Radiacin electromagnticaPara los aspectos tericos, vaseonda
electromagntica.Laradiacin electromagnticaes un tipo decampo
electromagnticovariable, es decir, una combinacin decampos
elctricosymagnticososcilantes, que se propagan a travs del espacio
transportandoenergade un lugar a otro.1La radiacin electromagntica
puede manifestarse de diversas maneras comocalor radiado,luz
visible,rayos Xorayos gamma. A diferencia de otros tipos deonda,
como elsonido, que necesitan un medio material para propagarse, la
radiacin electromagntica se puede propagar en elvaco. En el siglo
XIX se pensaba que exista una sustancia indetectable, llamadater,
que ocupaba el vaco y serva de medio de propagacin de las ondas
electromagnticas. El estudio terico de la radiacin electromagntica
se denominaelectrodinmicay es un subcampo
delelectromagnetismo.ndice[ocultar] 1Fenmenos asociados a la
radiacin electromagntica 1.1Luz visible 1.2Calor radiado
1.3Interaccin entre radiacin electromagntica y conductores
1.4Estudios mediante anlisis del espectro electromagntico
1.5Penetracin de la radiacin electromagntica 1.6Refraccin
1.7Dispersin 1.8Radiacin por partculas aceleradas 2Espectro
electromagntico 3Explicaciones tericas de la radiacin
electromagntica 3.1Ecuaciones de Maxwell 3.2Dualidad onda-corpsculo
4Vase tambin 5Notas 6Enlaces externosFenmenos asociados a la
radiacin electromagntica[editar]Existen multitud de fenmenos fsicos
asociados con la radiacin electromagntica que pueden ser estudiados
de manera unificada, como la interaccin de ondas electromagnticas y
partculas cargadas presentes en la materia. Entre estos fenmenos
estn por ejemplo la luz visible, el calor radiado, las ondas de
radio y televisin o ciertos tipos deradioactividadpor citar algunos
de los fenmenos ms destacados. Todos estos fenmenos consisten en la
emisin de radiacin electromagntica en diferentes rangos de
frecuencias (o equivalentemente diferentes longitudes de onda),
siendo el rango de frecuencia olongitud de ondael ms usado para
clasificar los diferentes tipos de radiacin electromagntica. La
ordenacin de los diversos tipos de radiacin electromagntica por
frecuencia recibe el nombre deespectro electromagntico.Luz
visible[editar]La luz visible est formada por radiacin
electromagntica cuyas longitudes de onda estn comprendidas entre
400 y 700nm. La luz es producida en la corteza atmica de los tomos,
cuando un tomo por diversos motivos recibe energa puede que algunos
de sus electrones pasen acapas electrnicasde mayor energa. Los
electrones son inestables en capas altas de mayor energa si existen
niveles energticos inferiores desocupados, por lo que tienden a
caer hacia estos, pero al decaer hacia niveles inferiores la
conservacin de la energa requiere la emisin defotones, cuyas
frecuencias frecuentemente caen en el rango de frecuencias
asociados a la luz visible. Eso es precisamente lo que sucede en
fenmenos de emisin primaria tan diversos como la llama del fuego,
un filamento incandescente de una lmpara o la luz procedente del
sol. Secundariamente la luz procedente de emisin primaria puede ser
reflejada, refractada, absorbida parcialmente y esa es la razn por
la cual objetos que no son fuentes de emisin primaria son
visibles.Calor radiado[editar]Cuando se somete a algn metal y otras
substancias a fuentes de temperatura estas se calientan y llegan a
emitir luz visible. Para un metal este fenmeno se denomina calentar
"al rojo vivo", ya que la luz emitida inicialmente es
rojiza-anaranjada, si la temperatura se eleva ms
blanca-amarillenta. Conviene sealar que antes que la luz emitida
por metales y otras substancias sobrecalentadas sea visible estos
mismos cuerpos radian calor en forma deradiacin infrarrojaque es un
tipo de radiacin electromagntica no visible directamente por el ojo
humano.Interaccin entre radiacin electromagntica y
conductores[editar]Cuando un alambre o cualquier objeto conductor,
tal como unaantena, conducecorriente alterna, la radiacin
electromagntica se propaga en la misma frecuencia que la
corriente.De forma similar, cuando una radiacin electromagntica
incide en unconductor elctrico, hace que los electrones de su
superficie oscilen, generndose de esta forma una corriente alterna
cuya frecuencia es la misma que la de la radiacin incidente. Este
efecto se usa en las antenas, que pueden actuar como emisores o
receptores de radiacin electromagntica.Vase tambin:Interferencia
electromagnticaEstudios mediante anlisis del espectro
electromagntico[editar]Se puede obtener mucha informacin acerca de
las propiedades fsicas de un objeto a travs del estudio de su
espectro electromagntico, ya sea por la luz emitida (radiacin de
cuerpo negro) o absorbida por l. Esto es laespectroscopiay se usa
ampliamente enastrofsicay qumica. Por ejemplo, los tomos
dehidrgenotienen una frecuencia natural de oscilacin, por lo que
emiten ondas de radio, las cuales tiene una longitud de onda de
21,12cm.Vase tambin:EspectrofotometraPenetracin de la radiacin
electromagntica[editar]En funcin de la frecuencia, las ondas
electromagnticas pueden no atravesar medios conductores. Esta es la
razn por la cual las transmisiones de radio no funcionan bajo el
mar y los telfonos mviles se queden sin cobertura dentro de una
caja de metal. Sin embargo, como la energa no se crea ni se
destruye, cuando una onda electromagntica choca con un conductor
pueden suceder dos cosas. La primera es que se transformen encalor:
este efecto tiene aplicacin en los hornos demicroondas. La segunda
es que sereflejenen la superficie del conductor (como en
unespejo).Refraccin[editar]La velocidad de propagacin de la
radiacin electromagntica en el vaco esc. La teora electromagntica
establece que:
siendoylapermitividad elctricay lapermeabilidad magnticadel vaco
respectivamente.En un medio material la permitividad elctricatiene
un valor diferente a. Lo mismo ocurre con la permeabilidad
magnticay, por tanto, la velocidad de la luz en ese medioser
diferente ac. La velocidad de propagacin de la luz en medios
diferentes al vaco es siempre inferior ac.Cuando la luz cambia de
medio experimenta una desviacin que depende del ngulo con que
incide en la superficie que separa ambos medios. Se habla,
entonces, de ngulo incidente y ngulo de transmisin. Este fenmeno,
denominadorefraccin, es claramente apreciable en la desviacin de
los haces de luz que inciden en el agua. La velocidad de la luz en
un medio se puede calcular a partir de su permitividad elctrica y
de su permeabilidad magntica de la siguiente manera:
Dispersin[editar]
Dispersin de la luz blanca en un prisma.La permitividad elctrica
y la permeabilidad magntica de un medio diferente del vaco
dependen, adems de la naturaleza del medio, de la longitud de onda
de la radiacin. De esto se desprende que la velocidad de propagacin
de la radiacin electromagntica en un medio depende tambin de la
longitud de onda de dicha radiacin. Por tanto, la desviacin de un
rayo de luz al cambiar de medio ser diferente para cada color (para
cada longitud de onda). El ejemplo ms claro es el de un haz de luz
blanca que se "descompone" en colores al pasar por un prisma. La
luz blanca es realmente la suma de haces de luz de distintas
longitudes de onda, que son desviadas de manera diferente. Este
fenmeno se llamadispersin. Es el causante de laaberracin cromtica,
el halo de colores que se puede apreciar alrededor de los objetos
al observarlos con instrumentos que utilizan lentes
comoprismticosotelescopios.Radiacin por partculas
aceleradas[editar]Artculo principal:Frmula de LarmorUna
consecuencia importante de laelectrodinmica clsicaes que una
partcula cargada en movimiento acelerado (rectilneo, circular o de
otro tipo) debe emitir ondas electromagnticas siendo la potencia
emitida proporcional al cuadrado de su aceleracin, de hecho
lafrmula de Larmorpara la potencia emitida viene dada por:
Donde:es la carga elctrica de la partcula.es la aceleracin de la
partcula.lapermitividad elctricadel vaco.es lavelocidad de la
luz.Un ejemplo de este fenmeno de emisin de radiacin por parte de
partculas cargadas es laradiacin de sincrotrn.Espectro
electromagntico[editar]Artculo principal:Espectro
electromagnticoAtendiendo a su longitud de onda, la radiacin
electromagntica recibe diferentes nombres, y vara desde los
energticosrayos gamma(con una longitud de onda del orden
depicmetros) hasta las ondas de radio (longitudes de onda del orden
dekilmetros), pasando por elespectro visible(cuya longitud de onda
est en el rango de las dcimas demicrmetro). El rango completo de
longitudes de onda es lo que se denomina elespectro
electromagntico.El espectro visible es un minsculo intervalo que va
desde la longitud de onda correspondiente al
colorvioleta(aproximadamente 400nanmetros) hasta la longitud de
onda correspondiente al colorrojo(aproximadamente 700nm).
En telecomunicaciones se clasifican las ondas mediante un
convenio internacional de frecuencias en funcin del empleo al que
estn destinadas como se observa en la tabla, adems se debe
considerar un tipo especial llamado microondas, que se sitan su
rango de frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, es decir, longitudes de
onda de entre 30 centmetros a 1 milmetro, que tienen la capacidad
de atravesar la ionosfera terrestre, permitiendo la comunicacin
satelital.Clasificacin de las ondas en telecomunicaciones
SiglaRangoDenominacinEmpleo
VLF10 kHz a 30 kHzMuy baja frecuenciaRadio gran alcance
LF30 kHz a 300 kHzBaja frecuenciaRadio, navegacin
MF300 kHz a 3 MHzFrecuencia mediaRadio de onda media
HF3 MHz a 30 MHzAlta frecuenciaRadio de onda corta
VHF30 MHz a 300 MHzMuy alta frecuenciaTV,radio
UHF300 MHz a 3 GHzUltra alta frecuenciaTV,radar, telefona
mvil
SHF3 GHz a 30 GHzSuper alta frecuenciaRadar
EHF30 GHz a 300 GHzExtremadamente alta frecuenciaRadar
Explicaciones tericas de la radiacin
electromagntica[editar]Ecuaciones de Maxwell[editar]Artculo
principal:Ecuaciones de MaxwellMaxwellasoci varias ecuaciones,
actualmente denominadasEcuaciones de Maxwell, de las que se
desprende que un campo elctrico variable en el tiempo genera un
campo magntico y, recprocamente, la variacin temporal del campo
magntico genera un campo elctrico. Se puede visualizar la radiacin
electromagntica como dos campos que se generan mutuamente, por lo
que no necesitan de ningn medio material para propagarse.
Lasecuaciones de Maxwelltambin predicen la velocidad de propagacin
en el vaco (que se representac, por lavelocidad de la luz, con un
valor de 299.792.458 m/s), y su direccin de propagacin
(perpendicular a las oscilaciones del campo elctrico y magntico
que, a su vez, son perpendiculares entre s).Dualidad
onda-corpsculo[editar]Artculo principal:Dualidad onda
corpsculoDependiendo del fenmeno estudiado, la radiacin
electromagntica se puede considerar no como una serie de ondas sino
como un haz o flujo de partculas, llamadas fotones. Esta dualidad
onda-corpsculo hace que cadafotntenga una energa directamente
proporcional a lafrecuenciade la onda asociada, dada por la relacin
dePlanck:
dondees la energa del fotn,es laconstante de Planckyes la
frecuencia de la onda.Valor de la constante de Planck
As mismo, considerando la radiacin electromagntica como onda, la
longitud de onday la frecuencia de oscilacinestn relacionadas por
una constante, lavelocidad de la luzen el medio (cen el vaco):
A mayorlongitud de ondamenor frecuencia (y menor energa segn la
relacin de Planck)GENERALIDADESDefinicionEltrmino"datos de los
satlites"abarcatodas lastcnicaspara larestitucindelos
parmetrosgeofsicosdelacobertura
terrestre(continental,ocenicayatmosfrica)medicionesobtenidaspor"control
remoto"(teledeteccin) las interaccionesde la radiacin
electromagntica(EMR), conlaSuperficie dela
Tierra.Operadoprincipalmentedesde el espacioconsatlites(vectores)
losinstrumentos(sensores) ylos productos finales
obtenidos,principalmentea travs deimgenes,disponibles paralos
usuariosdespusde mltiplestratamientoscomplejos.Lavigilancia del
medio ambientedel espacioes unaherramientaprivilegiadaquepermiteuna
coberturaglobaldelplaneta,altaresolucinyperodoscontinuos.Los
datosobtenidosson esencialesparala observacin,sino
tambincomomodelos deprediccin.La Radiacion ElectromagneticaLa
radiacin electromagntica(EMR) se obtienedefuentesnaturalescomo
elsol(radiacinsolar)o dela tierra(radiacionterrestre).Slouna
partedelespectroesrealmenteutilizadas porlos satlites de
teleobservacin: La radiacinvisible/infrarrojo cercano(VIS/NIR)de
origensolar:Estaradiacin, queslolapartevisiblecorresponde alos
coloresdelarco iris(de moradoarojo)puedeser capturado porlos ojos,
sea emitido porelsol y lareflejada por los
objetosobservados.Conestaradiacin,los sensores de los
satlitesmidenlareflectividadde las superficies envarias longitudes
de ondaycondiferentes tratamientosque permiten la
identificacin(clasificacin,cuantificacin)de
laobservacin:Ejemplos:mapasdeusodel suelo (EO),la
caracterizacindelas nubes(meteorologa)oelndice
declorofilaenlaoceanografadel mar. La radiacin
trmicainfrarroja(IR):La radiacinemitidapor latierrapuedemedirla
"temperatura"e indirectamente,la restitucindela superficie
terrestre,ocenicaoatmosfrica(nubes)y la caracterizacinde los
recursos naturales. La radiacin de
microondas(micro-ondas:WV):EmitidoporlaTierra,estaradiacinpermitela
restitucion devariosparmetrosatmosfricos(precipitacin, el vapor
deagua),marino(temperatura, viento),ocontinental(la humedaddel
suelo).Tambin haymicroondasactivas(radar) quepermitenel
retornodelavelocidady direccin del vientodemaro paramedirla
topografadel ocano(altimetra).Esta tcnicatambinpermitelaproduccinde
lasuperficie dela imagen(rugosidad)y los productostopogrficosde
alta resolucin espacial.La gamadelaenergadeestaradiacines
muyamplio.Ms delalongitud de ondaescorta(alta frecuencia),ms la
energaes importante.Lasdiferentes resoluciones espacialesy/o
elnmero decanalesdisponiblesdependede laventana
deobservacindelsensorpara captar con unaresolucindeun metroparala
radiacinvisibledesdevarios kilmetrosalaradiacin demicroondasMedios:
Satelites - SensoresHaydostipos principales desatlites, que se
defineporsusrbitas: Los satlites
geoestacionariosestnenrbitafijaalrededordelecuadoraunos 36.000km, a
findeobservartodo el tiempola misma
zona.Laventajadeestossatlitesesquesoncapacesdeobservaruna
zonadealtafrecuenciatemporal(normalmente15-30minutos).
Satlites"orbitando"giranalrededor de la tierraa travs delospolosa
unaaltitudentre400y 1200km dela tierra.Los satlites de
observacinsuelen ser"sincronizada con el sol"entabla deaproximacina
lamisma horalocalen elmismo punto.Estasrbitascubrentodo el
globocada 12 horasdurantelas revolucionesalrededor de 100minutos
a830km de
altitud.Lossensoresutilizadosenestossatlitesobservanunapartedelaradiacinelectromagntica(EMR)envarias
longitudes de onda.Estasfrecuenciasse ven limitadaspor la
observacinde diversos fenmenosfsicos(atmsfera,las nubes,la
superficie,..)ysedevuelven enforma dedatosde
2dimensiones("imgenes"),relacionadoconlageometrade la observacin
(la rbita, la exploracinsensor, el ngulodeobservacin
deunpuntoelemental..).Estodeterminael nmerode resoluciones,las
caractersticas espacialesde laobservacin: Dominio espectral de REM
observado (y la naturaleza del producto final) Tamao mnimo del pxel
devuelto (de alta resolucin o un campo grande): Espacio Duracin
temporal entre dos observaciones sucesivasPor lo generalse
definendosreasprincipalesde uso,de
acuerdoconestasresoluciones:-Observacion de la tierra (Earth
Observation : EO)Dondeunoquiereunaalta resolucin(~1-10m)
enunreapequea,ypor lo tantouna capacidad de repeticinbajo(pocos
meses),para laasignacin deuso deespaciode gestin:la tierra,la
agricultura,urbano,costero,bosque,...-Medioambiente global
Dondeunoquiereobservacionesrepetidas(1 / 2hora2 veces al da),una
resolucin ms baja(1.10km)parala meteorologa,la oceanografa,la
climatologayestoen grandes
reas.Losdatos"instantneos"(desplazamientorbita,"ranura"geoestacionarios)se
agrupanen perodos ms largos.Todas estasobservacioneshacenuso de las
propiedadesdeEMRy suinteraccin conlasuperficiey
laatmsfera(especialmentela presenciade nubes)parala recepcion de
productosgeofsicosutilizadosen losnivelessuperiores,conla
observacinsimultneadelamisma escenamulti-frecuencia delas
observaciones(multi-espectral)y elusodelos fenmenosde modelado de
procesosimplementados.2. FUENTES DE ENERGIA E INTERACCIONESPara
entender como opera la percepcin remota, es necesario entender
algunos de los principios fisicos que la hacen posible. Esto
requiere conocimientos de, la radiacin electromagntica (EMR) y sus
interacciones con varios componentes del medio ambiente. Los
elementos involuerados para obtener una seal remotamente percibida
son: la fuente de energa, la atmsfera, el objetivo y el sensor.
Esta seccin se enfoca a los primeros tres de estos elementos. Los
sensores e interpretacin de las seales sern explorados en secciones
posteriores.2.1Radiacin Electromagntica y sus PropiedadesLa
radiacin electromagntica es una forma de energa que puede ser
nicamente observada por su interaccin con la materia. La EMR est
hecha de componentes elctricos y magnticos y es afectada por las
propiedades elctricas y magnticas de la materia con la cual entra
en contacto. Dos hiptesis son generalmente utilizadas para
describir el comportamiento de la EMR: el modelo de onda y el
modelo de particulas. Ambos modelos son vlidos y ambos son
importantes para percepcin remota: para especialistas en
aplicaciones, sin embargo, el modelo de onda es generalmente
favorecido.La Figura 2.1 ilustra una serie de ondas
electromagnticas viajando a travs del espacio. Los componentes
elctricos y magnticos estn en fase siempre perpendiculares a s
mismos al igual que perpendiculares a la direccin del viaje. Por
esta razn, es ms simple pensar en la onda de una entidad simple sin
distinguir entre losdos componentes. La orientacin de la onda (esto
es, el plano a lo largo del cual viaja) es referido como la
polarizacin. La EMR producida naturalmente contiene ondas que son
aleatoriamente polarizadas; filtros polarizantes pueden ser
utilizados para seleccionar dichas ondas que tienen ser orientacin
particular. Fuentes de EMR contrudas por el hombre tales como los
sistemas de radar, algunas veces producen ondas con una polarizacin
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 fsica 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 (). El nmero
de longitudes de onda pasando a travs de un punto en el espacio en
un perodo especfico 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 nmo 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 vaco es aproximadamente 300 millones de metros por
segundo. La relacin entre la velocidad, la longitud de onda y la
frecuencia est dada por:c = fEs por lo tanto posible determinar ya
sea la frecuencia o la longitud de onda de una onda
electromagntica, dado que el otro valor es conocido. El cambio en
la velocidad de la EMR, cuando sta pasa de un medio o otro, es
definida como refraccin. Para la mayora de los propsitos, sin
embargo, la velocidad (c) puede ser considerada como una
constante.
Figura 2.1 Onda electromagntica y sus componentes.Con la
excepcin de algunos sistemas de radar, la longitud de onda ms que
la frecuencia, es ms comnmente utilizada para describir la EMR. La
Figura 2.2 ilustra cmo diferentes porciones del espectro
electromagntico son designados en trminos de bandas de longitud de
onda. Las bandas de inters para percepcin remota son las
siguientes:i) la ultravioleta fotogrfica, con logitudes de onda
entre . 3 y. 4 micrmetros (m) (300400 nanmetros): la radiacin
ultravioleta de longitud de onda ms coria es absorbida pol el ozono
en la parte alta de la atmsfera:ii) la visible, con longitudes de
onda entre .4 y .7m ; esta regin 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 m; aunque no es
visible, esta radiacin puede ser detectada por pelculas con
emulsiones sensitivas infrarojas en el rango de 0.7 a 1.3 m;iv) la
infrarroja media, con longitudes de onda entre 3 m y 8 m; como en
las longitudes de onda ms corta, la energa en esta regin es
primariamente de la energa del sol reflejada y no contiene
informacin de las propiedades trmicas de los materiales:v) la
infrarroja lejana (trmica), con longitudes de onda desde 8 hasta
1000 m; esta regin incluye la radiacin terrestre relacionada a la
emisin trmica;iv) la microonda, con longitudes de onda entre 1
milmetro y 100 centmetros; esta regin puede ser utilizada para
medir la emisin terrestre pero es tambin importante para sensores
activos tales como sistemas de radar.
Figura 2.2 Espectro electromagntico mostrando las bandas
empleadas en percepcin remota.Debe ser entendido que estas
divisiones son arbitrarias y que el espectro electromagntico, por
definicin, es un continuo de energas que va desde kilmetros hasta
nonmetros de longitud de onda. Las ondas viajan a 3 108metros por
segundo y son capces de propagarse a travs de un vaco tal como el
espacio exterior. Las categorias generales que se mencionaron
anteriormente pueden subdividirse an ms. Dentro de la banda
visible, por ejemplo, longitudes de onda entre 0.4 y 0.5 m
corresponden aproximadamente a la luz azul, aquellas entre 0.5 y
0.6 m a la luz verde, y entre 0.6 y 0.7 m a la luz roja. Una
discriminacin mucho ms fina es tambin posible dependiendo de la
resolucin espectral del sensor especfico en uso.Mientras que el
modelo de onda es ms apropiado para describir cmo la EMR viaja a
travs del espacio, el modelo de partculas es mejor para explicar
cmo es detectada y medida. De acuerdo con el modelo de partculas la
EMR es emitida en unidades discretas llamadas cuantos o fotones.
Cuando un fotn emitido por un objeto alcanza un sensor causa una
reaccin fsica que puede ser amplificada y medida. Esta puede ser la
exposicin a granos de plata haloide en una pelcula de emulsin o una
seal de voltaje en un sistema electrnico. La teora cuntica de
Planck, establece que la energa de un fotn puede ser descrita por:E
= hfdonde: E = monto de la energa en Joules,h = constante de Planck
que es igual a 6.626 10-34Joules-segundos yf = frecuencia de la
radiacin.Es por tanto claro que mientras ms alta la frecuencia de
la EMR, ms energa que facilita su deteccin. Adicionalemente, la
relacin entre velocidad, longitud de onda, y frecuencia (c = f)
indica que mientras ms corta la longitud de onda, mayor el monto de
energa disponible. Dado que hay menos energa en las bandas de
longitudes de onda ms grande, generalmente, los sensores que operan
en estas regiones tienen una resolucin espacial ms cruda dado que
deben de recolectar fotones de un rea ms amplia para poder recihir
una seal medible.Con excepcin de sistemas de sensores activos que
proporcionan su propia iluminacin, la percepcin remota se sustenta
en la radiacin de fuentes naturales. Ya sea que se est tratando de
radiacin solar reflejada o con radiacin emitida directamente de la
superficie de la tierra y de la atmsfera, es importante entender
ciertos principios fundamentales. Toda la materia que est a una
temperatura mayor que el cero absoluto (273 C 0 Kelvin)
constantemente emite radiacin electromagntica. El monto de la EMR
que es emitida por un objeto y su distribucin espectral (esto es,
el rango de la longitud de onda), puede ser grficamente descrita
por una curva de emitancia espectral como se muestra en la Figura
2.3. Esta figura es para un objeto hipottico e idealizado llamado
un cuerpo negro capaz de absorber y reemitir toda la energa 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 funcin 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 emisin alcanza
un pico en longitudes de onda progresivamente ms cortas. El cambio
de longitudes de onda con la temperatura, puede ser observado
cuando una pieza de metal es calentada: cuando est fra, 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 Grfica de la radiancia de un cuerpo negro respecto a
la longitud de onda, con temperatura como variable. (Despus de T.M.
Lillesand y R.W. Kiefer, 1979).A pesar de que los cuerpos negros
son hipotticos, los materiales reales generalmente exhiben un patrn
similar de emisin, cuando menos dentro de ciertos rangos de
longitud de onda. Estos materiales sin embargo, emiten menos EMR de
la que podra ser emitida por un cuerpo negro a la misma
temperatura. El cociente de emisin terica 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 radiacin que emiten.La radiacin del sol puede ser aproximada por
la curva de emisin espectral de un cuerpo negro a 6,000 Kelvin,
mientras que la radiacin terrestre (considerada como un todo) se
asemeja a la de un cuerpo negro a 300 Kelvin. La radiacin solar
alcanza su mximo alrededor de 0.5 micrmetros (500 nm) en la porcin
visible del espectro, mientras que el pico de la energa de la
energa de la tierra es aproximadamente 9.7 micrmetros en el
infrarrojo trmico. Por lo tanto, si uno est interesado en estudiar
fenmenos que nicamente pueden ser observados en longitudes de onda
corta, la recoleccin de datos es generalmente restringida a horas
con luz del da (siendo la deteccin de bioluminiscencia la
excepcin), o restringida al uso de un sensor
activo.2.2Interacciones AtmosfricasLa energa que recibe un sensor
desde un objetivo de inters debe pasar a travs de la atmsfera. Los
componentes gaseosos y las partculas de materia dentro de la
atmsfera, pueden afectar la intensidad y la distribucin espectral
de la energa y pueden impedir la observacin de caractersticas de la
superficie. La magnitud de los efectos atmosfricos dependen de
factores tales como la longitud de la ruta, la longitud de onda
siendo observada y las variaciones diarias de las condiciones
atmosfricas. En el caso de la energa reflejada, la atmsfera
interviene entre la fuente de iluminacin y el objetivo, as como
tambin entre el objetivo y el sensor. Para longitudes de onda
emitidas, la situacin es ms sencilla dado que el objetivo es la
fuente de iluminacin.El efecto atmosfrico ms fcilmente discernible
en longitudes de onda visibles, es el de difusin. La difusin es
simplemente la reflexin de la energa por partculas en la atmsfera;
mientras que las partculas individuales son pequeas, su efecto neto
puede ser bastante significative si estn presentes en cantidades
apreciables. La difusin de Rayleigh es causada por molcules
atmosfricas y partculas diminutas que son considerablemente ms
pequeas que las longitudes de onda de la radiacin a la que afectan.
Este tipo de difusin ocurre primariamente en las porciones
ultravioleta y azul del espectro y, de hecho, es responsable por la
apariencia azul del cielo durante el da. Es tambin una de las
principales causas de neblina en las imgenes. la difusin de Mie es
cnusada por partculas esfricas tales como polvo o vapor de agua,
que son aproximadamente del mismo tamao que la longitud de onda a
la cual afectan. A pesar de que la difusin de Mie ocurre a lo largo
del espectro fotogrfico (ultravioleta a infrarrojo cercano) tiende
a afectar longitudes de onda ms largas que las que afecta la
relexiones mltiples de Rayleigh. Cuando la EMR se encuentra con
particulas que son varias veces ms grandes que las longitudes de
onda afectadas, ocurre una reflexin mltiple no selectiva. El trmino
no selective significa que todo lo reflejado de las longitudes de
onda solar son afectadas ms 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 mltiples
atmosfricas y son por lo tanto capaces de ver a travs de las
nubes.Debido a las reflexiones mltiples, la energa que es recibida
por el sensor incluye reflexiones tanto de la atmsfera como del
objetivo. El componente de reflexin atmosfrico 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 radiacin 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 travs de la observacin de objetos muy obscuros,
que reflejan relativamente poca energa, en varias bandas adquiridas
al mismo tiempo. Visualmente, el efecto de relexiones mltiples es
una imgen ms difusa con menor contraste global.A diferencia de las
reflexiones mltiples que redirigen la EMR y causan una prdida de
detalle, la absorcin atmosfrica realmente reduce el monto de energa
en ciertas bandas de longitud de onda. A pesar de que la atmsfera
es esencialmente transparente en la porcin visible del espectro,
hay varias regiones en las cuales es parcial o totalmente opaco.
Varios componentes gaseosos en la atmsfera absorben o toman energa
en estas longitudes de onda que son llamadas bandas de absorcin. La
Figura 2.4 ilustra el porcentaje de la EMR que puede pasar a travs
de la atmsfera como una funcin de la longitud de onda. Los sistemas
de sensores estn nicamente diseados para operar en ventanas
atmosfricas, regiones no absorbentes del espectro donde la
transmisin es alta.Cuando molculas de gas absorben la EMR, su nivel
de energa es incrementado; esta energa es subsecuentemente
reemitida como calor la cual es radiacin trmica infrarroja. Las
emisiones atmosfricas pueden degradar la seal que alcanza a un
sensor desde un objetivo de manera muy parecida en la que las
reflexiones mltiples afectan a la enera reflejada. De nuevo, es
posible corregir este efecto a travs de comparar mediciones
realizadas simultneamente en diferentes bandas.
Figura 2.4Transmisin de energa a travs de la atmsfera como una
funcin de la longitud de onda. Las regiones de longitud de onda de
alta transmitancia son ventanas atmsfericas. Los gases responsables
de la absorcin son especificados.2.3Interacciones del
ObjetivoCuando la EMR interacciona con la materia puede ser
reflejada, absorbida o tansmitida. En la seccin previa, estas
interacciones fueron discutidas en referencia a la atmsfera. La
percepcin remota, sin embargo, se ocupa primariamente de cmo la EMR
es modificada por los medios terrestre y marino. En algunos
aspectos las interacciones terrestres son ms fciles de describir,
ya que, en la mayora de los casos, stas se llevan a cabo en la
superficie de la tierra donde la transmisin no es un factor
significativo. En el medio ambiente marino, por otra parte, ciertas
longitudes de.onda son transmitidas; la energa 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
reflexin de energa desde una superficie, es generalmente descrita
como especular o difusa (referirse a la Figura 2.5). La reflexin
especular ocurre cuando la energa que es reflejada por la
superficie, contina viajando en una direccin y el ngulo de reflexin
es igual al ngulo de incidencia. Este es el tipo de reflexin que es
observada en espejos o desde superficies tranquilas del mar, en
longitudes de onda visibles. En la reflexin difusa, la energa
reflejada, en contraste, es rota o esparejda en todas direcciones.
En realidad, la mayora de las superficies no son reflectores ni
perfectamente especulares ni perfectamente difusos sino que caen en
algn punto entre estos dos extremos.Con fines de percepcin remota,
es el contenido espectral de la relfexin difusa el que generalmente
provee la mayor parte de la informacin, cuando menos con respecto a
la composicin de los materiales de la superficie. La reflexin
especular, sin embargo, puede ser util en la caracterizacin de la
aspereza de la superficie y de la geometra de diferentes reas. De
hecho, es la caracterstica de aspereza de la superficie relativa a
la longitud de onda de la energa incidente la que, junto con el
ngulo 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 ms
spera, la reflectancia se hace ms difusa a menos que el sol est
bajo en el horizonte. Al medir la aspereza relativa del agua, puede
ser posible inferir la velocidad del viento. Ms an, superficies que
son reflectores difusos en una longitud de onda, pueden ser
reflectores especulares en longitudes de onda ms larga. Mediciones
simultneas 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 spero.
Figura 2.5 Reflexin especular y difusa del radar. (Despus de
T.E. Avery y G.L. Berlin, 1986).En la mayora de las aplicaciones,
sin embargo, la reflectancia especular, es un impedimento ms que
una ventaja. Es el patrn de reflectancia espectral , ms que la
aspereza de la superficie, el que usualmente permite una
determinacin de os procesos qumicos o biolgicos que estan activos
en la superficie. Cuando la EMR alcanza un objeto, algunas de las
longtudes 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 energa que es reflejada por un objeto en diferentes longitudes
de onda (relativa a la energa que recibe) es denominada la
reflectancia espectral que es una propiedad intrnseca de cada
material. Las caracteristicas de reflectancia de diferentes
materiales pueden ser ilustradas grficamente en una curva de
reflectancia espectral como se muestra en la Figura 2.6. En esta
figura se dan valores de reflectancia tpica para agua de ocanos y
petrleo crudo. Como puede obsevarse en ciertas longitudes de onda,
algunos materiales pueden ser fcilmente distinguidos mientras que
en otras pueden parecer bastante similares. Idealmente, sera
deseable encontrar una banda nica que permitiera que sean separadas
lodas las carac tersticas; de inters. En la prctica esto no es
siempre posible. Es por tanto necesario, tener mediciones
simultneas desde varias bandas. Cuando es necesario distinguir dos
o ms caractersticas 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 pequeos cambios
en los valores de la reflectancia, es decir que tengan una
resolucin radiomtrica fina. Estas tcnicas pueden ser utilizadas
para detectar variaciones o cambios dentro de un tipo dado de
material.
Figura 2.6 Reflectancia espectral de agua del ocano y de una
capa delgada de petrleo crudo. (Despus de F.F. Sabins, Jr.,
1978).Para materiales que no transmiten la EMR, la energa incidente
que no es reflejada es absorbida. Al igual que en la atmsfera, la
energa absorbida, es subsecuentemente reemitida usualmente como
calor. Como se describi previamente, el monto de energa que es
emitido es una funcin de la temperatura y de la emisividad del
material (referirse a la Figura 2.7). Dado que la tierra emite ms
fuertemente en la regin infrarroja trmica 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 precisin si las
mediciones son calibradas. Aunque estas medicines pueden tambin
realizarse para materiales terrestres, las variaciones en
emisividad de un material a otro hacen que la determinacin de la
temperatura absoluta, ms que relativa, sea mucho ms dficil de
realizarse. Debe hacerse notar que la energa es nicamente emitida
desde la superficie y que las condiciones superficiales pueden ser
muy diferentes. Por ejemplo, un pelicula de aceite en la superficie
del agua parecer ser ms fra que el agua libre de aceite a la misma
temperatura, ya que el aceite tiene una ms baja emisividad. Esta
caracterstica puede ser utilizada para detectar descargas no
autorizadas o para operaciones de limpieza directa.
Figura 2.7 Efecto de las diferencias de emisividad en la
Temperatura radiante. (Despus de F.F. Sabins, Jr., 1978).Hay otro
tipo de emisin, llamado fluorescencia, en la cual la radiacin
absorbida es reemitida a longitudes de onda ms larga sin que sea
primeramente convertida en energa trmica. Muchos minerales
fluorescen en el espectro visible cuando son expuestos a radiacin
ultravioleta. Las longitudes de onda emitidas por materiales
fluorescentes son generalmente un nmero bien estrecho y bien
definido de bandas que son caractersticas de materiales especficos.
Para aplicacines marinas, la fluorescencia puede ser utilizada para
identificar clorofila, algas y varios tipos de contaminantes. La
fluorescencia ocurre naturalmente debida a la radiacin 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 resolucin espetral lo suficientemente
fina.La transmisin de la EMR a travs del agua es importante cuando
se necesita informacin sobre las condiciones o fenmenos debajo de
la superficie. La transmisin, 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 travs de agua clara que a travs de agua
turbia (referise a la Figura 2.8b). Es quiz menos obvio que los
picos de transmitancia cambien a longitudes de onda ligeramente ms
largas en la medida que el agua se hace ms turbia. La transmitancia
puede ser alterada por ciertos materiales orgnicos tanto naturales
como elaborados por el hombre.La energa que es detectada por un
sensor puede ser reflejada por la superficie del agua por partculas
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 tambin decrecida ya que la energa
es atenuada al acercarse y al retirarse del reflector. Partculas
suspendidas producen un efecto de dispersin de volumen que es
anlogo al causado por aerosoles atmosfricos; si la concentracin es
relativamente baja, su reflectancia es sobrepuesta a la
reflectancia proveniente de materiales del fondo. A altas
concentraciones, partculas 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 concentracin de materiales suspendidos.
La presencia de clorofila es de particular inters para el manejo de
pesqueras as como lo es tambin el ndice de productividad primaria.
En la medida que el nivel de clorofila se incrementa, existe un
decremento en reflectancia entre 0.4 y 0.5m y a mayores
concentraciones hay un incremento de reflectancia en el rango de
0.5 a 0.6 m. Los sedimentos suspendidos descargados por ros son
partcularmente grandes reflectores. El mapeo de estas plumas de
sedimentos es un medio para estudiar los patrones de mezcla y
circulacin de aguas. Mediciones en las bandas de 0.6 y 0.7m
muestran un alto grado de correlacin 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 reas de
inters. Lo que puede constituir en un estudio ruido, puede ser la
seal en otro. La energa que eventualmente llega a un sensor es
reflejada o emitida por una variedad de componentes
ambientales.
Figura 2.8a Absorcin de la luz en 10 metros de agua pura como
Una funcin de la longitud de onda. (Despus de P.K. Weyl, 1970).
Figura 2.8b Variacin de la transmisin de la luz como una funcin
de la profundidad para varias aguas marinas. (Despus de P.K. Weyl,
1970).Al conocer los patrones de respuesta espectral de estos
componentes, es posible determinar las regiones espectrales ptimas
para su observacin. El medio ambiente marino presenta oportunidades
particulares y retos dadas sus caracteristicas espectrales y su
naturaleza dinmica. En los siguientes captulos examinaremos la
instrumentacin que est disponible para su estudio
