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SECCION 2

2. FUENTES DE ENERGIA E INTERACCIONES

Para entender como opera la percepción remota, es necesario entender algunos de los principios fisicos que la hacen posible. Esto requiere conocimientos de, la radiación electromagnética (EMR) y sus interacciones con varios componentes del medio ambiente. Los elementos involuerados para obtener una señal remotamente percibida son: la fuente de energía, la atmósfera, el objetivo y el sensor. Esta sección se enfoca a los primeros tres de estos elementos. Los sensores e interpretación de las señales serán explorados en secciones posteriores.

2.1 Radiación Electromagnética y sus Propiedades

La radiación electromagnética es una forma de energía que puede ser únicamente observada por su interacción con la materia. La EMR está hecha de componentes eléctricos y magnéticos y es afectada por las propiedades eléctricas y magnéticas de la materia con la cual entra en contacto. Dos hipótesis son generalmente utilizadas para describir el comportamiento de la EMR: el modelo de onda y el modelo de particulas. Ambos modelos son válidos y ambos son importantes para percepción remota: para especialistas en aplicaciones, sin embargo, el modelo de onda es generalmente favorecido.

La Figura 2.1 ilustra una serie de ondas electromagnéticas viajando a través del espacio. Los componentes eléctricos y magnéticos están en fase siempre perpendiculares a sí mismos al igual que perpendiculares a la dirección del viaje. Por esta razón, es más simple pensar en la onda de una entidad simple sin distinguir entre losdos componentes. La orientación de la onda (esto es, el plano a lo largo del cual viaja) es referido como la polarización. La EMR producida naturalmente contiene ondas que son aleatoriamente polarizadas; filtros polarizantes pueden ser utilizados para seleccionar dichas ondas que tienen ser orientación particular. Fuentes de EMR contruídas por el hombre tales como los sistemas de radar, algunas veces producen ondas con una polarización simple usualmente vertical u horizontal con respecto a la superficie. Algunos tipos de materiales pueden ser distinguidos por su tendencia a depolarizar estas ondas.

La distancia física de la cresta de una onda a la siguientes es 11 amada la longitud de onda y es usualmente designada con la letra griega lambda (λ). El número de longitudes de onda pasando a través de un punto en el espacio en un período específico de tiempo, es llamado la frecuencia y es designado con la letras f o r. Dado que cada longitud de onda representa un ciclo completo de la onda, la frecuencia es generalmente expersada como el númo de ciclos por segundo o llertz (Hz). Un Hertz es igual a un ciclo por segundo.

Independientemente de su longitud de onda, todas las EMR viajan a la misma velociad (c), que en el vacío es aproximadamente 300 millones de metros por segundo. La relación entre la velocidad, la longitud de onda y la frecuencia está dada por:

c = λ f

Es por lo tanto posible determinar ya sea la frecuencia o la longitud de onda de una onda electromagnética, dado que el otro valor es conocido. El cambio en la velocidad de la EMR, cuando ésta pasa de un medio o otro, es definida como refracción. Para la mayoría de los propósitos, sin embargo, la velocidad (c) puede ser considerada como una constante.

Figura 2.1

Figura 2.1  Onda electromagnética y sus componentes.

Con la excepción de algunos sistemas de radar, la longitud de onda más que la frecuencia, es más comúnmente utilizada para describir la EMR. La Figura 2.2 ilustra cómo diferentes porciones del espectro electromagnético son designados en términos de bandas de longitud de onda. Las bandas de interés para percepción remota son las siguientes:

i)    la ultravioleta fotográfica, con logitudes de onda entre . 3 y. 4 micrómetros (μm) (300–400 nanómetros): la radiación ultravioleta de longitud de onda más coria es absorbida pol el ozono en la parte alta de la atmósfera:

ii)    la visible, con longitudes de onda entre .4 y .7μm ; esta región contiene todos los colores de la luz que pueden ser percibidos por el ojo humano;

iii)    la infrarroja cercana con longitudes de onda entre 0.7 y 3 μm; aunque no es visible, esta radiación puede ser detectada por películas con emulsiones sensitivas infrarojas en el rango de 0.7 a 1.3 μm;

iv)    la infrarroja media, con longitudes de onda entre 3 μm y 8 μm; como en las longitudes de onda más corta, la energía en esta región es primariamente de la energía del sol reflejada y no contiene información de las propiedades térmicas de los materiales:

v)    la infrarroja lejana (térmica), con longitudes de onda desde 8 hasta 1000 μm; esta región incluye la radiación terrestre relacionada a la emisión térmica;

iv)    la microonda, con longitudes de onda entre 1 milímetro y 100 centímetros; esta región puede ser utilizada para medir la emisión terrestre pero es también importante para sensores activos tales como sistemas de radar.

Figura 2.2

Figura 2.2   Espectro electromagnético mostrando las bandas empleadas en percepción remota.

Debe ser entendido que estas divisiones son arbitrarias y que el espectro electromagnético, por definición, es un continuo de energías que va desde kilómetros hasta nonómetros de longitud de onda. Las ondas viajan a 3 × 108 metros por segundo y son capces de propagarse a través de un vacío tal como el espacio exterior. Las categorias generales que se mencionaron anteriormente pueden subdividirse aún más. Dentro de la banda visible, por ejemplo, longitudes de onda entre 0.4 y 0.5 μm corresponden aproximadamente a la luz azul, aquellas entre 0.5 y 0.6 μm a la luz verde, y entre 0.6 y 0.7 μm a la luz roja. Una discriminación mucho más fina es también posible dependiendo de la resolución espectral del sensor específico en uso.

Mientras que el modelo de onda es más apropiado para describir cómo la EMR viaja a través del espacio, el modelo de partículas es mejor para explicar cómo es detectada y medida. De acuerdo con el modelo de partículas la EMR es emitida en unidades discretas llamadas cuantos o fotones. Cuando un fotón emitido por un objeto alcanza un sensor causa una reacción física que puede ser amplificada y medida. Esta puede ser la exposición a granos de plata haloide en una película de emulsión o una señal de voltaje en un sistema electrónico. La teoría cuántica de Planck, establece que la energía de un fotón puede ser descrita por:

E = hf

donde: E = monto de la energía en Joules,

h = constante de Planck que es igual a 6.626 × 10-34 Joules-segundos y

f = frecuencia de la radiación.

Es por tanto claro que mientras más alta la frecuencia de la EMR, más energía que facilita su detección. Adicionalemente, la relación entre velocidad, longitud de onda, y frecuencia (c = λf) indica que mientras más corta la longitud de onda, mayor el monto de energía disponible. Dado que hay menos energía en las bandas de longitudes de onda más grande, generalmente, los sensores que operan en estas regiones tienen una resolución espacial más cruda dado que deben de recolectar fotones de un área más amplia para poder recihir una señal medible.

Con excepción de sistemas de sensores activos que proporcionan su propia iluminación, la percepción remota se sustenta en la radiación de fuentes naturales. Ya sea que se esté tratando de radiación solar reflejada o con radiación emitida directamente de la superficie de la tierra y de la atmósfera, es importante entender ciertos principios fundamentales. Toda la materia que está a una temperatura mayor que el cero absoluto (273° C ó 0° Kelvin) constantemente emite radiación electromagnética. El monto de la EMR que es emitida por un objeto y su distribución espectral (esto es, el rango de la longitud de onda), puede ser gráficamente descrita por una curva de emitancia espectral como se muestra en la Figura 2.3. Esta figura es para un objeto hipotético e idealizado llamado un cuerpo negro capaz de absorber y reemitir toda la energía que recibe independientemente de la longitud de onda.

Hay dos relaciones que describen la cantidad y las caracteristicas espectrales de la EMR emitida por un cuerpo negro como una función de la temperatura. La Ley de Stefan Boltzmann establece que la emitancia randiante se incrementa enla medida que la cuarta potencia de la temperatura se incrementa, mientras que la Ley de Desplazamienta la emisión alcanza un pico en longitudes de onda progresivamente más cortas. El cambio de longitudes de onda con la temperatura, puede ser observado cuando una pieza de metal es calentada: cuando está fría, emite luz no visible, pero en la medida que se va calentando, comienza a emitir una brillantez roja obscura, luego naranja, luego amarilla y finalmente blanca en temperaturas altas.

Figura 2.3

Figura 2.3   Gráfica de la radiancia de un cuerpo negro respecto a la longitud de onda, con temperatura como variable. (Después de T.M. Lillesand y R.W. Kiefer, 1979).

A pesar de que los cuerpos negros son hipotéticos, los materiales reales generalmente exhiben un patrón similar de emisión, cuando menos dentro de ciertos rangos de longitud de onda. Estos materiales sin embargo, emiten menos EMR de la que podría ser emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura. El cociente de emisión teórica y real es referido como la emisividad del material. Dadas las diferencias en emisividad, es algunas veces posible distinguir entre dos materiales que tienen la misma temperatura superficial, debido a la diferencia en el monto de radiación que emiten.

La radiación del sol puede ser aproximada por la curva de emisión espectral de un cuerpo negro a 6,000° Kelvin, mientras que la radiación terrestre (considerada como un todo) se asemeja a la de un cuerpo negro a 300° Kelvin. La radiación solar alcanza su máximo alrededor de 0.5 micrómetros (500 nm) en la porción visible del espectro, mientras que el pico de la energía de la energía de la tierra es aproximadamente 9.7 micrómetros en el infrarrojo térmico. Por lo tanto, si uno está interesado en estudiar fenómenos que únicamente pueden ser observados en longitudes de onda corta, la recolección de datos es generalmente restringida a horas con luz del día (siendo la detección de bioluminiscencia la excepción), o restringida al uso de un sensor activo.

2.2 Interacciones Atmosféricas

La energía que recibe un sensor desde un objetivo de interés debe pasar a través de la atmósfera. Los componentes gaseosos y las partículas de materia dentro de la atmósfera, pueden afectar la intensidad y la distribución espectral de la energía y pueden impedir la observación de características de la superficie. La magnitud de los efectos atmosféricos dependen de factores tales como la longitud de la ruta, la longitud de onda siendo observada y las variaciones diarias de las condiciones atmosféricas. En el caso de la energía reflejada, la atmósfera interviene entre la fuente de iluminación y el objetivo, así como también entre el objetivo y el sensor. Para longitudes de onda emitidas, la situación es más sencilla dado que el objetivo es la fuente de iluminación.

El efecto atmosférico más fácilmente discernible en longitudes de onda visibles, es el de difusión. La difusión es simplemente la reflexión de la energía por partículas en la atmósfera; mientras que las partículas individuales son pequeñas, su efecto neto puede ser bastante significative si están presentes en cantidades apreciables. La difusión de Rayleigh es causada por molécules atmosféricas y partículas diminutas que son considerablemente más pequeñas que las longitudes de onda de la radiación a la que afectan. Este tipo de difusión ocurre primariamente en las porciones ultravioleta y azul del espectro y, de hecho, es responsable por la apariencia azul del cielo durante el día. Es también una de las principales causas de neblina en las imágenes. la difusión de Mie es cnusada por partículas esféricas tales como polvo o vapor de agua, que son aproximadamente del mismo tamaño que la longitud de onda a la cual afectan. A pesar de que la difusión de Mie ocurre a lo largo del espectro fotográfico (ultravioleta a infrarrojo cercano) tiende a afectar longitudes de onda más largas que las que afecta la relexiones múltiples de Rayleigh. Cuando la EMR se encuentra con particulas que son varias veces más grandes que las longitudes de onda afectadas, ocurre una reflexión múltiple no selectiva. El término no selective significa que todo lo reflejado de las longitudes de onda solar son afectadas más o menos igualmente. Las gotas de agua en nubes o los bancos de niebla son difusiones no selectivas; ellas aparentan ser blancas porque todas las longitudes de onda visibles son reflejadas. Debido a sus longitudes de onda larga, los sensores de microondas no son afectados por las reflexiones múltiples atmosféricas y son por lo tanto capaces de “ver” a través de las nubes.

Debido a las reflexiones múltiples, la energía que es recibida por el sensor incluye reflexiones tanto de la atmósfera como del objetivo. El componente de reflexión atmosférico es referido como la ruta de radiancia y se requieren algoritmos complejos para corregir este efecto. En el caso de difusiones no selectivas, como las nubes, ninguna radiación del objetivo alcanza al sensor, cuando menos en las bandas visible e infrarroja. En el caso de las difusiones de Raleigh y Mie es posible medir la influencia de la radiancia de ruta a través de la observación de objetos muy obscuros, que reflejan relativamente poca energía, en varias bandas adquiridas al mismo tiempo. Visualmente, el efecto de relexiones múltiples es una imágen más difusa con menor contraste global.

A diferencia de las reflexiones múltiples que redirigen la EMR y causan una pérdida de detalle, la absorción atmosférica realmente reduce el monto de energía en ciertas bandas de longitud de onda. A pesar de que la atmósfera es esencialmente transparente en la porción visible del espectro, hay varias regiones en las cuales es parcial o totalmente opaco. Varios componentes gaseosos en la atmósfera absorben o “toman” energía en estas longitudes de onda que son llamadas bandas de absorción. La Figura 2.4 ilustra el porcentaje de la EMR que puede pasar a través de la atmósfera como una función de la longitud de onda. Los sistemas de sensores están únicamente diseñados para operar en ventanas atmosféricas, regiones no absorbentes del espectro donde la transmisión es alta.

Cuando moléculas de gas absorben la EMR, su nivel de energía es incrementado; esta energía es subsecuentemente reemitida como calor la cual es radiación térmica infrarroja. Las emisiones atmosféricas pueden degradar la señal que alcanza a un sensor desde un objetivo de manera muy parecida en la que las reflexiones múltiples afectan a la enería reflejada. De nuevo, es posible corregir este efecto a través de comparar mediciones realizadas simultáneamente en diferentes bandas.

Figura 2.4

Figura 2.4  Transmisión de energía a través de la atmósfera como una función de la longitud de onda. Las regiones de longitud de onda de alta transmitancia son ventanas atmósfericas. Los gases responsables de la absorción son especificados.

2.3  Interacciones del Objetivo

Cuando la EMR interacciona con la materia puede ser reflejada, absorbida o tansmitida. En la sección previa, estas interacciones fueron discutidas en referencia a la atmósfera. La percepción remota, sin embargo, se ocupa primariamente de cómo la EMR es modificada por los medios terrestre y marino. En algunos aspectos las interacciones terrestres son más fáciles de describir, ya que, en la mayoría de los casos, éstas se llevan a cabo en la superficie de la tierra donde la transmisión no es un factor significativo. En el medio ambiente marino, por otra parte, ciertas longitudes de.onda son transmitidas; la energía que alcanza al sensor puede provenir de la superficie del agua, de substancias en la columna de agua, o bien de materiales del fondo marino.

La reflexión de energía desde una superficie, es generalmente descrita como especular o difusa (referirse a la Figura 2.5). La reflexión especular ocurre cuando la energía que es reflejada por la superficie, continúa viajando en una dirección y el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia. Este es el tipo de reflexión que es observada en espejos o desde superficies tranquilas del mar, en longitudes de onda visibles. En la reflexión difusa, la energía reflejada, en contraste, es rota o esparejda en todas direcciones. En realidad, la mayoría de las superficies no son reflectores ni perfectamente especulares ni perfectamente difusos sino que caen en algún punto entre estos dos extremos.

Con fines de percepción remota, es el contenido espectral de la relfexión difusa el que generalmente provee la mayor parte de la información, cuando menos con respecto a la composición de los materiales de la superficie. La reflexión especular, sin embargo, puede ser util en la caracterización de la aspereza de la superficie y de la geometría de diferentes áreas. De hecho, es la característica de aspereza de la superficie relativa a la longitud de onda de la energía incidente la que, junto con el ángulo de incidencia, determina si una superficie es un reflector especular o difuso. El destello brillante de la luz del sol reflejado en aguas calmadas es un ejemplo de reflectancia especular; en la medida que la superficie del agua se hace más áspera, la reflectancia se hace más difusa a menos que el sol esté bajo en el horizonte. Al medir la aspereza relativa del agua, puede ser posible inferir la velocidad del viento. Más aún, superficies que son reflectores difusos en una longitud de onda, pueden ser reflectores especulares en longitudes de onda más larga. Mediciones simultáneas realizadas e?i longitudes de onda pueden por lo tanto ser utilizadas para diferenciar por ejemplo, entre playas de arena y grava o entre hielo suave o áspero.

Figura 2.5

Figura 2.5   Reflexión especular y difusa del radar. (Después de T.E. Avery y G.L. Berlin, 1986).

En la mayoría de las aplicaciones, sin embargo, la reflectancia especular, es un impedimento más que una ventaja. Es el patrón de reflectancia espectral , más que la aspereza de la superficie, el que usualmente permite una determinación de os procesos químicos o biológicos que estan activos en la superficie. Cuando la EMR alcanza un objeto, algunas de las longítudes de onda son reflejadas mientras que otras son absorbidas o transmitidas. En el espectro visible esta reflectancia selectiva de ciertas longitudes de onda es percibida como color. La cantidad de energía que es reflejada por un objeto en diferentes longitudes de onda (relativa a la energía que recibe) es denominada la reflectancia espectral que es una propiedad intrínseca de cada material. Las caracteristicas de reflectancia de diferentes materiales pueden ser ilustradas gráficamente en una curva de reflectancia espectral como se muestra en la Figura 2.6. En esta figura se dan valores de reflectancia típica para agua de océanos y petróleo crudo. Como puede obsevarse en ciertas longitudes de onda, algunos materiales pueden ser fácilmente distinguidos mientras que en otras pueden parecer bastante similares. Idealmente, sería deseable encontrar una banda única que permitiera que sean separadas lodas las carac terísticas; de interés. En la práctica esto no es siempre posible. Es por tanto necesario, tener mediciones simultáneas desde varias bandas. Cuando es necesario distinguir dos o más características con curvas similares de reflectancia espectral, tales como especies de plantas diferentes, es posible adquirir datos desde una banda muy estrecha donde las diferencias en reflectancia son maximizadas. Alternativamente, puede ser posible utilizar sistemas de sensores que sean sensitivos a pequeños cambios en los valores de la reflectancia, es decir que tengan una resolución radiométrica fina. Estas técnicas pueden ser utilizadas para detectar variaciones o cambios dentro de un tipo dado de material.

Figura 2.6

Figura 2.6   Reflectancia espectral de agua del océano y de una capa delgada de petróleo crudo. (Después de F.F. Sabins, Jr., 1978).

Para materiales que no transmiten la EMR, la energía incidente que no es reflejada es absorbida. Al igual que en la atmósfera, la energía absorbida, es subsecuentemente reemitida usualmente como calor. Como se describió previamente, el monto de energía que es emitido es una función de la temperatura y de la emisividad del material (referirse a la Figura 2.7). Dado que la tierra emite más fuertemente en la región infrarroja térmica y dado que la emisividad del agua es esencialmente constante en este rango, se pueden utilizar medidores infrarojos para determinar la temperatura del agua superficial con un grado razonable de precisión si las mediciones son calibradas. Aunque estas mediciónes pueden también realizarse para materiales terrestres, las variaciones en emisividad de un material a otro hacen que la determinación de la temperatura absoluta, más que relativa, sea mucho más díficil de realizarse. Debe hacerse notar que la energía es únicamente emitida desde la superficie y que las condiciones superficiales pueden ser muy diferentes. Por ejemplo, un pelicula de aceite en la superficie del agua parecerá ser más fría que el agua libre de aceite a la misma temperatura, ya que el aceite tiene una más baja emisividad. Esta característica puede ser utilizada para detectar descargas no autorizadas o para operaciones de limpieza directa.

Figura 2.7

Figura 2.7    Efecto de las diferencias de emisividad en la Temperatura radiante. (Después de F.F. Sabins, Jr., 1978).

Hay otro tipo de emisión, llamado fluorescencia, en la cual la radiación absorbida es reemitida a longitudes de onda más larga sin que sea primeramente convertida en energía térmica. Muchos minerales fluorescen en el espectro visible cuando son expuestos a radiación ultravioleta. Las longitudes de onda emitidas por materiales fluorescentes son generalmente un número bien estrecho y bien definido de bandas que son características de materiales específicos. Para aplicaciónes marinas, la fluorescencia puede ser utilizada para identificar clorofila, algas y varios tipos de contaminantes. La fluorescencia ocurre naturalmente debida a la radiación solar, o bien esta puede ser inducida por sensores activos equipados con lasers. Para poder detectar fluorescencia, sin embargo, es necesario tener un sensor con resolución espetral lo suficientemente fina.

La transmisión de la EMR a través del agua es importante cuando se necesita información sobre las condiciones o fenómenos debajo de la superficie. La transmisión, sin embargo, es esencialemente limitada al espectro visible y es mayor en las longitudes de onda azul y verde (referise a la Figura 2.8a). Como era esperado, hay mayor transmitancia a través de agua clara que a través de agua turbia (referise a la Figura 2.8b). Es quizá menos obvio que los picos de transmitancia cambien a longitudes de onda ligeramente más largas en la medida que el agua se hace más turbia. La transmitancia puede ser alterada por ciertos materiales orgánicos tanto naturales como elaborados por el hombre.

La energía que es detectada por un sensor puede ser reflejada por la superficie del agua por partículas suspendidas en la superficie del agua o por materiales del fondo. En la medida que el porcentaje de luz que es transmitido decrece, la habilidad de “ver” en el agua es también decrecida ya que la energía es atenuada al acercarse y al retirarse del reflector. Partículas suspendidas producen un efecto de dispersión de volumen que es análogo al causado por aerosoles atmosféricos; si la concentración es relativamente baja, su reflectancia es sobrepuesta a la reflectancia proveniente de materiales del fondo. A altas concentraciones, partículas suspendidas pueden efectivamente bloquear transmisiones hacia o desde bajas profundidades. En la ausencia de reflexiones de fondo, la reflectancia del agua puede ser utilizada para medir la concentración de materiales suspendidos. La presencia de clorofila es de particular interés para el manejo de pesquerías así como lo es también el índice de productividad primaria. En la medida que el nivel de clorofila se incrementa, existe un decremento en reflectancia entre 0.4 y 0.5μm y a mayores concentraciones hay un incremento de reflectancia en el rango de 0.5 a 0.6 μm. Los sedimentos suspendidos descargados por ríos son partícularmente grandes reflectores. El mapeo de estas plumas de sedimentos es un medio para estudiar los patrones de mezcla y circulación de aguas. Mediciones en las bandas de 0.6 y 0.7μm muestran un alto grado de correlación con concentraciones de sedimentos suspendidos. Sin embargo, dado que se reflejan fuertemente en un amplio rango de longitudes de onda, altas concentraciones de sedimento pueden interferir o impedir mediciones de clorofila.

Diferentes investigadores tienen diferentes áreas de interés. Lo que puede constituir en un estudio “ruido”, puede ser la “señal” en otro. La energía que eventualmente llega a un sensor es reflejada o emitida por una variedad de componentes ambientales.

Figura 2.8a

Figura 2.8a   Absorción de la luz en 10 metros de agua pura como Una función de la longitud de onda. (Después de P.K. Weyl, 1970).

Figura 2.8b

Figura 2.8b   Variación de la transmisión de la luz como una función de la profundidad para varias aguas marinas. (Después de P.K. Weyl, 1970).

Al conocer los patrones de respuesta espectral de estos componentes, es posible determinar las regiones espectrales óptimas para su observación. El medio ambiente marino presenta oportunidades particulares y retos dadas sus caracteristicas espectrales y su naturaleza dinámica. En los siguientes capítulos examinaremos la instrumentación que está disponible para su estudio.


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