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