Fundamentos Físicos

INTRODUCCIÓN A LA
TELEDETECCIÓN CUANTITATIVA
Haydee Karszenbaum – Veronica Barrazza
haydeek@iafe.uba.ar
vbarraza@iafe.uba.ar
Clase 1.2: ondas y leyes de la
radiación
1
Teledetección cuantitativa
Características de la radiación electromagnética
Diferencias entre sistemas pasivos y activos
Fuentes de radiación electromagnética (visibleinfrarrojos térmicos)
Interacciones entre la radiación em y la materia
(óptico)
Radiación EM
En Teledetección, se trata del medio por el cual se
transmite información de un objeto al sensor.
Radiación electromagnética
La radiación
electromagnética se
expresa como una
combinación de campos
eléctricos y magnéticos
oscilantes, que se
propagan a través del
espacio transportando
energía de un lugar a
otro.
A diferencia de otros
tipos de onda, como el
sonido, que necesitan un
medio material para
propagarse, la radiación
electromagnética se
puede propagar en el
vacío.
Una onda electromagnética es la forma
de propagación de la radiación
electromagnética a través del espacio.
Los campos magnéticos y eléctricos
están perpendiculares uno al otro y a la
dirección de propagación.
Formulación matemática:
Ecuaciones de Maxwell
(1863)
Caracterización matemática de una onda
z
Una onda es, desde el punto de vista matemático, una función que describe
una amplitud (Ej. voltaje, corriente, presión) en función del tiempo, el espacio,
la velocidad u otros magnitudes.
Ciclo: Se denomina ciclo a cada patrón repetitivo de una onda.
Período: Es el tiempo que tarda la onda en completar un ciclo.
Frecuencia: Número de ciclos que completa la onda en un intervalo de tiempo.
Amplitud: Es la medida de la magnitud de la máxima perturbación del medio producida por la
onda.
Longitud: La longitud de una onda viene determinada por la distancia entre los puntos
inicial y final de un ciclo (por ejemplo, entre un valle de la onda y el siguiente).
Teoría cuántica: naturaleza dual de la radición em
La teoría de Maxwell presenta deficiencias cuando trata de explicar
algunos fenómenos de interacción entre la radiación em y la materia.
La teoría cuántica formulada por Max Planck permitió explicar que la
radiación em era absorbida y emitida en la forma de paquetes discretos
o “cuantos”. Estableció que la energía de cada cuanto dependía solamente
de la frecuencia de la radiación.
E = hν ó E = h c/
donde E es la energía radiante de un fotón en Joules, ν su frecuencia, h
la constante de Planck (6.626x10-34 joules sec)
La controversia así planteada entre Maxwell y Planck se resolvió con la
consideración de una naturaleza dual: corpuscular y ondulatoria
Relación entre frecuencia, longitud de onda y energía
longitudes de
onda corta
E = h c/
longitudes de
onda larga
alta frecuencia
baja frecuencia
alta energía
baja energía
¿qué consecuencias tiene esto sobre las características de los
sensores?
Características de las ondas em: polarización y fase
Características de las ondas em en el óptico, térmico y las microondas
Longitud de onda
Frecuencia
Energía
Otras propiedades de la radiación EM que
no se han definido hasta ahora….
Polarización
Fase
Características de las ondas em: polarización y fase
Cuando una onda EM viaja en el
espacio, el vector campo eléctrico
describe una elipse sobre el plano
de la onda. Caracterizando esta
elipse se define el estado de
polarización.
H
V
Polarización
Fase
Fase – describe el
desplazamiento de una
onda con respecto a
otra. Se mide en
unidades angulares
(grados o radianes).
Fase
Si la diferencia de fase entre dos
ondas es cero, la suma de la mismas da
como resultado otra onda del doble de
amplitud y la misma frecuencia. Este
fenómeno se conoce como interferencia
constructiva.
Sin embargo, si la diferencia de fase
entre las ondas es distinta de cero, es
posible que la amplitud de la onda
resultante se haga muy pequeña, e
incluso cero. Este fenómeno se lo
conoce como interferencia destructiva.
Radiación coherente e incoherente
La luz blanca de una lamparita se denomina luz
incoherente
La luz está compuesta por distintos colores y ondas que está
fuera de fase unas con otras.
Radiación coherente - incoherente
Se dice que una fuente de ondas es
coherente cuando las ondas sucesivas
emitidas tiene diferencias de fase
constantes. Entre las fuentes de ondas
coherentes utilizadas en teledetección,
está el Radar.
En contraste, una fuente de ondas es
incoherente cuando las diferencias de
fases entre dos ondas sucesivas no es
constante. En teledetección, las fuentes
incoherentes utilizadas son el sol y las
emisiones del la superficie terrestre en el
rango de las microondas
Características de las ondas em: sistemas pasivos y activos
Sistemas Pasivos
Sistemas Activos
La fuente generadora de energía es
una fuente incoherente y no
polarizada (sol, emisión de
microondas de la superficie
terrestre). Esto hace evidente que no
es posible hablar de amplitud
instantánea de la onda, sino mas bien
de un promedio de energía o
intensidad recibida en una unidad de
tiempo.
La fuente generadora de energía es
una fuente coherente y polarizada
(Radar, Lidar). Por lo tanto, es
necesario medir no solo la amplitud
de la onda recibida, sino también su
polarización y fase,
fase ya que cualquier
cambio en las mismas incluye
información
sobre
el
blanco
retrodispersor.
Espectro electromagnético
La luz visible pertenece a una familia de ondas denominada espectro
electromagnético. Existen otros integrantes de esta familia (rayos gama, ,x, de radio,
infrarrojo, etc).
Todos los grupos son ondas em porque comparten las siguientes propiedades:
Una onda em consiste en campos
eléctricos y magnéticos que oscilan con
la misma frecuencia
La velocidad a la que se propagan es la
velocidad de la luz
La relación entre longitud de onda y
c
frecuencia esta dada por:

f
De donde procede la radiacion EM?
 de elementos del mundo natural
de objetos tecnológicos (instrumentos)
Leyes de la radiación em: el cuerpo negro
 Todos los cuerpos (por
encima del 0 absoluto)
emiten radiación EM en
todas las longitudes de
onda.
 En muchos casos, el espectro
de esta radiación (intensidad en
función de la longitud de onda),
sigue la curva de radiación de un
cuerpo negro ideal (un emisor y
receptor de energía perfecto).
 La representación gráfica de
la cantidad de energía radiante
emitida desde el cuerpo negro por
unidad de superficie y por unidad
de longitud de onda, es una curva
que tiende a cero para
longitudes de onda muy cortas y
muy largas y presenta un solo
máximo correspondiente a la
temperatura del cuerpo.
Leyes de la radiación em:
excelencia de la teledetección óptica
El sol constituye la fuente de radiación EM por
1. Se comporta como un cuerpo negro cuya
temperatura superficial es de 5800 ºK.
2. La relación entre la intensidad de la radiación y
la temperatura del cuerpo negro está descripta por
la Ley de Stefan-Boltzmann.
E = σT4 (Wm-2)
σ = 5.67 * 10-8 W m-2 K-4
3. La densidad de energía radiante desde el cuerpo
negro para una longitud de onda  a la tempratura T
depende de la longitud de onda y de la temperatura ,
según la ley de radiación de Planck:
E,T 
8 h c

5
(Wm-2 µm -1)
1
hc
(
)
kT
e
1
k constante de Boltzmann (1.38054 10-16 erg K-1
4. La longitud de onda del máximo
de emisión para una determinada
temperatura está dada por la ley
de desplazamiento de Wien.
m = 0.21014 hc/kT
(se obtiene igualando a cero la
derivada con respecto a  de la
ecuación anterior)
Leyes de la radiación em:
Ley de desplazamiento de Wien
2897
max 
T
Donde λmax está en micrones y T en grados Kelvin.
Para el sol, T = 5780 ºK, entonces λmax =0.5μm.
Para
la
tierra
(promediada
verticalmente)
es
aproximadamente T = 255 ºK, entonces λmax igual a 11
micrones.
Preguntas
El máximo de emisión el sol a qué zona del
espectro em corresponde? Qué sistemas miden
en esta región del espectro em?
El máximo de emisión de la tierra? Qué
sistemas miden en esta región del espectro em?
¿Puedo determinar la longitud de onda para
monitoreo de incendios forestales?
Leyes de la radiación em en el visible
Los objetos no producen radiación
(1)
EM visible. Si no hay luz incidente
en el objeto no lo vemos.
El hecho de que
Vemos los objetos alrededor
(4)
diferentes objetos
(2)
nuestro porque reflejan la luz
reflejen de distinto
que los irradia como la luz del
modo hace posible que
sol o de una fuente artificial.
los podamos
diferenciar.
Leyes de la reflexión
(3)
Algunas substancias como la nieve
fresca tienen alto nivel de
reflexión, otras como suelo
húmedo un nivel mucho más bajo.
(5)
Los sensores se
diseñan para ser
sensibles a la energía
reflejada por la
superficie.
Leyes de la radiación em
(1)
Los objetos no producen radiación
EM visible. Sino hay luz incidente
en el objeto no lo vemos.
(4) Los objetos a temperatura
Pero si calentamos una pieza
ambiente también emiten su
(2) de metal, a partir de una
propia radiación EM, pero en
cierta temperatura, se
un rango de longitudes de
empieza a ver aún en la
onda que no es visible al ojo
oscuridad con un color rojo.
humano.
Esto está indicando que el
metal EMITE radiación visible
Leyes de la emisión
a nuestros ojos.
Esto muestra la importancia
que tiene la temperatura en
La radiación de un objeto está
(3) asociada a su temperatura. Esta
(5) la radiación emitida.
Algunos sensores son
debe ser alta para que la radiación
sensibles a la radiación
que emite la podamos ver.
emitida por las substancias
(infrarrojo térmico).
Preguntas
¿Cuál es mayor, la longitud de onda del rojo o del azul; y en el
caso de la frecuencia y la energía?
¿Qué zona del espectro EM cubre un mayor rango de longitudes
de onda, el visible o el infrarrrojo?
¿Puedo conocer la polarización de la radiación EM proveniente del sol?
¿Podemos ver la radiación emitida por objetos de la superficie
terrestre?
¿Podemos ver la radiación emitida por el sol?
Preguntas
¿A qué temperaturas debe emitir un objeto para generar
luz visible?