Energia Eletromagnética. Q = h.c/λ. c = λ. f A energia eletromagnética se propaga. Q = h. f. Teoria Ondulatória. Teoria Corpuscular (Planck-Einstein)

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1 Energia Eletromagnética Teoria Ondulatória (Huygens-Maxwell) c = λ. f A energia eletromagnética se propaga seguindo um modelo harmônico e contínuo na velocidade da luz, em dois campos ortogonais, um elétrico (E) e outro magnético (B). Teoria Corpuscular (Planck-Einstein) Q = h. f A energia eletromagnética se propaga como uma sucessão de unidades discretas de energia denominados d fótons ou quantuns com massa igual a zero. c = Velocidade de propagação da e.e.m. λ = Comprimento de onda da radiação. f = Frequência do sinal. Q = Quantidade de energia do fluxo radiante h = Constante de Planck Q = h.c/λ λ (Pinilla, 1995) Quanto maior o comprimento de onda ou menor a frequência o conteúdo energético é menor e vice versa. As radiações de maior comprimento de onda são as mais difíceis de detectar.

2 Espectro Eletromagnético NEWTON NÃO VISÍVEL NÃO VISÍVEL HERSCHEL (Chuvieco, 1993) E.E.M.: Conjunto de comprimentos de onda/frequência ordenados de forma sequencial. Bandas: Intervalos do e.e.m. em que o sinal apresenta características similares.

3 Radiação Eletromagnética NOMENCLATURA (I) Conceito Energia Energia Radiante Densidade de Energia Radiante Q W Fluxo radiante Φ Densidade de fluxo radiante Irradiância Emitância o Exitância Intensidade radiante Radiância E M I L Definição Capacidade para realizar um trabalho. Energia radiada em todas as direções e transmitida em forma de ondas eletromagnéticas. Taxa de variação de energia radiante por unidade volumétrica. Taxa de variação de energia radiante por unidade de tempo. Fluxo radiante interceptado por unidade de superfície plana. Densidade de fluxo radiante sobre una superfície por unidade de área. Densidade de fluxo radiante que deixa uma superfície por unidade de área. Fluxo radiante emitido por una fonte pontual por unidade de ângulo sólido numa determinada direção. Unidades Joules (J) Joules (J) dq W = dv dq Φ = dt 3 [ J m ] [ W ] [ W m 2 ] por unidade de ângulo sólido numa I = [ W sr] Total de energia radiada em una direção por unidade de área e de ângulo sólido. dφ dω [ W sr] di L = cosθ da 3 m 2

4 Radiação Eletromagnética NOMENCLATURA (II) Radiano: Ângulo plano cujo comprimento do arco é igual ao raio. α L=r α L r Radiância.- Intensidade radiante por unidade de área normal a fonte numa dada direção. Estéreo-radiano: Ângulo sólido que se forma quando a superfície do casquete esférico (A) é igual ao quadrado do raio (r) da esfera. Ángulo Sólido Ω Ω A=r 2 (Modificado de Mather, 2003) (Pinilla, 1995)

5 Energia Eletromagnética NOMENCLATURA (III) Conceito Radiância Espectral Exitância Espectral L λ M λ Definição Radiância para um determinado comprimento de onda. Emitância para um determinado comprimento de onda. Irradiância para um determinado comprimento Irradiância Espectral E λ de onda. Emissividade Refletância ε ρ Relação entre a Exitância de uma superfície (M), e a Exitância de um emissor perfeito (corpo negro), a mesma temperatura. Relação entre o fluxo incidente e o fluxo refletido numa superfície. Relação entre o fluxo incidente e o fluxo Absortância α absorvido numa superfície. Transmitância τ Relação entre o fluxo incidente e o fluxo transmitido numa superfície.

6 Leis da Radiação Eletromagnética O CORPO NEGRO A superfície de um corpo negro mantido numa certa temperatura emite radiação em todos os comprimentos de onda Se denomina corpo negro a um emissor e receptor de energia perfeito (ideal). Simulação de um corpo negro (Pinilla, 1995) Se o Sol fosse um emissor perfeito se poderia considerar como um exemplo de corpo negro onde toda a energia calorífica se transforma em energia radiante. A radiação emitida pelo corpo negro se explica pelas Leis da Radiação.

7 Leis da Radiação Eletromagnética 1.- Lei de PLANK Relaciona o fluxo de energia com o comprimento de onda. A lei descreve a Exitância Espectral para o corpo negro: M λ, T = 8 π hc 1 h = Constante de Planck =6, W s 2 5 hc λkt k = Constante de Boltzman =1,38054±0, erg.k -1 λ e 1 A densidade de energia radiante de um corpo negro para um comprimento de onda λ (exitância espectral) em uma determinada temperatura T, depende do comprimento de onda e da temperatura. espectral E Wm -2 μm -1 λ (W ) Emita ancia Radiativa Curvas de Exitância de um corpo negro em distintas temperaturas. Qualquer objeto com temperatura superior ao zero absoluto radia energia e esta aumenta com a temperatura. Para maiores temperaturas, o corpo negro radiará com maior intensidade nos comprimentos de onda mais curtos. (Pinilla, 1995)

8 Leis da Radiação Eletromagnética 2.- Lei de STEFAN-BOLTZMAN Todos os corpos por cima do zero absoluto (-273ºC ou 0 K), emitem radiação. Esta Lei explica a relação existente entre a intensidade de radiação e a temperatura de um corpo negro. A Exitância Espectral de um corpo negro para todos os comprimentos de onda, permite obter a energia total radiada por unidade de superfície: 4 σ= Constante t de Stefan-Boltzman= 5,67.10 M = σ T -8 wk -4 T= Temperatura Absoluta (ºK) A Exitância global de um objeto está em função da sua Temperatura, e pequenas mudanças nesta implicam grandes variações da sua Exitância. (Mather, 2003) Curvas de Exitância para o corpo negro a 290 K e K, temperaturas aproximadas da Terra e do Sol. A distribuição da Exitância de um corpo negro a K está próxima a curva da Exitância Solar. Pode-se considerar que a Terra atua como um corpo negro a 290 K. A radiação solar máxima se produz a 0,47μm. 46% da energia total transmitida pelo é í 0,76μm) Conhecendo-se a temperatura t do Sol é realizada na faixa do visível (0,40 objeto emissor se pode estimar a Irradiância sobre o sensor.

9 Leis da Radiação Eletromagnética 3.- Lei do deslocamento de WIEN O comprimento de onda em que se produz a máxima Exitância espectral a uma temperatura dada é: (Modificado de Chuvieco, 2002) λ max = T ( μmk ) ( K ) Os valores máximos de Exitância se deslocam em direção a comprimentos de onda mais curtos ao aumentar a temperatura. Permite selecionar a banda mais adequada para detectar um objeto a uma determinada temperatura. A seleção de bandas para seu uso no sensoriamento remoto está limitada, principalmente, pelas: 1. Características da fonte de radiação. 2. Os efeitos de absorção y dispersão atmosférica. 3. A natureza do objeto.

10 Fontes de Radiação Eletromagnética SISTEMAS DE SENSORIAMENTO REMOTO Passivos: Emissão e Reflexão natural (1) Emissão natural (2) Ativos: Emissão-Reflexão ã artificial i (3) (Chuvieco, 1993) (1) (3) (2) Sensor Passivo Sensor Ativo

11 Absorção / Transmissão Atmosférica da E. E. M. A ABSORÇÃO ATMOSFÉRICA reduz a energia disponível em determinados comprimentos de onda devido a não transparência de alguns dos seus componentes nesses comprimentos de onda. ATMOSFERA: Filtro seletivo de comprimentos de onda ABSORVENTES: Vapor de água, CO 2, O, O 2 y O 3 Bandas de Absorção Seletiva / Janelas Atmosféricas Sensoriamento Remoto = f (Transmissão Absorção) (Pinilla, 1995) Zonas de atuação do Sensoriamento Remoto (Domínios) Ótico (VIS+IVp) IV Térmico Microondas

12 Dispersão Atmosférica ou Scattering (Domínio Ótico) A DISPERÇÃO ATMOSFÉRICA é consequência da interação entre a energia eletromagnética e os aerosóis da atmosfera. Muda a direção do fluxo eletromagnético. Provoca uma diminuição do contraste da imagem: Desvio dos raios procedentes da superfície. Soma das radiações procedentes de outras zonas da superfície terrestre e da própria atmosfera. Importante nas bandas IV, VIS e UV; quase nula nas MO. Dispersão Rayleigh em função do λ (Pinilla, 1995) TIPOS DE DISPERSÃO Não Seletiva (Afeta a todos os λ) As partículas dispersantes são maiores que o λ da radiação. Seletiva As partículas dispersantes são menores ou iguais ao λ da radiação. Dispersão Rayleigh (menor) Dispersão Mie ( Igual )

13 Natureza do Objeto (Domínio Ótico) (Pinilla, 1995) Distribuição do fluxo de energia DISTRIBUIÇÃO DA ENERGIA Φ Φ + Φ + Φ 1 = i = r a t Φ Φ Φ r a + + Φ i Φ Φ t + ρ + α + τ = 1 i i A porção de energia refletida por uma superfície depende da: Rugosidade da superfície reflectante respeito ao comprimento de onda incidente, Índice complexo de refração do material, Ângulo de incidência da radiação. (Pinilla, 1995) Formas de reflexión

14 Natureza do Objeto (Domínio Ótico) EMISSIVIDADE / ASSINATURA ESPECTRAL Os objetos reais não se comportam como corpos negros. A relação entre a capacidade radiante de um objeto e a do corpo negro se denomina Emissividade Espectral: Segundo a sua Emissividade, os objetos podem ser: ε M λ, o λ =ε=1 Radiador Perfeito (Corpo negro) ε λ = 0< ε λ <1; ελ=constante Corpo cinza ε λ =ε=0 Refletor Perfeito M λ, cn ελ=f(λ) Radiador Seletivo ρ + α + τ = 1 ρ λ + αλ + τ λ = 1 1 Emiss sividade Corpo negro Corpo cinza Radiador Seletivo (Chuvieco, 1995) 0 Refletor Perfeito Comp. de onda Assinatura Espectral

15 Sistemas de S. R. na Região das Microondas 1mm<λ<3m Informação distinta e complementar a informação obtida no ótico. Permeabilidade a cobertura de nuvens. (Henderson & Lewis, 1998) SISTEMAS: PASSIVOS. Detectam pequenas quantidades de radiação na região das microondas. Radiômetros de microondas. ATIVOS. Emitem seu próprio feixe de energia e captam o eco do sinal retro-dispersado. Independentes da iluminação externa Sensores qualquer-tempo (Meteorológico Horário) RADAR (RAdio Detection And Ranging) Aplicações primárias: Áreas tropicais com cobertura de nuvens quase permanente. Zonas polares com poucas horas de iluminação. Instrumentos: RAR (Real Aperture Radar) SAR (Synthetic Apeture Radar) 15

16 RADAR SAR (Microondas) Equação fundamental P 2 2 Pt r = 4 G λ 3 ( 4 π ) r σ P r = Potência retro-dispersada r P t = Potência transmitida G = Fator de ganho da antena (visão lateral) r = Distancia entre o sensor e o alvo σ = Seção eficaz de retro-dispersão 0 σ σ DISPERSÃO RADAR POR UNIDAD DE SUPERFÍCIE (σ 0 ), ou COEFICIENTE DE RETRO-DISPERSÃO RADAR. Rugosidade do material. [R=f(λ)] Condutividade elétrica. Umidade Condições do terreno Declividade Orientação ABERTURA SINTÉTICA A resolução espacial está relacionada com o tamanho da antena. Um maior tamanho, melhor resolução. Para altas resoluções (10-30m) se necessitam antenas enormes, não funcionais. Os sistemas SAR registram os pulsos de um mesmo ponto da superfície em duas posições diferentes da trajetória; a resolução equivale a que se obteria com uma antena de comprimento equivalente a distancia entre ambas posições. 16

17 RADAR SAR (Microondas) SISTEMA RADAR - SAR (Henderson & Lewis, 1998) Esquema do sistema radar (Henderson & Lewis, 1998) PARÂMETROS DO SISTEMA Banda (λ) Ângulo de iluminação Polarização (HH-HV-VV) VV) GEOMETRIA DA OBSERVAÇÃO Deformação do relevo pela visão lateral Diferente resolução na distância e azimute Layover Foreshortening Sombra radar NATUREZA DA RADIAÇÃO Salpicado ou Speckle Layover e sombra radar