SENSORIAMENTO REMOTO DO CLIMA. Milton Kampel, Dr.

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1 SENSORIAMENTO REMOTO DO CLIMA Milton Kampel, Dr.

2 Radiômetros orbitais de infravermelho termal Desde anos 1960 até hoje, sensores orbitais medem a TSM com grande cobertura espacial e boa resolução temporal A visão sinóptica permite o mapeamento global, mesmo em regiões remotas ou pouco amostradas Precisões em torno de 0,5ºC Maior limitação são as nuvens

3 Radiômetros orbitais de infravermelho termal Razões para aplicação destas técnicas: - alta correlação entre níveis de cinza claros e escuros das imagens termais com temperaturas quentes e frias - caráter operacional dos satélites NOAA e geo-estacionários - cobertura de grandes áreas em pouco tempo - facilidade de disseminação dos dados

4 Principal aplicação: TSM As imagens infra-vermelhas dos oceanos obtidas por satélites, tem sido utilizadas para o estudo de fenômenos e processos oceanográficos, como as correntes, frentes, ressurgências, vórtices e meandramentos, a partir de observações das variações da temperatura da superfície do mar (TSM).

5 Obtenção da TSM -1 Todo corpo com temperatura absoluta maior que 0K (-273 o C) emite radiação eletromagnética, também denominada de emissão termal, e pode ser considerado como uma fonte de radiação; Esta radiação eletromagnética se propaga na forma de onda, sendo que todos os comprimentos de onda viajam numa mesma velocidade: a velocidade da luz; O conjunto de todas as radiações, em todos os comprimentos de onda, caracteriza o espectro eletromagnético;

6 Espectro eletromagnético

7 Obtenção da TSM -2 A obtenção da TSM é feita a partir da radiação emitida pela água, na faixa do infravermelho termal do espectro eletromagnético; O espectro da Terra aproxima-se de um Corpo Negro à 300K, com pico de emissão em torno de m; O sol emite energia como um corpo negro à 5900K, com pico entre 0,4-0,7 m (emitindo até 3,2 m, aproximadamente);

8 Corpo negro Radiador perfeito cuja quantidade de radiação emitida por unidade de área segue a Lei de Stefan-Boltzmann M = st 4 Onde s = 5.67 x 10-8 W m -2 K -4

9 Obtenção da TSM -2 Corpo Negro é um objeto que irradia energia a uma taxa máxima por unidade de área e por comprimento de onda numa dada temperatura. Ele irradia toda a energia que absorve, isotropicamente, ou seja, igualmente em todas as direções.

10 Lei de Planck A lei de Planck mostra que a taxa de radiação emitida por um corpo negro em um determinado comprimento de onda é dada por: 5 ( C2 / T ) 1 I C [ e 1 1 ] Onde: = Comprimento de onda em m. C 1 = 3, W.m 2 (1 a. Constante de radiação) C 2 = 1, m.k (2 a. Constante de radiação) T= temperatura absoluta (K) O comprimento de onda onde a emissão de energia é máxima é dado pela lei de deslocamento de Wien: máx T C 3 Onde C 3 é uma constante de valor 2897 m.k -1

11 Emissividade As propriedades emissivas da maioria dos corpos reais são descritas por suas emissividades espectrais definidas como a razão entre a excitância de uma superfície real e a excitância de um corpo negro à mesma temperatura: = M (superfície real) / M (corpo negro) onde M expressa a densidade do fluxo radiante, isto é, o fluxo emitido pela superfície, dividido pela área da superfície. Em geral, independe da temperatura, sendo dependente da natureza da superfície.

12 Emissividade M M sup. real sup. ideal

13 Cálculo da TSM O sensor no satélite irá medir a radiância (L) de uma superfície, ou seja, o fluxo radiante por unidade de ângulo sólido emitido por uma superfície em uma determinada direção A intensidade de L depende tanto da TSM como de sua emissividade A emissividade do oceano é conhecida (~1)

14 Cálculo da TSM Para a emissão infravermelha, a superfície do mar pode ser considerada Lambertiana, ou seja, radiância uniforme em todas as direções. Portanto teremos: M I C L Invertendo-se a Lei de Planck: Temperatura de brilho 5 ( C2 / T ) 1 1 [ e 1] Algoritmos split-window: Temperatura real da superfície do mar (TSM)

15 Efeitos atmosféricos

16 Efeitos atmosféricos O principal obstáculo às medições da TSM na faixa do infravermelho é a atenuação atmosférica A atmosfera interage com a radiação emergente do oceano absorvendo e, às vezes, reemitindo ou mesmo espalhando esta radiação em comprimentos de onda diferentes do original Existe uma forte banda de absorção que separa a parte infravermelha termal do espectro em duas regiões: 3-5 e 9,5-13,5 m

17 Efeitos atmosféricos Os principais atenuadores atmosféricos são: o vapor d água, o ozônio, o dióxido de carbono e os aerossóis A atmosfera sendo mais fria que a superfície do mar, absorve a radiação por meio de seus constituintes e a reemite como uma fonte de menor temperatura, com o consequente deslocamento do pico de emissão para comprimentos de onda mais longos Assim, o efeito da atmosfera é reduzir a radiação que chega ao sensor, causando, consequentemente, uma sub-avaliação nos valores de TSM

18 Cálculo da TSM A precisão da TSM obtida por satélite depende fortemente dos modelos de correção atmosférica empregados Modelos mais usados: MCSST e NLSST TSM = C 1 T 11 + C 2 (T 11 T 12 ) + C 3 sec( ) + C 4 TSM = C 1 T 11 + C 2 (T 11 T 12 )T ref + C 3 (T 11 T 12 )(sec( )-1) + C 4

19 TSM Estas TSMs representam, rigorosamente, a temperatura de pele (skin temperature) uma vez que a radiação infravermelha é emitida somente pelas camadas de moléculas de água próximas à superfície, cuja temperatura caracteriza a radiação observada pelos sensores

20 Satélite NOAA 1/ABR/ Lançamento do primeiro satélite meteorológico TIROS-1 NOAA & NASA

21 Órbita Órbita polar Heliossíncrona Altitude nominal de 850km Inclinação de 98,8º Período nodal de 102min Nº órbitas 14,2/dia Fonte: Modificado de NASA (2002, p. 18) Operação em pares Atualização a cada 6 horas

22 Configuração Atual Fonte: Adaptado de Goodrum et al. (2001)

23 Instrumentos AVHRR HIRS AMSU SBUV Fonte: NASA (2002)

24 AVHRR O primeiro AVHRR foi um radiômetro de 4 bandas, a bordo do TIROS-N (Outubro de 1978). Foi seguido pelo AVHRR/2, de 5 bandas, em órbita a partir do NOAA-7 (Junho de 1981). A última versão é o AVHRR/3, com 6 bandas, a partir do NOAA-15 (Maio de 1998). Sistema de varredura transversal. A cada linha imageada, o sensor realiza uma abertura de 55,4º, aproximadamente, em relação ao nadir, cobrindo uma faixa de 2400 km de largura. A resolução no nadir é de 1,1 km. Formato dos dados: HRPT, LAC, GAC

25 Bandas do AVHRR-3 Banda Comp. de Onda (µm) Aplicação Mapeamento de nuvens diurnas Limites terra-água 3A Detecção de neve e gelo 3B Mapeamento de nuvens noturnas, TSM TSM TSM

26 AVHRR A precisão das TSM s obtidas por satélites são fortemente dependentes dos modelos de correção atmosférica empregados; MCSST e NLSST; Estas TSM s representam, rigorosamente, a temperatura pelicular (skin temperature) uma vez que a radiação infravermelha é emitida somente pelas camadas de moléculas de água próximas à superfície, cuja temperatura caracteriza a radiação observada pelos sensores.

27 Processamento Georreferenciamento Algoritmo de TSM Escalonamento

28 Outros sensores O radiômetro VAS (Visible and Infrared Spin Scan Radiometer - VISSR, Atmosferic Sounder) instalado nos satélites da série GOES, adquire em sua banda do infravermelho termal, imagens dos oceanos com resolução espacial no nadir de 8-14km, a cada meia hora, fornecendo uma visão oblíqua de quase 2/3 da superfície terrestre;

29 Outros sensores O ATSR (Along Track Scanning Radiometer) instalado a bordo dos satélites ERS possui um radiômetro infravermelho (IRR) com 4 canais (1,6, 3,7, 10,8 e 12,0 m); Realiza o imageamento de uma mesma área através de 2 ângulos de visada diferentes (0º e 52º), com largura de 500 km, para correção dos efeitos atmosféricos; Pixels de 1 x 1km; O ATSR-2 possui ainda mais 3 canais (2 no visível e 1 no infravermelho próximo); O Ocean Colour and Temperature Scanner (OCTS) a bordo do satélite ADEOS possuía 8 bandas no visível e infravermelho-próximo e 4 bandas no infravermelho termal (3,55-3,88, 8,25-8,80; 10,3-11,4; 11,4-12,5 m); Resoluções espacial = 700m, Temporal = 3 dias e faixa = 1400km.

30 Exemplos

31 Ressurgências São Tomé São Tomé C. Frio C. Frio São Sebastião São Sebastião

32 Ressurgências S. Marta Lagoa dos Patos

33 Vórtices, frentes e meandros Vitória NOAA-12 05/09/93 São Tomé São Tomé C. Frio C. Frio São Sebastião

34 Vórtices e meandros Vitória Vitória Cabo S.Tomé Cabo S.Tomé Cabo Frio Cabo Frio

35 Pesca

36 Pesca

37 Ressurgência AVHRR/NOAA

38 Ressurgência

39 Confluência Brasil - Malvinas

40 Águas frias vindas de sul PROJ. COROAS São Tomé São Sebastião C.Frio Paranaguá São Sebastião S.Marta

41 Águas frias vindas de sul São Tomé São Tomé C.Frio C.Frio São Sebastião São Sebastião

42 Águas frias vindas de sul

43 Clima Anomalia de TSM entre 18 e 24 de junho de 2002 Oceano Atlântico em cima Oceano Pacífico em baixo

44 Vórtice

45 ATSR Sensor a bordo dos satélites ERS-1 e ERS-2, de órbita heliossíncrona, quasipolar numa altitude de cerca de 750 km Baixa resolução temporal, porém excelente resolução radiométrica (0.1 K) Quatro canais (1.6 m, 3.7 m, 11 m e 12 m) Correção atmosférica via algoritmo de visada dupla multi-canal Fornece a temperatura de pele dos oceanos, que se refere a camada molecular marinha da interface ar-mar AATSR voa no ENVISAT-1 com 4 canais termais mais 3 no visível e 1 no IV próximo

46 GOES Sensor a bordo dos satélites de órbita geossíncrona GOES Altíssima resolução temporal e boa resolução radiométrica ( < 1 K) Cinco canais, sendo dois no IV termal

47 TRMM Microwave Imager Sensor a bordo do satélite de órbita equatorial TRMM, cobre a totalidade da terra em 3 dias Fornece dados sobre precipitação entre 40 o S e 40 o N Cinco canais: 10.7, 19.4, 21.3, 37, 85.5 GHz com dupla polarização O canal de 10.7 GHz fornece dados de TSM a partir de um algoritmo que remove os efeitos da rugosidade da superfície do oceano Primeiras estimativas precisas de TSM nos oceanos sem a interferência das nuvens

48 MODIS Sensor a bordo do satélite TERRA desde dezembro de 1999 Fornece dados multiespectrais com resolução radiométrica de até 0.25 K

49 El-Niño O fenômeno El Niño é uma perturbação do sistema oceano-atmosfera no Pacífico tropical O processo causa intensas enchentes no sul dos EUA, Peru e sul do Brasil, assim como grande seca no oeste do Pacífico provocando fortes incêndios florestais na Australia. Condições normais: ventos alíseos sopram para oeste empilhando água quente a oeste (diferença de ~0.5 m e ~8 o C entre leste-oeste) Condição de El Niño: declínio do vento leva a troca na profundidade da termoclina e fim da ressurgência na costa do Peru Condição de La Niña: em geral segue o El Niño com anomalias negativas de TSM causadas pela intensificação dos ventos

50 El-Niño

51 El-Niño O fenômeno El Niño também pode ser acompanhado através de cartas de anomalia de altura do mar produzidas com dados altimétricos O sensor mais utilizado é o radar altímetro do TOPEX- Poseidon Um índice T/P El Niño, a partir de dados T/P e área pode dar uma idéia do voluma de água deslocada. No gráfico ao lado cada unidade equivale a 1 trilhão de m 3 (tons) extra de água

52 Validação Linear regressions between the bulk temperatures from COADS (T bulk ) and the AVHRR BTs and SSTs (T sat ) (a) central pixel linear regression (T bulk = a T sat + b) deltat = T bulk - T sat ( o C) channel a b N r mean std SST (b) average pixel linear regression (T bulk = a T sat + b) deltat = T bulk - T sat ( o C) channel a b N r mean std SST Imagens de DT entre cenas AVHRR e ATSR no Atlântico Sudoeste

53 MSG

54 MSG

55 MSG

56 TSM AVHRR/NOAA

57 TSM AVHRR/NOAA

58 TSM AVHRR/NOAA

59 TSM AVHRR/NOAA

60 TSM AVHRR/NOAA

61 COBERTURA MODIS INPE

62 TSM MODIS

63 MODIS TSM

64 Negri, E.O., 2003 CORRENTES SUPERFICIAIS

65 CORRENTES SUPERFICIAIS

66 Modelagem numérica BATIMETRIA TEMPERATURA OUT/96 OUT/96 Modelo POM, campos de elevação e velocidades (Silveira,I. e Calado, L.)

67 Climatologia do Oceano Global

68 Variabilidade climática Diagrama Hovmoller (longitude versus tempo) das anomalias de TSM do TMI na latitude de 23 o S entre janeiro de 1998 e dezembro de Diagrama Hovmoller (longitude versus tempo) das anomalias de TSM do TMI na latitude de 23 o S entre janeiro e dezembro de 2000.

69 Benefícios O compromisso em fornecer uma observação meteorológica global e sistemática. A cobertura global é obtida quatro vezes por dia; O esforço em suportar a cooperação internacional para atividades no espaço. O conjunto de instrumentos a bordo destes satélites deve atender a necessidades de 140 nações. Mais da metade dos instrumentos é fornecida por outros países que não os EUA; A contribuição dada aos esforços internacionais em operações de busca e salvamento. Desde 1982, este programa já salvou mais de vidas (01/2002)

70 Benefícios O fornecimento de dados para pesquisas sobre as mudanças climáticas globais. O acesso aos dados TIROS é aberto a todas as nações. Em alguns casos, estas informações são as únicas disponíveis; A viabilização de previsões meteorológicas de 3-5 dias que facilitam o planejamento de atividades comerciais e/ou recreacionais; O uso dos dados TIROS por agências governamentais no gerenciamento de recursos, monitoramento ambiental, planejamento urbano, etc;

71 Benefícios O monitoramento dos níveis atmosféricos de ozônio e de padrões migratórios de certos animais, assim como a detecção de queimadas; A economia de recursos públicos e privados devido às informações fornecidas e ou previstas antecipadamente.

72 Fontes de dados

73 Obrigado