INTRODUCCIÓN A LA TELEDETECCIÓN CUANTITATIVA

Transcripción

1 INTRODUCCIÓN A LA TELEDETECCIÓN CUANTITATIVA Haydee Karszenbaum Veronica Barrazza haydeek@iafe.uba.ar vbarraza@iafe.uba.ar Clase 1.2: ondas y leyes de la radiación Teledetección cuantitativa 1

2 Características de la radiación electromagnética Diferencias entre sistemas pasivos y activos Fuentes de radiación electromagnética (visibleinfrarrojos térmicos) Interacciones entre la radiación em y la materia (óptico)

3 Radiación EM En Teledetección, se trata del medio por el cual se transmite información de un objeto al sensor.

4 Radiación electromagnética La radiación electromagnética se expresa como una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación electromagnética a través del espacio. Los campos magnéticos y eléctricos están perpendiculares uno al otro y a la dirección de propagación. Formulación matemática: Ecuaciones de Maxwell (1863)

5 Caracterización matemática de una onda z Una onda es, desde el punto de vista matemático, una función que describe una amplitud (Ej. voltaje, corriente, presión) en función del tiempo, el espacio, la velocidad u otros magnitudes. Ciclo: Se denomina ciclo a cada patrón repetitivo de una onda. Período: Es el tiempo que tarda la onda en completar un ciclo. Frecuencia: Número de ciclos que completa la onda en un intervalo de tiempo. Amplitud: Es la medida de la magnitud de la máxima perturbación del medio producida por la onda. Longitud: La longitud de una onda viene determinada por la distancia entre los puntos inicial y final de un ciclo (por ejemplo, entre un valle de la onda y el siguiente).

6 Teoría cuántica: naturaleza dual de la radición em La teoría de Maxwell presenta deficiencias cuando trata de explicar algunos fenómenos de interacción entre la radiación em y la materia. La teoría cuántica formulada por Max Planck permitió explicar que la radiación em era absorbida y emitida en la forma de paquetes discretos o cuantos. Estableció que la energía de cada cuanto dependía solamente de la frecuencia de la radiación. E = hν ó E = h c/ donde E es la energía radiante de un fotón en Joules, ν su frecuencia, h la constante de Planck (6.626x10-34 joules sec) La controversia así planteada entre Maxwell y Planck se resolvió con la consideración de una naturaleza dual: corpuscular y ondulatoria

7 Relación entre frecuencia, longitud de onda y energía E = h c/ longitudes de onda corta longitudes de onda larga alta frecuencia alta energía baja frecuencia baja energía qué consecuencias tiene esto sobre las características de los sensores?

8 Características de las ondas em: polarización y fase Características de las ondas em en el óptico, térmico y las microondas Longitud de onda Frecuencia Energía Otras propiedades de la radiación EM que no se han definido hasta ahora. Polarización Fase

9 Características de las ondas em: polarización y fase Cuando una onda EM viaja en el espacio, el vector campo eléctrico describe una elipse sobre el plano de la onda. Caracterizando esta elipse se define el estado de polarización. H V

10 Polarización

11 Fase Fase describe el desplazamiento de una onda con respecto a otra. Se mide en unidades angulares (grados o radianes).

12 Fase Si la diferencia de fase entre dos ondas es cero, la suma de la mismas da como resultado otra onda del doble de amplitud y la misma frecuencia. Este fenómeno se conoce como interferencia constructiva. Sin embargo, si la diferencia de fase entre las ondas es distinta de cero, es posible que la amplitud de la onda resultante se haga muy pequeña, e incluso cero. Este fenómeno se lo conoce como interferencia destructiva.

13 Radiación coherente e incoherente La luz blanca de una lamparita se denomina luz incoherente La luz está compuesta por distintos colores y ondas que está fuera de fase unas con otras.

14 Radiación coherente - incoherente Se dice que una fuente de ondas es coherente cuando las ondas sucesivas emitidas tiene diferencias de fase constantes. Entre las fuentes de ondas coherentes utilizadas en teledetección, está el Radar. En contraste, una fuente de ondas es incoherente cuando las diferencias de fases entre dos ondas sucesivas no es constante. En teledetección, las fuentes incoherentes utilizadas son el sol y las emisiones del la superficie terrestre en el rango de las microondas

15 Características de las ondas em: sistemas pasivos y activos Sistemas Pasivos Sistemas Activos La fuente generadora de energía es una fuente incoherente y no polarizada (sol, emisión de microondas de la superficie terrestre). Esto hace evidente que no es posible hablar de amplitud instantánea de la onda, sino mas bien de un promedio de energía o intensidad recibida en una unidad de tiempo. La fuente generadora de energía es una fuente coherente y polarizada (Radar, Lidar). Por lo tanto, es necesario medir no solo la amplitud de la onda recibida, sino también su polarización y fase, ya que cualquier cambio en las mismas incluye información sobre el blanco retrodispersor.

16 Espectro electromagnético La luz visible pertenece a una familia de ondas denominada espectro electromagnético. Existen otros integrantes de esta familia (rayos gama,,x, de radio, infrarrojo, etc). Todos los grupos son ondas em porque comparten las siguientes propiedades: Una onda em consiste en campos eléctricos y magnéticos que oscilan con la misma frecuencia La velocidad a la que se propagan es la velocidad de la luz La relación entre longitud de onda y frecuencia esta dada por: c f

17 De donde procede la radiacion EM? de elementos del mundo natural de objetos tecnológicos (instrumentos)

18 Leyes de la radiación em: el cuerpo negro Todos los cuerpos (por encima del 0 absoluto) emiten radiación EM en todas las longitudes de onda. En muchos casos, el espectro de esta radiación (intensidad en función de la longitud de onda), sigue la curva de radiación de un cuerpo negro ideal (un emisor y receptor de energía perfecto). La representación gráfica de la cantidad de energía radiante emitida desde el cuerpo negro por unidad de superficie y por unidad de longitud de onda, es una curva que tiende a cero para longitudes de onda muy cortas y muy largas y presenta un solo máximo correspondiente a la temperatura del cuerpo.

19 Leyes de la radiación em: El sol constituye la fuente de radiación EM por excelencia de la teledetección óptica 1. Se comporta como un cuerpo negro cuya temperatura superficial es de 5800 ºK. 2. La relación entre la intensidad de la radiación y la temperatura del cuerpo negro está descripta por la Ley de Stefan-Boltzmann Boltzmann. E = σt 4 (Wm -2 ) σ = 5.67 * 10-8 W m -2 K La densidad de energía radiante desde el cuerpo negro para una longitud de onda a la tempratura T depende de la longitud de onda y de la temperatura, según la ley de radiación de Planck: E, T 8 hc 5 e 1 hc ( ) kt 1 (Wm - 2 µm - 1 ) k constante de Boltzmann ( erg K-1 4. La longitud de onda del máximo de emisión para una determinada temperatura está dada por la ley de desplazamiento de Wien. m = hc/kt (se obtiene igualando a cero la derivada con respecto a de la ecuación anterior)

20 Leyes de la radiación em: Ley de desplazamiento de Wien max 2897 T Donde λ max está en micrones y T en grados Kelvin. Para el sol, T = 5780 ºK, entonces λ max =0.5μm. Para la tierra (promediada verticalmente) es aproximadamente T = 255 ºK, entonces λ max igual a 11 micrones.

21 Preguntas El máximo de emisión el sol a qué zona del espectro em corresponde? Qué sistemas miden en esta región del espectro em? El máximo de emisión de la tierra? Qué sistemas miden en esta región del espectro em? Puedo determinar la longitud de onda para monitoreo de incendios forestales?

22 Leyes de la radiación em en el visible (2) (3) (1) Vemos los objetos alrededor nuestro porque reflejan la luz que los irradia como la luz del sol o de una fuente artificial. Algunas substancias como la nieve fresca tienen alto nivel de reflexión, otras como suelo húmedo un nivel mucho más m s bajo. Los objetos no producen radiación EM visible.. Si no hay luz incidente en el objeto no lo vemos. (4) Leyes de la reflexión (5) El hecho de que diferentes objetos reflejen de distinto modo hace posible que los podamos diferenciar. Los sensores se diseñan para ser sensibles a la energía reflejada por la superficie.

23 Leyes de la radiación em (2) (3) (1) Pero si calentamos una pieza de metal, a partir de una cierta temperatura, se empieza a ver aún en la oscuridad con un color rojo. Esto está indicando que el metal EMITE radiación visible a nuestros ojos. La radiación de un objeto está asociada a su temperatura. Esta debe ser alta para que la radiación que emite la podamos ver. Los objetos no producen radiación EM visible. Sino hay luz incidente en el objeto no lo vemos. Leyes de la emisión (4) Los objetos a temperatura ambiente también emiten su propia radiación EM, pero en un rango de longitudes de onda que no es visible al ojo humano. (5) Esto muestra la importancia que tiene la temperatura en la radiación emitida. Algunos sensores son sensibles a la radiación emitida por las substancias (infrarrojo térmico).

24 Preguntas Cuál es mayor, la longitud de onda del rojo o del azul; y en el caso de la frecuencia y la energía? Qué zona del espectro EM cubre un mayor rango de longitudes de onda, el visible o el infrarrrojo? Puedo conocer la polarización de la radiación EM proveniente del sol? Podemos ver la radiación emitida por objetos de la superficie terrestre? Podemos ver la radiación emitida por el sol?

25 Preguntas A qué temperaturas debe emitir un objeto para generar luz visible?