Tema 2. La radiación electromagnética (REM) Teledetección 2º Curso de IT en Topografía EPS Jaén

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1 Tema 2. La radiación electromagnética (REM) Teledetección 2º Curso de IT en Topografía EPS Jaén

2 1. Movimiento ondulatorio 2. La radiación electromagnética (REM) 3. El espectro electromagnético 4. Terminología radiométrica 5. Teoría cuántica 6. Leyes de la radiación Teledetección Curso 2007/08 Prof. Tomás Fernández 27/02/2008 2

3 Mov. ondulatorio Definición Radiación electromagnética: Propagación de energía a través de un medio o el vacío mediante ondas Onda: perturbación que se propaga en el espacio con velocidad v por la modificación de una magnitud que depende del tiempo Movimiento ondulatorio sinusoidal Y= F (x,t)= A 0 sen k (x-vt) Longitud de onda (λ): Distancia entre dos puntos que presentan igual perturbación (máximos, nulos, etc.) (dominio del espacio) Teledetección Curso 2007/08 Prof. Tomás Fernández 27/02/2008 3

4 Mov. ondulatorio Tipos Periodo (T): Intervalo de tiempo entre dos perturbaciones consecutivas en un punto dado (dominio del tiempo) Frecuencia (ν): Número de perturbaciones por unidad de tiempo, es la inversa del periodo (ν=v/λ) Frente de onda: Superficie alcanzada por la perturbación en un momento determinado Tipos de ondas: longitudinales (la dirección de vibración y de propagación coinciden) y transversales (son perpendiculares Teledetección Curso 2007/08 Prof. Tomás Fernández 27/02/2008 4

6 La REM Definición La energía radiante se genera por transformación de otros tipos de energía (potencial, cinética, gravitatoria, etc.) Los cuerpos están compuestos de partículas elementales cargadas eléctricamente (protones y electrones, entre otras) Todo cuerpo cargado eléctricamente induce en el espacio que le rodea un campo electromagnético La fuerza ejercida por el campo sobre una carga q que se mueve a velocidad v es: F= q (E + v B) Teledetección Curso 2007/08 Prof. Tomás Fernández 27/02/2008 6

7 La REM Leyes de Maxwell Experimentalmente se observó que electricidad y magnetismo eran dos fenóemnos relacionados (Oersted, Faraday ) Maxwell consiguió unificar ambos fenómenos en cuatro ecuaciones, a partir de las que se definen tres propiedades de la propagación de la radiación electromagnética en el vacío La perturbación se propaga en el espacio a una velocidad constante de 3*10 8 m/s. Esto es un invariante universal (teoría de la relatividad) Los campos eléctrico y magnético está en fase Los campos eléctrico y magnético son perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación (ondas transversales) Teledetección Curso 2007/08 Prof. Tomás Fernández 27/02/2008 7

8 La REM Generación de REM Radiación es el proceso físico de generador de energía radiante o energía transportada por las ondas E-M La radiación E-M se produce por la transformación de otras formas de energía (eléctrica, térmica, química, cinética, nuclear...) Dependiendo de la energía disponible se generará una radiación de mayor o menor energía (de acuerdo con E=hν) La coherencia de la radiación (bandas estrechas de longitudes de onda) se puede lograr mediante algunos mecanismos generadores: Ondas de radio: Se generan en osciladores en los que un conductor (antena) es recorrido por una corriente eléctrica alterna Luz visible en tubos fluorescentes por circulación de corriente de electrones que excitan paredes de fosforo En el láser se genera un haz coherente por emisión inducida y máser (láser de microondas) Un mecanismo muy frecuente es la transformación de energía térmica en radiante (calentamiento produce vibración de átomos y ésta genera REM) A medida que aumenta la temperatura aumenta la frecuencia de la radiación (infrarrojos, visible, ultravioleta...) Otros mecanismos: reacciones nucleares, etc. Teledetección Curso 2007/08 Prof. Tomás Fernández 27/02/2008 8

10 El espectro EM Frecuencia (Megahertzios) Longitud de onda (m) Rayos Cósmicos E liberada transicion nucleares Rayos Gamma E liberada reacciones nucleares. (partículas alfa) Rayos X E liberada por emisión de e- internos del átomo Escasa utilidad en Teledetección: Gran opacidad de la atmósfera a estas radiaciones de gran energía , Rad. U-V Desplazam. de e- dentro del átomo Cambio de nivel ener. Comp. atmosf 10-7 IR Pr IR Me Sens. pasivos de reflexión 10-6 Infrarrojo Térmico Fenómenos de rotación y vibración molecular Sensores pasivos en espectro de emisión 10-5 Microondas Fenómenos de rotación molecular. Dispositivos electrónicos Radiómetros pasivos Radar (activo) Bandas de radio Oscilación de equipos electrónicos Comunicación de datos 0,001 0,01 0, , , , Nanómetros (nm) Micrómetros (µm) Milímetros (mm) Metros (m) LUZ VISIBLE AZUL VERDE ROJO 0,4 0,5 0,6 0,7 Micrómetros µ (m) Nanómetros (nm) Teledetección Curso 2007/08 Prof. Tomás Fernández 27/02/

11 1. Movimiento ondulatorio 2. La radiación electromagnética (REM) 3. El espectro electromagnético 4. Terminología radiométrica 5. Teoría cuántica 6. Leyes de la radiación Teledetección Curso 2007/08 Prof. Tomás Fernández 27/02/

12 Terminología Energía radiante Energía radiante (Q): Energía transportada por la onda E-M procedente del emisor (J) Densidad de energía radiante (W): Cantidad de energía por unidad de volumen (J/m 3 ) Flujo radiante (φ): Cantidad de energía por unidad de tiempo (J/s=W) Densidad de flujo radiante: Emitancia radiante (M): Energía emitida desde unidad de área por unidad de tiempo (W/m 2 ) Irradiancia radiante (E): Energía radiada sobre unidad de área por unidad de tiempo (W/m 2 ) Teledetección Curso 2007/08 Prof. Tomás Fernández 27/02/

13 Tema 2. Radiación electromangética Terminología Radiancia Intensidad radiante (I): Flujo radiante emitido por fuente puntual por unidad de ángulo sólido (W/sr) Radiancia (L): Intensidad radiante emitida desde una fuente superficial a una determinada dirección por unidad de área proyectada perpendicularmente a esa dirección (W/sr*m2) Todas estas magnitudes pueden llevar el apellido espectral, entendiendo que corresponden a la radiación de una λ dada Teledetección Curso 2007/08 Prof. Tomás Fernández 27/02/

15 Teoría cuántica Teorías de la luz Fenómeno conocido desde antiguo, se definieron las leyes de su comportamiento como la reflexión, la refracción (Snell) Dos teorías en el siglo XVII: En la teoría corpuscular (Newton) se definió la luz como un chorro de partículas, lo que explicaba la reflexión, la refracción, la intensidad En la teoría ondulatoria (Huygens) se defición la luz como una onda, lo que explicaba la difracción, además de la reflexión y la refracción El experimento de Young (1803) de las dos rendijas pareció decantarse por la naturaleza ondulatoria de la luz, porque explicaba la interferencia La teoría electromagnética de Maxwell y experimentos posteriores definen a la luz como una onda electromagnética (unificar electricidad, magnetismo y luz) Teledetección Curso 2007/08 Prof. Tomás Fernández 27/02/

16 Teoría cuántica Teoría cuántica A principios del siglo XX, fenómenos como la catástrofe ultravioleta, o efectos como el fotoeléctrico y Compton recuperan la teoría cuántica de la luz Si se calienta un horno, la teoría clásica del electromagnetismo establece que no habría límite a la energía en forma de radiación electromagnética generada Por otra parte, a más temperatura, mayor energía y frecuencia de la radiación Este contrasentido sólo se soluciona si suponemos que para generar ondas con una determinada frecuencia hay que superar un umbral de energía El efecto fotoeléctrico supone que una luz de una determinada intensidad (amplitud) produce una corriente de una intensidad proporcional a la de la luz Sin embargo, lo que no explica la teoría clásica es que la velocidad o energía de los electrones depende de la frecuencia de la luz y no de su intensidad Se explica con una teoría cuántica en la que cada fotón hace saltar un electrón sólo si supera un umbral de frecuencia, con una velocidad proporcional a ella Teledetección Curso 2007/08 Prof. Tomás Fernández 27/02/

17 Doble naturaleza de la luz Teoría cuántica explica la interacción de la energía radiante con la materia Teoría ondulatoria clásica explica los fenómenos de propagación de la luz Un cuerpo radiante podemos entenderlo como formado por un gran número de osciladores (cargas con movimiento periódico) Los osciladores vibran en todas las frecuencias posibles La energía emitida por un oscilador tiene lugar en forma de granos, corpúsculos o paquetes de energía (fotones) n: número entero (1, 2, 3...) h: constante de Planck ν: frecuencia de la radiación E=nhν Naturaleza discontinua de la radiación o la energía Cuerpo negro: Emisor y receptor perfecto de energía E-M Absorbe y posteriormente emite toda la energía sin reflejarla Esfera hueca con un orificio recubierta de negro de humo Teoría cuántica Cuerpo negro Teledetección Curso 2007/08 Prof. Tomás Fernández 27/02/

18 Teoría cuántica Fuerzas y materia Cuatro fuerzas o interacciones Gravitatoria: fuerza y energía gravitatoria (potencial, cinética,.) Electromagnética (magnetismo, electricidad, luz, calor, ) Nuclear fuerte: mantiene a los quarks unidos en núcleo (energía nuclear) Nuclear débil: transformar bariones (descomposición radiactiva) Materia: Atomos: Modelo de Rutherford (núcleo y electrones) y Bohr (orbitales) Núcleo formado de hadrones: protones y neutrones (bariones) y mesones Protones y neutrones: quarks (up, down, ). Mesones (quark y antiquark) Modelo standard incluye fermiones como quarks y electrones (leptones) y bosones como gravitones, fotones, gluones y bosones W y Z. Unificación: Fuerza electrodébil Gran Unificación (GUT): Electrodébil y fuerte (cromodinámica cuántica) Teorías de todo (TOE): Teoría de cuerdas (superstrings), incorporar la gravedad y unificar materia, fuerzas e incluso tejido del tiempo y espacio Teledetección Curso 2007/08 Prof. Tomás Fernández 27/02/

20 Leyes radiación 1ª Ley 1ª: Ley de Planck: Relaciona la emitancia radiante espectral del cuerpo negro con la longitud de onda y la temperatura absoluta M (λ,t): Emitancia radiante espectral (W/m2*µm) h: Constante de Planck (6,625*10-34 J*s) c: Velocidad de la luz en el vacío (3*108 m/s) k: Constante de Boltzman (1,38*10-23 J*K-1) e: Base de los logaritmos neperianos T: Temperatura absoluta del cuerpo negro (K) λ: Longitud de onda de la radiación La ley expresa que: M ( λ,t) 2πhc 2 = λ 5 (e (hc / λkt ) 1 Cualquier cuerpo negro cuya T>0 radia energía E-M La cantidad de energía aumenta con la T A mayor T, mayor frecuencia, y por lo tanto menor λ Teledetección Curso 2007/08 Prof. Tomás Fernández 27/02/

21 Leyes radiación 1ª Ley Teledetección Curso 2007/08 Prof. Tomás Fernández 27/02/

22 Leyes radiación 2ª Ley 2ª: Ley de desplazamiento de Wien: Establece la longitud de onda en la que la emitancia es máxima para una determinada temperatura del cuerpo negro dm( λ,t) dλ = 0 ; λm,max = 0,2014 hc kt = C o T donde Co=2898µm*K Según esta ley: A mayor temperatura se produce una radiación con menor longitud de onda En Teledetección resulta útil para seleccionar la banda espectral empleada para detectar un fenómeno del que se conoce la T Teledetección Curso 2007/08 Prof. Tomás Fernández 27/02/

23 Leyes radiación 3ª Ley 3ª: Ley de Stefan-Boltzmann: Establece que la emitancia radiante es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo negro M λ λ = M 0 (,T) d = υt 4 M: Emitancia radiante en todo el espectro (W/m2) υ: Constante de Stefan-Boltzmann (5,7*10-8 W*m-2*K-4) Según esta ley pequeños cambios de temperatura implican grandes modificaciones de la energía emitida Teledetección Curso 2007/08 Prof. Tomás Fernández 27/02/