6

E 4

E 3E 2

E 1

E 0

E 5

Espectro de emision Espectro de absorcion

Nive

les

ener

getic

osEspectros de emisión y absorción

Espectro “blanco”: igual energía para todas las frecuencias

Espectro de emisión: la energía sólo en ciertas frecuencias y no en elresto de ellas

Espectro de absorción: la energía desviada de ciertas frecuencias, nollega al observador

absorcion+emision=blancoLas frecuencias que faltan en el espectro de absorción son las que aparecenen el espectro de emisión de la sustancia correspondiente


EspectrosAtómicos y moleculares

Característico (¿único?) decada sustancia

I átomos→ líneasI moléculas→ bandas

Bandas de absorción

I análisis químico 0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600−1

(cm

)

Coef

icien

te d

e ab

sorc

ion



EspectrosEl cuerpo negro

Espectro de cuerpo negro

W =2πhc2

λ5

1

exp(hc/λkBT )−1

I W = σT 4, σ =5,7×10−8 W/m2/K4

I λT = 2898µm K 0

1000

2000

3000

4000

5000

500 1000 1500 2000 2500

µ(W

m

m

)

−2

−1

Irra

dia

ncia

esp

ectr

al



EspectrosReales

Espectro continuo

I cuerpo negro

Espectro solar(extraterrestre)

I cuerpo negro -absorción elementos

Luz solar en superficie

I cuerpo negro -absorción atmosférica

0

0.5

1

1.5

2

2.5

500 1000 1500 2000 2500Ir

radi

anci

a es

pect

ral(

W m

/n

m)

−2

Espectro de cuerpo negro a 6000 K

Espectro solar extraterrestre

Espectro solar en la superficie terrestre



DetectoresEspectrorradiómetros

Analizador

I descomposición de laluz en longitudes deonda

I prismaI rejilla de difracción

Detectores de luz

I CCDI “CCD por nanómetro”

Entrada de luz

Espejo

Analizador

Det

ecto

r

Hardware+softwareEspectrorradiómetro: fibra óptica+analizador+detector+ordenador


Energía en una superficieBalance: saliente, entrante

Energía total

I potencia radiada (W)I flujo saliente, ΦE

Energía emitida por unidadde superficie

I densidad de flujoradiante, jE(x ,y)(W/m2)

Emitancia, E(x ,y) (W/m2)

Energía total

I potencia absorbida (W)I flujo incidente, ΦI

Energía absorbida porunidad de superficie

I densidad de flujoradiante, jI(x ,y) (W/m2)

Irradiancia, M(x ,y)(W/m2)

...Espectrales

Las magnitudes radiométricas espectrales se refieren a la energía que setransporta en las distintas longitudes de onda.


Energía sobre una superficieDirección de procedencia

Radiancia, L(x ,y ; θ,ϕ)

L(x ,y ; θ,ϕ)dS(x ,y)dΩ(θ,ϕ) =d2ΦI

dSdΩdS(x ,y)dΩ(θ,ϕ)

Radiancia espectral, L(x ,y ; θ,ϕ; λ)

L(x ,y ; θ,ϕ;λ)dS(x ,y)dΩ(θ,ϕ)dλ =d2ΦI(λ)dSdΩdλ

dS(x ,y)dΩ(θ,ϕ)dλ


Energía sobre una superficieDirección de procedencia

Radiancia, L(x ,y ; θ,ϕ)

dθ

dΩ

dθ

dS

... al detector

... conducto de admision

... a la fuente emisora

Espectrorradiómetro

El espectrorradiómetro mide radiancia espectral: la luz entra por una fibraóptica

superficie de entrada (∆S ∼ 1 mm2)

ángulo de admisión (∆θ∼ 25o)

resolución espectral (∆λ∼ 1 nm)


Balance energéticoConservación de la energía

ΦI = Φr +Φd +Φa +Φt

Referido a la energía incidente:

1 = ρs +ρd︸︷︷︸ρ

+α+ τ

ρ: reflectividad

I ρs: reflectividadsuperficial

I ρd : reflectividad interna

α: absortividad

τ: transmisividad

. . . -ividadEl sufijo -ividad indica que se trata de magnitudes relativas.

. . . -ividad espectral

El flujo espectral no se conserva, en general. Sin embargo. . .

Se definen las ρλ, αλ y τλ para estudiar el efecto de la materia sobrecada longitud de onda del espectro


Espectros de. . .absorción, transmisión y reflexión

Firmas espectrales = espectro de absorción, transmisión, reflexión

I α(λ), τ(λ): experimentos de extinción

F campo: evaluación de aguasF laboratorio: composición de disoluciones

I ρ(λ): observación de luz reflejada

F campo: [luz reflejada]/[luz incidente]F teledetección: [luz reflejada]/[¿luz incidente?]

Hipótesis: cada sustancia tiene una firma única

Hipótesis: una firma caracteriza una sustancia

ProblemaMezclas de sustancias:

¿cómo separar/distinguir las firmas?

“arte” de la espectroscopía


Bandas prohibidas

Bandas de absorción atmosférica

Ozono

Vapor de agua

CO2

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

500 1000 1500 2000 2500

Rad

ianc

ia


Si ΦI(λ)' 0, no se puedencalcular α(λ), τ(λ), ρ(λ)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

500 1000 1500 2000 2500


Ref

lect

ivid

ad


Lectura de un espectroEfectos de la estructura

Efectos de la dispersión

Magnificación por absorción-reflexión

¿Difracción?

La difracción en las estructuras de las cubiertas naturales (> 10µm) no esimportante:

La luz se propaga siguiendo rayos de la óptica geométrica.


Espectros prototipoVegetales

Características:

absorción alta en el visible

I clorofila: color de lashojas

alta reflectividad en el NIR

I dispersión en el mesófiloI valles de absorción de

agua

vigor vegetal / hoja seca.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

500 1000 1500 2000 2500


Ref

lect

ivid

ad


Espectros prototipoEstructura de una hoja

Características:

reflexión en la cutícula

mesófilo en empalizada

I absorción porcloroplastos

mesófilo esponjoso

I dispersión por huecosde aire

I más cuantos máshuecos

I menos cuanto mayoreshuecos

Reflexion

Absorcion

Transmision

Dispersion


Espectros prototipoSuelos

Características:

baja reflectividad

I absorción por minerales

aumento continuo en NIR

I reflexión difusa ensuperficie

I valles de absorción deagua

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

500 1000 1500 2000 2500


Ref

lect

ivid

ad


Espectros prototipoSuelos

Características:

disminución dereflectividad

I contenido orgánicoI humedad

aumento de reflectividad

I finura del grano

valles de absorción dehierro

I 900 nm

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

500 1000 1500 2000 2500


Ref

lect

ivid

ad


Espectros prototipoAgua fluvial

Limpia

I muy baja reflectividad(< 1%)

Con partículas ensuspensión

I mayor concentración,mayor reflectividad

I mayor concentración,mayores longitudes deonda

400

0.1

0

0.2

0.3

0.4

0.5

600 700 800 900 1000 1100500

Longitud de onda (nm)R

efle

ctiv

idad


Espectros prototipoNieve y hielo

Nieve

I muy alta reflectividad(' 100%)

Fusión / compactación

I disminuye lareflectividad

4000

600 700 800 900 1000 1100500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1200

Ref

lect

ivid

ad


Nieve fresca

Hielo de glaciar

Hielo refundido


Recapitulación. . . lo que tiene que quedar

espectro electromagnético

I diferentes energías a diferentes longitudes de ondaI cambios de energía electrónicos

absorción atmosférica por moléculas de gas

I ventanas atmosféricas

absorción en las cubiertas

I composición: mínimos de reflectancia

reflexiones en las cubiertas

I estructura porosa o de capas: mayor reflectividad

discriminación de firmas espectrales por cubiertas


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