Centro de Previsâo de Tempos e Estudos Climáticos
CPTEC/INPE
Princípios físicos do sensoriamento remoto da atmosfera
Dr. Simone Sievert da Costa
Programação 3º e 4º feira Princípios físicos do sensoriamento remoto da atmosfera.
Radiação Eletro Magnética (REM)
Interferência do sistema Terra-Atmosfera no sinal recebido por um satélite.
Bandas de absorção
Balanço de energia / interação superfície atmosfera
A estrutura de uma imagem de satélite:
Count – Radiância – Refletância - temperatura de brilho.
Reconhecimento de alvos: classificação de imagens.
Canais espectrais de informação: GOES Imager e Sounder, MSG-SEVIRI,
Aqua/Terra-MODIS, NOAA-AVHRR.
A Nova Era da Meteorologia
TIROS I during ground tests
Source: NASA Florida
TIROS (Television Infrared Observation Satellite)
A Nova Era da Meteorologia
02 Abril 1960
A Nova Era da Meteorologia
Primeira Imagem TIROS I (1st Abril, 1960)
Sistema Global Observacional de Satélites Operacionais
Princípios Físicos do Sensoriamento Remoto
Sensoriamento Remoto – conjunto de técnicas para obtenção de informações de objetos sem que haja contato físico com eles.
Fonte
Sensor Alvo
REM
4 elementos
Fonte
Sensor Alvo
REM
A fonte de REM difere para as diferentes aplicações:
O Sol é a principal fonte de REM para os sensores ópticos;
A Terra é a principal fonte de REM para sensores termais e microondas passivas
Transmissores de REM na faixa de microondas para radares.
Fonte: produz a radiação que irá
interagir com o alvo. Fonte
Sensor Alvo
REM
Sensor: é o instrumento que coleta a REM
refletida, transmitida ou emitida pelo alvo; Fonte
Sensor Alvo
REM
Alvo: é o elemento que se pretende extrair
informações;
Landsat 1 – 1976 Landsat 7 - 2001
Fonte
Sensor Alvo
REM
4 elementos estão envolvidos:
A Radiação Eletromagnética (REM) é o elemento de
ligação entre todos os demais que se posicionam nos
vértices: sensor, alvo e fonte de REM.
Fonte
Sensor Alvo
REM
Radiação Eletromagnética
Variações Perpendiculares Magnéticas e Elétricas
• Comprimento de onda (
Frequência - número de ciclos que uma onda passa por um ponto fixo por unidade de
tempo. 1 Hertz (Hz) = indica um ciclo por segundo.
• Frequência (f)
f = c/ ,
c = velocidade da luz
Radiação Eletromagnética
Características da radiação eletromagnética:
E - energia
h – constante de Planck's
c – velocidade da luz
E= h c
Energia é inversamente
proporcional ao
comprimento de onda
Energia associada a Onda Eletromagnética
O conjunto de comprimentos de ondas que compõem a REM é conhecido como Espectro Eletromagnético, o qual é dividido em regiões espectrais.
O Sensoriamento remoto utiliza energia radiante que é emitida e refletida pela Terra em vários comprimentos de onda do espectro eletromagnético.
A visão humana é sensível apenas à luz visível, que é uma pequena parte do espectro
eletromagnético.
Princípios Físicos do Sensoriamento Remoto
Espectro eletromagnético
QuiZ 1 -Radiação Eletromagnética
A)
B)
C)
Q2 - maior freqüência
(A) (B) (C)
Q3 – menor energia
(A) (B) (C)
Q1- Indicar qual onda que apresenta:
i) maior comprimento de onda
(A) (B) (C)
ii) menor comprimento de onda
(A) (B) (C)
Conceito Simb. Definição Unidade
Energia W Capacidade de realizar trabalho Joule [J]
Energia Radiante Q Energia radiada em todas as direções e
transmitidas em forma de ondas EM
Joule [J]
Fluxo Radiante F Energia por unidade de tempo F=dQ/dt [J/s] = [W]
Densidade de fluxo
radiante
Fluxo radiante interceptado por unidade de
superfície plana
[W/m2]
Irradiância E Fluxo por unidade de área que incide sobre
uma superfície E=dF/dA
[W/m2]
Emitância M Fluxo por unidade de área que incide que
deixa uma superfície
[W/m2]
Intensidade
Radiante
I Fluxo emitido por um corpo pontual, por
unidade de ângulo sólido
[W/sr]
Radiância L Total de energia radiada em um direção por
unidade de tempo, área e ângulo sólido
[W/(m2 sr)]
Grandezas Radiométricas
Amostragem da REM por um sensor hipotético
Grandezas Radiométricas
Sensor
Alvo
Sensor
Um sensor localizado em uma plataforma orbital forma
um ângulo sólido com uma área da superfície da terra,
amostrando então, a radiância que uma determinada
área emite ou reflete.
O que os instrumentos a bordo dos
satélites medem?
Eles NÃO medem TEMPERATURA
Eles NÃO medem UMIDADE ou OZÔNIO
Eles NÃO medem VENTO
• Radiação Incidente
• Radiação Transmitida
• Radiação Refletida
• Radiação Absorvida
Linc
Ltrans
Lrefl
Labs
1 = t + r + a
Linc = Ltrans + Lrefl + Labs Conservação de energia
Linc
Labs
Lrefl
Linc
Ltrans
Labs
Lrefl
Propagação da Radiação
– Definição de Corpo Negro
– Principais Leis:
• Lei de Kirchoff
• Lei de Stephen- Boltzmann
• Lei de Planck
• Lei de Wien
Leis da Radiação
•As Leis da radiação descrevem as propriedades físicas
fundamentais associadas a radiação emitida/absorvida.
Leis da Radiação: Corpo Negro
Em física, um corpo negro é um objeto idealizado que absorve toda a radiação
eletromagnética que incide sobre ele. (por isso é negro na temperatura ambiente)
Figura 01: representação de um corpo negro perfeito
que não reflete a radiação, considerando-o a
temperatura de 0K. Figura 02: representação de um corpo negro a uma
temperatura alta, próxima de 10³K
A radiação emitida pelo corpo negro se explica pelas Leis da Radiação
A refletividade é nula, emissividade é e = 1.
• Lei de Kirchoff
Leis da Radiação
Para um dado comprimento de onda e uma dada temperatura, a absortividade de um
corpo é igual a sua emissividade:
Todo bom absorvedor é um bom emissor, portanto um corpo negro a=1 e e =1
aλ = eλ
• Lei de Stefan-Boltzmann
Em que:
E – Energia total irradiada por unidade de área – [W/m2]
s - constante de Stefan-Boltzmann (com valor de 5,67 x 10-8 W/m2K4)
T – Temperatura em Kelvin [K]
Leis da Radiação
Lei de Stefan-Boltzmann estabelece que todo corpo acima de 0K emite energia
radiativa proporcional à quarta potência da temperatura absoluta desse corpo
E = s T4
•Lei de Planck B(T)
descreve a radiância emitida por um corpo negro à temperatura T e comprimento de onda
Leis da Radiação
B
Curvas de corpo negro para diferentes T
h = Const. de Planck =6,6·10-34 J.s
k = Const. de Boltzmann =1,38 10-23 J.K-1
• Temperatura de brilho (Tb)
Leis da Radiação
Temperatura de brilho é a temperatura à qual um corpo negro em equilíbrio térmico
com a vizinhança (ambiente) teria ao reproduzir uma intensidade emitida por um
objeto [B] em determinado comprimento de onda .
T
kmax
Lei do deslocamento de Wien
K = constante de Wien: 3000 mm.K B
Leis da Radiação
quiZ 2: Radiação de Corpo Negro
(A) (B)
Qual material se aproxima a um corpo negro? Quartzo ou Água?
QuiZ 3: Leis da Radiação B
Principais Leis:
A) Lei de Kirchoff
B) Lei de Stephen- Boltzmann
C) Lei de Planck
D) Lei de Wien
aλ = eλ
E = s T4
T
kmax
QuiZ 4: Leis da Radiação B
Principais Leis:
A) Lei de Kirchoff
B) Lei de Stephen- Boltzmann
C) Lei de Planck
D) Lei de Wien
aλ = eλ
E = s T4
T
kmax
QuiZ 5: Leis da Radiação
Principais Leis:
A) Lei de Kirchoff
B) Lei de Stephen- Boltzmann
C) Lei de Planck
D) Lei de Wien
aλ = eλ
E = s T4
T
kmax
T
kmax
K = 3000 K mm
TSol = 6000 K
T Terra = 300 K
QuiZ 6: Lei de Wien
max associado ao pico de emissão = ?
@Nasa
Curvas de Corpo negro
Jensen 2007
Interação da REM & atmosfera/superfície
• Partículas e gases
atmosféricos podem afetar
a radiação proveniente do
alvo, devido aos
mecanismos de
espalhamento e
absorção.
Albedo expressa a porcentagem da radiação incidente é refletida.
Adapted from mbinford/geog.ufl.edu
Diferentes
superfície e
albedos
Interação da REM & atmosfera/superfície
Absorção da radiação incidente na região
espectral de 0.1 to 30 mm por
diversos gases atmosféricos (N2O,
[O2 e O3], CO2, e H2O) e o efeito
acumulativo de todos os gases.
Reduz a radiação solar incidente ao nível da superfície
e a radiação emitida/refletida pela superfície que atinge o sensor orbital.
Efeitos atmosféricos:
• Absorção
• Espalhamento
Interação da REM & Oceano
Escolha das bandas (à princípio) para observar à superfície:
(A) (B)
QUIz - Interação da REM com atmosfera
(A)
(B)
(A)
(B)
• Sistema de informações geográficas (SIG) - conjunto de
procedimentos computacionais visando facilitar a análise, o
processamento e a representação espacial de um fenômeno ou uma
variável.
• ILWIS – software gratuito e amigável (USER-FRIENDLY)
• Historia: 20 anos (1984).
• Desenvolvedor: ITC (Faculty of Geo Information Science and Earth
Observation, University of Twente- Holanda) .
ILWIS – Integrated Land and Water
Information System
Analisar e processar imagens dos satélites GOES-13
e METEOSAT-10 utilizando o ILWIS, verificando na
prática os conceitos de Sensoriamento remoto.
Atividade Prática
Descrição das Imagens
Curso de Básico de Meteorología por
Satélite – 5-7 de março de 2012
Descrição das Imagens
• Prática