LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA
G174: FOTOINTERPRETACIÓN Y TELEDETECCIÓN
Domingo F. Rasilla
2025-02-11
💡 OBJETIVOS DE LA UNIDAD:
Los objetivos básicos son los siguientes:
► Definir los conceptos de radiación y espectro electromagnético.
► Conocer los principios físicos que regulan la radiación solar.
► Comprender las interacciones de la radiación solar con la atmósfera y el concepto de ventana atmosférica.
► Comprender las interacciones entre la radiación solar y los objetos de la superficie terrestre y el concepto de firma espectral.
► Conocer algunos conceptos últiles en Teledetección.
💡 MATERIALES PARA LA ACTIVIDAD:
En esta unidad no son necesarios materiales adicionales.
INTRODUCCIÓN
La observación remota es posible debido a la interacción de la energía electromagnética con los objetos de la superficie terrestre. Dada la importancia que la radiación electromagnética tiene como transmisor de información en todas las formas de teledetección, es necesario hacer un estudio de la misma y sus propiedades.
La radiación es una de las tres formas de transmisión de energía en la naturaleza (condución, convección y radiación) siendo la única que se transmite sin contacto material entre el emisor y el receptor.
La energía se expresa en Julios (J), por tanto la transferencia o flujo de energía se expresa por unidad de área (J/m2), por unidad de tiempo (J/s = W) o por unidad de tiempo y área (\(W/m^2\)).
El electromagnetismo es una fuerza que une átomos para formar moléculas. Cada material de la superficie terrestre (vegetación, rocas, minerales, fauna, etc.) está compuesto por distintas moléculas y estructuras, con características electromagnéticas diferentes. Entre ellos se encuentran los electrones, que ocupan órbitas o capas discretas rodeando al núcleo y cuyo número está determinada por la carga eléctrica del núcleo, que a su vez se debe a la cantidad de protones de ese núcleo. Cuando un electrón se traslada desde una órbita externa a una interna emite un fotón, cuya longitud de onda viene determinada por las órbitas que atraviesa el electrón.
LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA
El primer requisito básico para desarrollar cualquier actividad relacionada con la Teledetección es disponer de una fuente de energía. Esta energía es emitida en forma de radiación electromagnética, causada por la excitación de una carga eléctrica, que se manifiesta únicamente cuando interactúa con la materia.
Esta radiación se propaga por el espacio mediante ondas (ondas electromagnéticas) a la velocidad de la luz (300.000 km/s) transportando cantidades discretas de energía (cuantos). A diferencia de otros tipos de ondas (pe. el sonido), la radiación electromagnética no necesita un medio material para propagarse (se propaga en el vacío). Se caracteriza por longitudes de onda muy diferentes, y éstá longitud de onda condiciona su comportamiento.
La naturaleza de la radiación electromagnética (EM) se aborda desde la Física a través de dos teorías: la teoría ondulatoria y la teoría cuántica. Tradicionalmente, estas dos teorías fueron consideradas contrapuestas; actualmente, son consideradas complementarias, pues se cree que la radiación EM posee una naturaleza dual, corpuscular y ondulatoria.
Teoría ondulatoria (o de Maxwell)
La teoría ondulatoria, atribuida al físico holandés Christian Huygens (1629-1695), fue propuesta en 1873 por JC Maxwell (1831-1879).
Según esta teoría, la radiación electromagnética se produce como resultado de oscilaciones en los campos eléctrico y magnético en las inmediaciones de los objetos: el campo eléctrico varía en magnitud perpendicularmente a la dirección en la que viaja, y el campo magnético está orientado perpendicularmente al anterior. Ambos campos viajan a la velocidad de la luz.
Estas oscilaciones generan ondas que contienen esos 2 campos de fuerzas ortogonales entre sí, eléctrico y magnético, y transmiten la energía.
Dos conceptos son particularmente importantes para entender la teoría ondulatoria son:
► La longitud de onda es la longitud de un ciclo de onda, medida como la distancia entre dos crestas sucesivas de una onda. La longitud de onda generalmente se representa con la letra griega lambda (\(\lambda\)), y se mide en unidades de longitud, tales como metros (m) o en alguno de sus submúltiplos como nanómetros (nm, 10-9 metros) o micrómetros (\(\mu m\), 10-6 metros).
► La frecuencia hace referencia al número de ciclos de una onda que pasa por un punto fijo por unidad de tiempo. La frecuencia normalmente se mide en hercios (Hz), equivalente a un ciclo por segundo (un ciclo es el paso de dos crestas). Al tiempo transcurrido entre el paso de dos crestas por un punto se le denomina Período (T):
El producto de ambos es la velocidad de la luz \(c = \lambda * V\) siendo
\(c\) = velocidad de la luz.
\(\lambda\) = longitud de onda.
\(V\) = frecuencia
Siendo este calor constante, si aumenta \(λ\) debe disminuir \(ν\) y viceversa. Por lo tanto, ambas características están inversamente relacionadas: cuanto más corta es la longitud de onda, mayor la frecuencia y viceversa.
La teoría cuántica
La teoría ondulatoria no explica completamente algunos fenómenos de interacción entre la radiación EM y la materia. En estos casos, se utiliza la teoría cuántica, formulada por Max Planck.
Asume que la energía viaja como un flujo de partículas, denominadas fotones o cuantos, en forma de paquetes. La energía transportada por cada fotón (Q) depende del objeto que emite la radiación
El fotón es la partícula elemental de la luz. Cuando un átomo o una molécula absorbe un fotón, este le transfiere su energía. Ya que la energía no puede transferirse en fracciones de cuantos, que son los “paquetes de energía” más pequeños posibles, se transfiere toda la energía del fotón .
El proceso inverso también ocurre. Cuando un átomo o una molécula pierde energía, emite un fotón con exactamente la misma cantidad de energía que perdió.
Este cambio en la energía es directamente proporcional a la frecuencia del fotón emitido o absorbido, y está dado por la famosa ecuación de Planck: \(E = h * v\) siendo
\(E\) = la cantidad de energía del fotón absorbido o emitido (en joules, J).
\(h\) = es una constante (la constante de Planck, equivalente a 6.626x10-34 J/s).
\(v\) = frecuencia (en herzios, o HZ)
Relación entre la teoría ondulatoria y la cuántica
A partir de este momento es posible integrar las naturalezas ondulatoria y cuántica de la luz. El movimiento de toda partícula lleva asociada una onda de longitud λ y una energía E. Por ejemplo, para expresar la frecuencia \(ν\) en función de la velocidad de la luz \(c\) y longitud de onda \(λ\):
\(v = \lambda * c\)
Si expresamos la energía E de la partícula en términos de dos constantes (c y h) y de la longitud de onda λ queda la siguiente expresión:
\(E = h * (c\lambda)\)
Según esta expresión:
► Las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una longitud de onda corta y mucha energía.
► Las ondas de baja frecuencia tienen grandes longitudes de onda y poca energía (por lo que es difícil detectarlas).
EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
Al campo completo de la radiación electromagnética se le conoce como espectro electromagnético. Es, por lo tanto, el conjunto de todas las frecuencias posibles a las que se produce radiación electromagnética.
¿Cuáles son los límites de este conjuntos? Teóricamente, el límite inferior es 0 (no existen frecuencias negativas) y el superior es ∞. Pero con los medios técnicos actuales se han detectado frecuencias electromagnéticas inferiores a 30Hz y superiores a \(2,9 × 10^{27}\)Hz.
Por otro lado, y aunque formalmente el espectro es infinito y continuo, se cree que la longitud de onda electromagnética (distancia entre dos valores de amplitud máxima de la onda) más pequeña posible es la longitud de Planck (\(lp ≈ 1, 616252 × 10^{−35}\)m), distancia o escala de longitud por debajo de la cual se espera que el espacio deje de tener una geometría clásica (medidas inferiores no pueden ser tratadas en los modelos de física actuales debido a la aparición de efectos de gravedad cuántica). Igualmente, se piensa que el límite máximo para la longitud de una onda electromagnética sería el tamaño del universo.
Fuente:
Wikipedia (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:EM_Spectrum_Properties_es.svg)
Por razones prácticas, este campo se subdivide a su vez en bandas (a veces también llamadas regiones del espectro electromagnético), debido a que las longitudes de onda dentro de esas regiones presentan cierta homogeneidad en deteminados aspectos. Los límites de que se han fijado a esas regiones son aproximados y varían de unos autores a otros, existiendo además superposiciones entre regiones contiguas. En orden decreciente de longitud de onda (y creciente de energía) encontramos las regiones llamadas ondas de radio, infrarrojo, luz visible, ultravioleta, rayos x y rayos gamma. Cada una de estas regiones se divide además en categorías adicionales; por ejemplo, la luz visible se suele dividir en azul (0.4−0−5μ), verde (0.5−0.6μ) y rojo (0.6−0.7μ), y sólo ciertas de ellas son utilizadas habitualmente en teledetección:
► La porción del espectro de interés más reciente para la teledetección es la región de microondas, que cubre las longitudes de onda más largas (desde aproximadamente 1 mm hasta 1 m). Esta región espectral es donde funcionan los sistemas de radar, requieriendo la emisión de un haz energético por parte del sensor.. Su principal ventaja es que la absorción atmosférica en esta región es muy baja, lo que nos permite “ver” a través de las nubes y penetrar ligeramente en la superficie terrestre, siendo por ello muy útil en análisis de humedad del suelo y rugosidad superficial.
► La banda infrarroja (IR), que cubre el rango de longitud de onda de aproximadamente 0,7 \(\mu m\) a 14, se puede dividir a su vez en tres categorías:
El IR reflejado o infrarrojo cercano o próximo (en inglés NIR, near IR), que abarca longitudes de onda desde aproximadamente 0,7 \(\mu m\) hasta 1,2 \(\mu m\) y se utiliza de manera muy similar a la radiación visible. En esta categoría la radiación solar tiene más importancia que la terrestre Esta parte del espectro se encuentra un poco más allá de la capacidad de percepción del ojo humano y a veces se conoce también como el infrarrojo reflectante o infrarrojo fotográfico, porque parte de este espectro (la región (0.7 − 0.9µm) se puede detectar con películas especiales. El NIR es de especial interés debido a su sensibilidad para determinar el estado fitosanitario. También permite diferenciar coberturas vegetales y contenidos de agua.
El Infrarrojo Medio (MIR) se encuentra entre las regiones NIR y TIR (entre 1,2 − 8 µm). La influencia de la energía del sol sigue siendo muy relevante, El intervalo entre 1,3 − 2,5µm es denominado Infrarrojo de Onda Corta (SWIR) y es utilizado para estimar contenidos de humedad en vegetación y suelos. Entre 3 y 8 µm, la señal se vuelve una mezcla continua de energía reflejada por el sol y emitida por la superficie, convirtiéndose el componente emitido más relevante a medida que las longitudes de onda se hacen más largas. El intervalo de 3 − 5µm es particularmente útil para detectar fuentes de altas temperaturas, como volcanes o incendios forestales.
El IR emitido o IR térmico (TIR) equivale a la radiación que se emite desde la superficie de la Tierra en forma de calor. El IR térmico cubre longitudes de onda desde aproximadamente 8,0 \(\mu m\) hasta 14 \(\mu m\). Es emitida por la energía de superficie de la Tierra que se usa comúnmente para detectar evapotranspiración (ET) vegetal, propiedades del hielo y las nubes, efectos del calor urbano y discriminar rocas.
► El banda visible (0.4 - 0.7 \(\mu m\)) lo constituye el rango de frecuencias que sólo percibida por el ojo humano y coincide con las longitudes de onda donde la radiación solar es máxima.. Esta circunstancia justifica el uso de la teledetección: mucha de la radiación existente es invisible para nuestros ojos, pero puede ser detectada por otros instrumentos. A esta región se la conoce también como región óptica del espectro o espectro fotográfico. Cuando se separa la luz visible en sus diferentes componentes, el resultado son los colores primarios: el azul (0,4-0,5 µm), el verde (0,5-0,6 µm) y el rojo (0,6-0,7 µm). Se definen como “primarios” porque no se puede crear un color primario a partir de los otros dos, pero todos los demás colores sí se forman combinando los primarios en diferentes proporciones. Cuando un objeto refleja más cantidad de alguna longitud de onda determinada el ojo humano lo ve con el color correspondiente: los objetos violetas son los que reflejan principalmente luz con longitud de onda entre 0,395-0,435 µm; los azules entre 0,435-0,500 µm, los verdes entre 0,500-0,570 µm, los amarillos entre 0,570-0,595 µm, los naranjas entre 0,595-0,625 µm y los rojos entre 0,625-0,740 µm). Por ejemplo, la nieve es blanca porque refleja toda la gama del espectro visible de una forma uniforme.
Fue Newton el que, en 1666, observó que cuando la luz blanca atravesaba un prisma de cristal se descomponía en una gama de colores que iban desde el violeta (longitudes más cortas) al rojo (longitudes más largas). Esto se debe a que se separaban las bandas de las distintas longitudes de onda del rayo de luz original.
► La banda ultravioleta o UV es útil ya que algunos materiales de la superficie terrestre, principalmente rocas y minerales, emiten fluorescencia o luz visible cuando se iluminan con radiación ultravioleta.
| Región Espectral (bandas) | Longitud de onda (\(\lambda\)) | Características |
|---|---|---|
| Rayos Gamma | < 0,03 nm | Radiación absorbida por la alta atmósfera. No se usa en teledetección |
| Rayos X | 0,03 - 30 nm | Radiación absorbida por la atmósfera. No se usa en teledetección |
| Ultravioleta | 0,03 - 0,4 \(\mu m\) | La radiación con \(\lambda\) <0,3 \(\mu m\) es absorbida por la capa de ozono |
| Visible (azul, verde y rojo) | 0,4 - 0,7 \(\mu m\) | Detectada a través de fotodetectores y películas fotosensibles normales (color y B/N) |
| Infrarrojo Próximo | 0,7 - 1,3 \(\mu m\) | Discrimina masas vegetales y concentraciones de humedad |
| Infrarrojo Medio | 1,3 - 8 \(\mu m\) | Estimación del contenido de humedad en la vegetación y detección de focos de alta temperatura |
| Infrarrojo Térmico | 8 - 14 \(\mu m\) | Detecta el calor proveniente de la mayor parte de la cubierta terrestre |
| Micro-Ondas | 0,1 - 100 cm | Radiación de grandes longitudes de onda, capaces de penetrar nubes, nieblas y lluvia |
| Ondas de Radio | > 100 cm | Radiación con las mayores longitudes de onda del espectro. Usada en telecomunicaciones |
LA RADIACIÓN SOLAR
La principal fuente de radiación electromagnética que alcanza la superficie terrestre es el Sol. Es conocida como radiación solar; se genera a partir de las reacciones del hidrógeno en el núcleo del sol mediante fusión nuclear y se propaga en todas las direcciones a través del espacio mediante ondas electromagnéticas.
Para conocer la cantidad de radiación emitida por el sol y su espectro electromagnético propio es necesario acudir a ciertas leyes y comprender ciertos conceptos.
El cuerpo negro
Todo cuerpo con temperatura superior al cero absoluto (-273,15ºC) genera y emite energía en forma de radiación. Un cuerpo que absorba toda la radiación que le llega y emite la máxima cantidad de energía posible a una temperatura determinada se denomina cuerpo negro. En la naturaleza no existe ningún cuerpo negro, pero algunas superficies se acercan a esta condición (especialmente para radiaciones de onda larga); es en realidad un concepto útil para la formulación de leyes físicas a través de la comparación entre objetos.
La emisión de radiación electromagnética por un cuerpo negro sigue las leyes de Planck, Wien, Stefan-Boltzmann y Kirchhoff.
Ley de Planck
El espectro electromagnético de un cuerpo negro que se calienta a una temperatura T responde a la siguiente ecuación:
\(Q_{0λ}(T) = C^{1} / λ^{5}(e^{C2/λT}−1)\)
\(Q_{0λ}(T)\) : emisión según la longitud de onda [W/m2]
\(\lambda\): longitud de onda [m]
T: temperatura absoluta [ºK]
\(C^{1}\): 1ª cte. radiación (3,7418·10-16 [W m2])
\(C^{2}\): 2ª cte. radiación (1,4388·10-2 [m ºK])
La ley de Planck describe la distribución espectral de salida de un cuerpo negro a cierta temperatura como una curva suave con un único máximo. La ecuación indica que
Cualquier objeto más caliente que el cero absoluto (−273, 15◦C) emite energía radiante
La energía aumenta en proporción a su temperatura.
La cantidad de energía que contiene un flujo radiante es inversamente proporcional a su longitud de onda, por lo que el espectro electromagnético teórico, es decir la emisión potencial de radiación electromagnética, abarca una amplia gama de longitudes de onda.
Ley de Wien
Además, de esta ley se deduce también cuál es la longitud de onda con máxima potencia emisiva (Ley de Wien)
\(λ_{pico} T= 2.898⋅10^{−3}m⋅k\)
En este sentido, se puede calcula el máximo de energía proporcionada por el sol y la tierra. La temperatura promedio de la tierra se ha fijado en 288K; de acuerdo con la ley de Planck las longitudes de onda dónde se produce el máximo de energía radiante:
t_k <- 288
lambda <- seq(1,25,1)
M <- 3.741e8/(lambda^5*(exp(1.438e4/(lambda*t_k))-1))
names(M) <- lambda
round(M,3)## 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
## 0.000 0.000 0.091 1.385 5.511 11.702 17.785 22.275 24.778 25.556 25.082
## 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
## 23.816 22.113 20.225 18.312 16.470 14.752 13.180 11.762 10.494 9.366 8.367
## 23 24 25
## 7.484 6.704 6.015Encontramos el máximo de energía radiante entorno al rango 8 – 14 µm identificado anteriormente como TIR. En el caso de sol cuya temperatura estimada es 5778K:
t_k <- 5778
lambda <- seq(0.0,2,0.5)
M <- 3.741e8/(lambda^5*(exp(1.438e4/(lambda*t_k))-1))
names(M) <- lambda
round(M/1e6, 0)## 0 0.5 1 1.5 2
## NaN 83 34 12 5En este caso los máximos de energía radiante corresponden a las longitudes de onda correspondientes a las regiones del visible e infrarrojo cercano.
Como se aprecia en estos ejemplos, la temperatura es clave al momento de definir el máximo de emitancia de un objeto (por lo tanto, el mejor rango de longitud de onda para diseñar nuestro sensor) ya que todo objeto con temperatura superior a los 0ºK emite energía, requisito básico para ser percibido por dicho sensor.
La ley de Wien establece que la longitud de onda de la intensidad máxima de la radiación del cuerpo negro \(λ_{max}\) es inversamente proporcional a la temperatura:
\(λ_{max} = \frac{2897,6 μm K}{T}\)
donde T es la temperatura en unidades Kelvin. Si la temperatura del sol la estimamos en unos 6000ºK el pico de longitud de onda λmax es:
t_sol <- 6000
l_max <- 2898 / t_sol
l_max## [1] 0.483Valor expresado en µm (lo ubica dentro del rango visible del espectro).
La dependencia de la posición de la intensidad máxima de la temperatura es evidente a partir de las curvas de cuerpo negro que se muestran en la siguiente figura.
El flujo total de energía radiante emitida por un cuerpo negro a una temperatura absoluta \(T\) se establece integrando la distribución de Planck para todas las longitudes de onda (Ley de Stefan-Boltzmann): el flujo de radiación es directamente proporcional a su temperatura absoluta elevada a la cuarta potencia.
siendo \(σ = 5.67·10^{-8}\) [W/m2 ºK4] la constante de Stefan-Boltzmann
Resolviendo esa ecuación para una temperatura solar de 6000ºK, la energía total emitida por el sol es de aproximadamente 64 millones \(W/m^{2}\), de la cual, la Tierra solo intercepta 1367 \(W/m^{2}\) (la constante solar).
La emitancia total de un objeto es función de su temperatura. Pequeños cambios en la temperatura suponen cambios notables en su emitancia radiante. Debido a esta dependencia en la cuarta potencia, la emisión de radiación por los cuerpos terrestres cambia considerablemente durante el día o a través de las estaciones.
Ley de Kirchhoff
Las tres leyes fundamentales anteriores se refieren a la intensidad radiante emitida por un cuerpo negro, que depende de la longitud de onda emisora y la temperatura del medio. Esta es la propiedad fundamental de un medio en condiciones de equilibrio termodinámico.
Finalmente la ley de Kirchoff establece que para cada longitud de onda la absortancia de una superficie dada es igual a su emisividad (αλ = ϵλ).
Para mantener el equilibrio térmico, el exceso de energía absorbida debe ser emitido:
► Las superficies con alta reflectividad espectral (por ejemplo, nieve) son muy poco emisivas.
► Las superficies con baja reflectividad espectral (agua) son muy emisivas.
Diferencias entre la radiación solar y la terrestre
Si bien tanto la Tierra como el Sol emiten radiación, la diferente temperatura de ambos cuerpos celestes determina que el Sol (6000°K, 5727°C) emita la mayor parte de su energía con longitudes de onda inferiores a 1,5 µm, con un máximo de emisión en la región del espectro visible (alrededor de las 0.5 µm). Por el contrario, la Tierra, mucho más fría (288°K), emite casi toda su energía entre los 5 y 35 µm, con un pico de intensidad máxima en la región del infrarrojo alrededor de las 10 µm.
Es decir, que el Sol emite en longitudes de onda más cortas (radiación de onda corta), mientras que la Tierra emite en longitudes de onda más largas que el Sol (radiación de onda larga).
De acuerdo con la figura situada a la izquierda, el área amarilla representaría el espectro de radiación solar que teóricamente alcanza el techo de la atmósfera, donde el punto más alto de la curva representa la longitud de onda con la mayor energía espectral (0,5 µm, equivalente a 500 nm) de acuerdo con la Ley de Wien; el área bajo la curva representa la cantidad total de energía recibida (1367 W/m^2).
El área roja constituye el espectro de la radiación solar para condiciones de cielo claro, después de la absorción atmosférica debida a diferentes gases: la radiación de longitud de onda menor que 0,2 mm es absorbida en la atmósfera por el oxígeno molecular (\(O_{2}\)), ozono (\(O_{3}\)), y el vapor de agua (\(H_{2}O\)). La causa de esta diferencia entre los valores de radiación que llegan al tope de la atmósferca y la que alcanza la superficie terrestre se explican a continuación.
CONCEPTOS ÚTILES PARA EL ESTUDIO DE LA TELEDETECCIÓN
Las señales recibidas por un sensor en estas diferentes regiones espectrales varían con el tipo de cobertura terrestre y con las propiedades biofísicas y bioquímicas de los componentes de la superficie. A continuación se presentan algunos de los conceptos básicos de energía y unidades de medida utilizados en teledetección para comprender mejor las propiedades características de mediciones espaciales.
Campo radiativo
Es el campo electromagnético transportado por las ondas entre el emisor y el receptor. La energía asociada con la onda electromagnética se denomina energía radiante.
Energía radiante (Q).
Es el total de energía radiada por un cuerpo en todas direcciones hacia superficie y se mide en Julios (J). Es la unidad de energía más básica.
Flujo Radiante (ϕ)
Medido en vatios (W ), representa la tasa de transferencia de energía de una superficie a otra por unidad de tiempo (julios por segundo \(Js^{−1}\) = W). La dDensidad de Flujo Radiante es la tasa de transferencia de energía por unidad de área medida en vatios por metro cuadrado (\(Wm^{−2}\)).
Intensidad Radiante (I)
Es la energía total que procedente de una fuente de radiación por unidad de ángulo sólido (Ω) y en una dirección concreta. Así, la intensidad radiante se mide en vatios por estereorradián (\(Wsr^{−1}\)).
Exitancia Radiante o Emitancia (M)
Es la energía emitida por radiación desde una superficie por unidad de tiempo y de superficie (cantidad de energía que se transmite cada segundo por cada metro cuadrado de la superficie emisora; M = φ/A = Q/t∗A). Se mide en \(Js^{−1}m^{−2} = Wm^{−2}\).
A veces se habla de la emitancia espectral Mλ para hacer referencia a la emitancia en una longitud de onda concreta, en cuyo caso las unidades son \(Js^{−1}m^{−2} μ^{−1} = Wm^{−2} μ^{−1}\).
Irradiancia (E)
Es la densidad de flujo radiante que incide sobre la superficie por unidad de área y por unidad de tiempo (\(Wm^{−2}\)). Es el mismo concepto que la emitancia, pero en este caso se refiere a la energía que llega a la superficie en lugar de aquella que sale de la superficie.
Ángulo Sólido (Ω)
El análisis de un campo de radiación a menudo requiere la consideración de la cantidad de energía radiante confinada a un elemento de ángulo sólido.
Es el ángulo tridimensional formado en el vértice de un cono.
La unidad del ángulo sólido es el esteroradian (sr) y se define como el ángulo sólido para el que la superficie A es igual a r2 donde r es el radio de la esfera. Puesto que el área de una esfera es 4πr2, en una esfera completa hay 4π estereoradianes
Radiancia (L)
Es la energía total que sale en una determinada dirección por unidad de área y ángulo sólido. Es el término más fundamental en teledetección, ya que describe exactamente lo que mide el sensor. Se expresa en vatios por metro cuadrado por estereorradián (\(Wm^{−2}sr^{−1}\)). Si expresamos la radiancia en función de las longitudes de onda a sensar podemos expresar como:
\(L = \frac{ϕ}{Ω cos\theta A}\)
Así, los términos de energía anteriores también se pueden expresar en base a longitudes de onda y tienen el sufijo espectral aplicado a ellos, como radiancia o irradiancia espectral. Por ejemplo, el término radiación espectral, Lλ, se refiere a la producción de energía por una unidad de área por unidad de ángulo sólido y longitud de onda o Lλ = Wm−2sr−1λ−1. De manera similar, la irradiancia espectral, Eλ, se refiere a la energía incidente sobre una superficie por unidad de longitud de onda.
También hay una serie de términos de energía adimensional, que varían de 0 a 1, que son ampliamente utilizados para caracterizar las propiedades espectrales de la superficie de la Tierra:
Emisividad (ϵ)
Es la relación entre la salida radiante de una superficie (M) relativa a la de un emisor perfecto a la misma temperatura (Mn). Las leyes de Planck, Stefan y Wien (ver más adelante) nos permiten obtener como sería la radiación de un cuerpo a una temperatura dada si su eficiencia fuera del 100 %. En realidad este no suele ser el caso, sino que todos los cuerpos tienen una emisividad algo inferior a 1. En función de la emisividad, los cuerpos pueden dividirse en:
► Cuerpo negro o radiador perfecto: el que emite radiación al máximo de sus posibilidades (\(\epsilon\) = 1).
► Cuerpo gris, aquel en el que 0 < \(\epsilon\) < 1.
► Reflector perfecto cuando \(\epsilon\) = 0.
► Radiador selectivo, \(\epsilon λ\) = f (λ), es decir la emisividad depende de la longitud de onda que se considere.
Los materiales naturales, por otro lado, son emisores imperfectos con emisividad van de 0 a <1. Valores de emisividad en diferentes longitudes de onda son útiles para caracterizar materiales.
Reflectividad (ρ)
Es la relación entre la energía reflejada por una superficie y la energía incidente sobre esa superficie.
Absortividad (α)
Es la relación entre la energía absorbida por la superficie y la energía incidente sobre esa superficie (parte de la irradiancia que absorbe la superficie receptora).
Transmitividad (τ)
Es la relación entre la energía transmitida a través de una superficie y la energía incidente sobre esa superficie.
**Albedo o reflectancia (\(\rho\))
Es la relación entre toda la energía saliente y la energía incidente para una superficie determinada. Más específicamente, albedo es la relación de la emitancia (M) sobre la irradiancia (E) sobre todas las longitudes de onda reflectantes o de onda corta y es el equivalente de la reflectancia hemisférica, es decir, la reflectancia integrada en todas las direcciones. La medida de la reflectancia puede hacerse teniendo en cuenta toda la semiesfera superior de una determinada superficie, se habla en este caso de reflectividad hemisférica (ρh) que se calcula como
\(\rho\) hemisferico = \(\frac{M}{E}\) = \(\frac{\pi L}{E}\)
\(\frac{a}{b}\)
El albedo es una variable fundamental en estudios de balance energético, modelización climática y estudios de degradación del suelo.
El albedo espectral se refiere a la salida dividida por la irradiancia para una banda espectral específica (Ecuación 7.10).
\(\rho\) espectral = \(\frac{M_λ}{E_λ}\) = \(\frac{\pi L_λ}{E_λ}\)
Es importante tener en cuenta que un sensor satelital no mi- de las señales hemisféricas de la energía emitidas en todas las direcciones, sino que mide la radiancia espectral (Lλ) desde un campo de visión angular estrecho.
La energía incidente sobre cualquier elemento de la superficie terreste (E_i) es igual a \(E_a\) + \(E_t\) + \(E_r\), es decir, a la suma de la fracción de la energía electromagnética absorbida por ese elemento (\(E_a\)), la transmitida al resto de elementos en contacto con él (\(E_t\)) y a la reflejada por ese elemento (\(E_r\)). Aproximadamente el 51 % de la radiación de onda corta que llega a la atmósfera alcanza la superficie terrestre (\(E_i\)), y, de ella, el 4 % es reflejada (\(E_r\)) y el 47 % es absorbida (\(E_a\) + \(E_t\)), para ser posteriormente reemitida en forma de longitudes de onda larga (infrarrojo térmico). La relación entre \(E_i\) y \(E_r\) es la reflectancia.
La reflectancia de cada objeto varía según la longitud de onda de la energía incidente, y la cantidad de energía reflejada por los objetos en un intervalo de longitud de onda concreto se conoce como albedo o reflectancia espectral, expresada normalmente en porcentajes.
De esta manera, si disponemos de la reflectancia que corresponde a una serie de longitudes de onda, obtendremos un conjunto de valores que se ordenan siguiendo una curva llamada curva de reflectancia espectral que muestra en dos dimensiones la intensidad de radicación de cada elemento en función de la longitud de onda.