Introducción

Introducción » Acerca de esta lección

Esta lección presenta, en forma abreviada, las bases científicas que permiten interpretar las mediciones del satélite en el visible y el infrarrojo. Los conceptos y las prestaciones que se describen son comunes a la mayoría de los satélites meteorológicos, tanto geoestacionarios (GEO) como en órbita terrestre baja (LEO).

La lección presenta los conceptos básicos de la teledetección y la teoría de transferencia radiativa. Los conceptos científicos están organizados en torno a una serie de modelos conceptuales. Se incluyen asimismo imágenes que ilustran los conceptos y los relacionan con las observaciones.

Encontrará información más completa sobre la radiación y la transferencia radiativa en la lección de COMET titulada Fundamentos de teledetección en el visible e infrarrojo.

Introducción » Objetivos de aprendizaje

Después de estudiar esta lección podrá:

• explicar el concepto de radiación y la relación que existe entre la radiancia, la energía solar reflejada y la energía emitida por la Tierra;
• describir la radiación solar reflejada y la radiación terrestre en relación con las observaciones satelitales;
• comprender cómo los componentes atmosféricos absorben, reflejan y dispersan, en forma selectiva, la radiación solar reflejada y la radiación terrestre;
• comprender los procesos de transferencia radiativa;
• comprender la absorción selectiva que ocurre en la atmósfera.

Definición de radiancia

Definición de radiancia » Introducción

El objetivo de la teledetección o percepción remota consiste en medir con exactitud la energía electromagnética irradiada y reflejada por la Tierra y su atmósfera.

Esta sección explica lo que el satélite percibe de la Tierra en términos de las distintas unidades de radiación y las leyes que predicen su emisión en función de la temperatura y longitud de onda.

Definición de radiancia » Ecuación de radiancia

La ecuación de radiancia es fundamental para comprender cómo el satélite detecta la energía y cómo transformamos esas mediciones en productos.

La figura incluye la definición de cada término.

Definición de radiancia » Ecuación de radiancia de Planck

La radiación proveniente de la Tierra y de la atmósfera se describe mediante la función de Planck. Aquí la radiancia se expresa en función de la longitud de onda y la temperatura.

Las curvas de energía muestran la radiación solar entrante y la radiación de emisión terrestre. El área debajo de las dos curvas es igual, lo cual demuestra que a escalas de tiempo anuales existe un equilibrio térmico entre la Tierra y el Sol.

Definición de radiancia » La ecuación de Planck y la ecuación de temperatura de emisión

En meteorología, dada una medición de radiancia es común hacer referencia a la temperatura de emisión (o de brillo) asociada. En la ecuación de la izquierda, la ecuación de Planck se ha invertido para expresar la temperatura de emisión en función de la radiación de Planck y de la longitud de onda.

Definición de radiancia » La función de Planck, la longitud de onda y la temperatura, 1ª parte

A una longitud de onda dada, la radiancia de un objeto depende únicamente de su temperatura. Las flechas rojas en la gráfica de la derecha indican el máximo de las curvas de Planck correspondientes a diferentes temperaturas. Conforme aumenta la temperatura de la superficie de emisión, el pico de la curva de Planck se desplaza hacia una longitud de onda más corta, una propiedad conocida como la ley de Wien.

Definición de radiancia » La función de Planck, la longitud de onda y la temperatura, 2ª parte

Además, conforme la longitud de onda disminuye, la radiancia aumenta más rápidamente con la temperatura. Por ejemplo, compare el cambio en la radiancia de 6 y 14 µm para los intervalos de temperatura de 220 a 240 K y de 280 a 300 K. En la gráfica de la derecha, las líneas verticales representan el aumento en la radiancia a estas dos longitudes de onda. Observe que a 5 µm la radiancia aumenta casi en un 700 %, mientras que a 14 µm aumenta tan solo en un 60 %.

La detección de incendios y otras zonas calientes por medio de la banda infrarroja de onda corta, centrada en 3.9 µm, se basa en esta propiedad de la radiancia.

Definición de radiancia » Resumen

• La radiancia es una función de la longitud de onda y la temperatura.
• Para hacer referencia a la temperatura en las imágenes infrarrojas es común hablar de la temperatura de emisión, que se especifica por la radiancia y la longitud de onda.
• La temperatura de emisión de un cuerpo se calcula con la función de Planck.
• Conforme aumenta la temperatura, el pico de la curva de Planck se desplaza hacia una longitud de onda más corta.
• A una longitud de onda más corta, el aumento porcentual en la radiancia ΔR/R es mayor con un aumento de un uno por ciento en la temperatura ΔT/T de lo que sería el caso a longitudes de onda más largas.

Definición de radiancia » Mapa conceptual

Este mapa conceptual ilustra la relación entre la energía emitida por la Tierra y lo que observa el satélite.

Sistema de energía Sol-Tierra-atmósfera

Sistema de energía Sol-Tierra-atmósfera » Energía solar incidente

Sistema de energía Sol-Tierra-atmósfera » Energía solar incidente » Introducción

El noventa y nueve por ciento de la energía solar incidente tiene una longitud de onda inferior a 4 µm. El pico de intensidad ocurre cerca de 0.5 µm, que corresponde a la región visible del espectro. Esto implica un cuerpo emisor con una temperatura aproximada de 6000 K.

Sistema de energía Sol-Tierra-atmósfera » Energía solar incidente » Dispersión y absorción molecular

Las propiedades de absorción y retrodispersión de las nubes y los gases atmosféricos reducen casi a la mitad la cantidad de radiación solar que incide en la superficie terrestre. La dispersión molecular del nitrógeno y del oxígeno produce el color celeste del cielo, mientras que el calentamiento estratosférico se debe a la absorción y reemisión de la radiación por el ozono en la atmósfera superior.

Sistema de energía Sol-Tierra-atmósfera » Energía solar incidente » Energía solar reflejada

Parte de la energía solar es absorbida por la superficie terrestre, las nubes, los aerosoles y los gases. Además, una porción considerable es reflejada o dispersada hacia el espacio.

Sistema de energía Sol-Tierra-atmósfera » Energía solar incidente » Dispersión de la radiación solar

La geometría entre el Sol y el objeto observado y las características físicas de la superficie o las partículas que causan la dispersión son los factores que controlan las direcciones de dispersión de la energía. La porción de esa luz dispersada que el satélite podrá detectar depende del ángulo de observación respecto del objeto observado, que a su vez depende de la posición del satélite.

Perspectiva del GOES Este al final de la tarde

Al final de la tarde y al anochecer los aerosoles dispersan más energía hacia la nave espacial que en cualquier otro momento del día, lo cual revela claramente su presencia.

Sistema de energía Sol-Tierra-atmósfera » Energía solar incidente » Resumen

El lado izquierdo de este dibujo esquemático ilustra lo que sucede con la radiación solar entrante a nivel mundial. Conforme la radiación solar atraviesa la atmósfera, las nubes y los componentes atmosféricos la absorben, las moléculas la dispersan y las nubes la reflejan; cuando la radiación solar incide en la superficie terrestre, esta la refleja o la absorbe. Los números constituyen una aproximación de la energía media mundial correspondiente a cada proceso indicado (en W m^-2); la anchura de las flechas indica la magnitud relativa de los distintos flujos de energía. El lado derecho de la figura se describe en la próxima página de la lección (Energía emitida por la Tierra).

Resumen:

• Los componentes atmosféricos y la superficie terrestre absorben y reflejan la radiación solar entrante.
• En la atmósfera, las moléculas, los aerosoles y las nubes absorben el 23 % de la radiación solar entrante total.
• En la superficie terrestre, los continentes y los océanos absorben casi la mitad de la radiación solar entrante.
• El aire, las nubes y la superficie terrestre reflejan el 30 % de la radiación solar de vuelta hacia el espacio.

Sistema de energía Sol-Tierra-atmósfera » Energía emitida por la Tierra

Sistema de energía Sol-Tierra-atmósfera » Energía emitida por la Tierra » Absorción de la energía solar

La superficie terrestre, las nubes y, en menor medida, los componentes atmosféricos absorben la energía solar. La mayor parte de esta energía se vuelve a emitir a longitudes de onda infrarrojas. La cantidad de energía reemitida depende de la temperatura y la emisividad o eficiencia de emisión de la superficie terrestre, las nubes, los aerosoles y los gases.

Sistema de energía Sol-Tierra-atmósfera » Energía emitida por la Tierra » Energía térmica emitida por la Tierra

La Tierra y su atmósfera emiten energía principalmente en la región infrarroja del espectro. El noventa y nueve por ciento de la energía térmica saliente se emite a longitudes de onda superiores a 4 µm, con un pico cerca de 10 µm. Esto implica un cuerpo emisor con una temperatura aproximada de 290 K.

Sistema de energía Sol-Tierra-atmósfera » Energía emitida por la Tierra » Regiones de absorción y de ventana atmosférica

Aunque el espectro de radiación emitido por la Tierra se muestra como una curva suave (la curva de emisión terrestre en la figura de la izquierda), en realidad los gases atmosféricos absorben y luego reemiten la energía a longitudes de onda discretas. La gráfica de la derecha superpone el espectro de las emisiones terrestres entre 2 y 16 µm a las curvas de Planck correspondientes a distintas temperaturas. El aspecto recortado de la curva amarilla de la radiancia terrestre se debe a la variación en las distintas longitudes de onda provocada por las propiedades de absorción y emisión de los gases atmosféricos en distintos niveles de presión.

Sistema de energía Sol-Tierra-atmósfera » Energía emitida por la Tierra » Absorción de la energía térmica por la atmósfera

Cuando la energía térmica de longitud de onda λ encuentra una molécula, esa energía se absorbe, se dispersa o se propaga (es decir, pasa sin que se produzca ninguna interacción).

En términos generales, la atmósfera actúa como un absorbedor y emisor selectivo. Los gases absorben las radiaciones a ciertas longitudes de onda, pero no otras. La radiación absorbida a un intervalo de longitudes de onda dado se reemite en todas las direcciones.

Sistema de energía Sol-Tierra-atmósfera » Energía emitida por la Tierra » Resumen

El lado derecho de este dibujo esquemático ilustra lo que sucede con la radiación solar saliente a nivel mundial. Conforme la radiación emitida por la Tierra atraviesa la atmósfera, las nubes y los componentes atmosféricos la absorben y la reemiten. Los números son una aproximación de la energía media mundial correspondiente a cada proceso indicado (en W m^-2); la anchura de las flechas indica la magnitud relativa de los distintos flujos de energía. El lado izquierdo de la figura se describe en la sección Energía solar incidente.

Resumen

• Aproximadamente el 70 % de la radiación solar entrante es absorbida por la superficie terrestre y la atmósfera, y se reemite en forma de radiación térmica, principalmente en el infrarrojo.
• La radiación infrarroja saliente es atenuada por el CO₂, el H₂O y el O₃ atmosféricos.
• El grado de atenuación varía en función de la longitud de onda; por ejemplo, una ventana atmosférica en el infrarrojo cerca de 10.4 µm detecta la superficie terrestre, pero una banda de vapor de agua centrada en 6.2 µm solo detecta la mitad superior de la troposfera.
• Las emisiones de las moléculas atmosféricas y las nubes representan la mayor parte de la radiación infrarroja saliente.
• Los flujos de calor sensible y latente, que varían enormemente según el lugar, redistribuyen el 30 % de la energía solar incidente.

Sistema de energía Sol-Tierra-atmósfera » Resumen

Encontrará más información sobre las celdas individuales de esta tabla en la versión publicada en la lección de COMET titulada Fundamentos de teledetección en el visible e infrarrojo.

Ecuación de transferencia radiativa

Ecuación de transferencia radiativa » Introducción

La radiación detectada por el satélite puede incluir componentes tanto de la superficie como de la atmósfera. Observe que la radiación proviene de distintos niveles de la atmósfera.

Ecuación de transferencia radiativa » La ley de Beer

La radiación de la superficie terrestre y de las distintas capas atmosféricas se propaga a través de la atmósfera hasta alcanzar el satélite.

La ley de Beer–Lambert–Bouguer (o simplemente ley de Beer) describe la transmisión de la energía hasta el satélite desde la superficie o una capa atmosférica.

La segunda ecuación muestra la relación entre la transmitancia, representada por τ, y la profundidad óptica, representada por k_λu. La profundidad óptica es una medida de la opacidad de una capa atmosférica. La transmitancia disminuye conforme la profundidad óptica aumenta.

Ecuación de transferencia radiativa » La función de ponderación

La ecuación de transferencia radiativa resume la radiancia saliente mediante un término que representa la porción proveniente de la superficie y otro que representa los aportes de las distintas capas de la atmósfera. El término de la contribución atmosférica contiene una expresión que se denomina función de ponderación.

La función de ponderación de la radiación a una longitud de onda dada representa las contribuciones de varias capas atmosféricas a la radiancia que alcanza los límites de la atmósfera.

La contribución máxima proviene de la capa que produce el cambio más marcado en la transmitancia hasta los límites de la atmósfera.

Cada banda de captación de imágenes que se ve afectada por una molécula de absorción (un gas, como vapor de agua, SO₂, O₃ o CO₂) cuenta con sus propia función de ponderación que varía según la cantidad de moléculas presentes en el trayecto [el término u (longitud del trayecto ponderado por la densidad) en k_λu (profundidad óptica)].

Ecuación de transferencia radiativa » Canal de vapor de agua de 6.2 μm: función de ponderación e imagen

La banda de 6.2  µm del ABI del GOES-R es muy sensible a la absorción de vapor de agua en el infrarrojo, motivo por el cual la mayor parte de su radiancia proviene de la alta troposfera.

Las regiones oscuras se deben a la radiancia proveniente de niveles atmosféricos más bajos (relativamente secos y cálidos), mientras que las regiones más claras corresponden a capas atmosféricas más altas (relativamente húmedas y frías) o a las cimas de las nubes (realce de color).

Ecuación de transferencia radiativa » Canal IR de onda larga de 10.7 µm «limpio»: función de ponderación e imagen

La banda IR de onda larga de 10.7 µm que generó esta imagen se denomina «limpia» porque recibe la mayor parte de su radiancia de la superficie terrestre y de las nubes.

Ecuación de transferencia radiativa » Canal IR de onda larga de 12.0 µm «sucio»: función de ponderación e imagen

Use el control deslizante para comparar la función de ponderación de la banda de ventana infrarroja «sucia» (12.4  µm) y la imagen del instrumento AHI con el ejemplo de la banda «limpia» de 10.4  µm de la página anterior.

Esta banda de ventana «sucia» es sensible a la humedad en niveles bajos, de modo que las diferencias se deben a la humedad presente en niveles bajos. Dada una atmósfera seca, las imágenes captadas con esta banda son muy parecidas a las de la banda de 10.4 µm.

Ecuación de transferencia radiativa » La ecuación completa

En resumen, la radiancia ascendente emitida total es la suma de las contribuciones de la atmósfera y de la superficie. La contribución atmosférica se puede también expresar como una integral de la presión, donde los términos de emisividad y transmitancia pasan a ser la función de ponderación, dτ/dp.

Ecuación de transferencia radiativa » Resumen

• La radiancia emitida por la Tierra debe atravesar la atmósfera, que absorbe y emite la radiación infrarroja en forma selectiva.
• La ley de Beer describe la atenuación de la radiancia en función de la cantidad de moléculas entre la fuente (la Tierra y su atmósfera) y el sensor (en el satélite) y de su capacidad de absorción.
• Las funciones de ponderación indican la contribución de distintas capas atmosféricas a la radiancia saliente.
• Las funciones de ponderación de las regiones de ventana infrarroja alcanzan su pico en la superficie terrestre, ya que reciben principalmente la radiación emitida por la superficie terrestre, en condiciones despejadas.
• La ecuación de transferencia radiativa resume la radiancia proveniente de la superficie y de las distintas capas de la atmósfera.

Ecuación de transferencia radiativa » Mapa conceptual

Estudie el mapa conceptual de esta sección.

Encontrará más información sobre los elementos individuales de esta tabla en la versión publicada en la lección de COMET titulada Fundamentos de teledetección en el visible e infrarrojo.

Absorción selectiva

Absorción selectiva » Introducción

Esta sección explora tres importantes regiones de absorción en la porción infrarroja del espectro de emisión de la Tierra.

La curva amarilla recortada muestra la radiancia emitida por la Tierra que incide en el satélite a las longitudes de onda indicadas.

El H₂O, el O₃ y el CO₂ son algunos de los componentes atmosféricos que causan la absorción de cantidades significativas de la radiación emitida por la Tierra.

Absorción selectiva » La región de absorción de vapor de agua

El vapor de agua bloquea casi toda la radiación proveniente de la atmósfera entre 5 y 8 µm.

Absorción selectiva » La región de IR de onda larga

La ventana atmosférica entre 8 y 13 µm sufre muy poca atenuación debido a los gases, de modo que la energía de la superficie es el componente predominante de la radiancia que alcanza los límites de la atmósfera.

En esta ventana, dos regiones experimentan una atenuación significativa: la banda de vapor de agua en niveles bajos, cerca de 12.5 µm, y la banda de ozono, cerca de 9.6 µm.

Absorción selectiva » La región de absorción del ozono

La ventana atmosférica incluye una región espectral de fuerte absorción por ozono. El pequeño pico ascendente que se nota en el centro de esta banda es una señal del calentamiento atmosférico que ocurre más allá de la tropopausa.

Use el control deslizante para comparar la imagen de la «banda de ozono» de 9.6 µm con la de la banda «limpia» de 10.4 µm de la página anterior.

En la banda de ozono, la mayoría de las estructuras tienen un aspecto más frío, el resultado de la absorción del ozono en la estratosfera inferior, donde reinan temperaturas más bajas que en la troposfera. Solo los topes de las nubes convectivas más altas parecen más calientes en las imágenes de la banda de ozono; esto se debe a que su temperatura real es levemente inferior a la de la capa de ozono, ubicada a la altura de los topes de las nubes o un poco más arriba.

Absorción selectiva » La región de absorción de vapor de agua en niveles bajos

Hay una región de absorción de vapor de agua en niveles bajos centrada en 12.5 µm. La disminución de la radiancia saliente se debe al vapor de agua de la troposfera inferior.

Absorción selectiva » La región de absorción del dióxido de carbono

En la banda de absorción del dióxido de carbono, la cantidad de energía emitida por la superficie terrestre que alcanza el límite de la atmósfera es despreciable. Sin embargo, en el centro de la región de absorción (cerca de 14.5  µm), la radiancia saliente corresponde a temperaturas muy bajas, lo cual indica que se trata de energía emitida desde un nivel más alto de la troposfera.

Los canales espectrales de la banda de absorción de CO₂ se utilizan mucho para medir los cambios en la temperatura de la atmósfera con la altitud y para estimar la altura de los topes nubosos.

Absorción selectiva » Resumen

• La radiación infrarroja proveniente de la superficie terrestre y de la atmósfera que es detectada por el sensor del satélite varía en función de la longitud de onda.
• Las regiones de absorción son intervalos de longitudes de onda en los cuales se absorbe toda o parte de la radiación térmica, de modo que no incide en el satélite.
• Las moléculas de CO₂, H₂O y O₃ en la atmósfera crean las regiones de absorción que se ven en las curvas de emisión de Planck.
• Existe una ventana atmosférica donde la absorción que ocurre es mínima, entre 8 y 13 µm.
• Hay una región de absorción de O₃ (9.6 µm), dos de H₂O (una entre 5 y 8 µm y otra en 12.5 µm), y dos de CO₂ (una en 14.5 µm y otra en 4.5 µm).
• Las bandas espectrales del satélite que examinan las distintas porciones de la región de absorción del CO₂ (centradas cerca de 14.5  µm) se utilizan para medir los cambios en la temperatura de la atmósfera con la altitud (sondeos) y para estimar la altura de los topes nubosos.

Absorción selectiva » Mapa conceptual

Estudie el mapa conceptual de esta sección para correlacionar las distintas regiones de absorción y de ventana atmosférica con la energía detectada por los distintos canales infrarrojos del GOES-R.

Colaboradores

Patrocinadores de COMET

MetEd y The COMET® Program forman parte de los Programas de la Comunidad de UCAR (University Corporation for Atmospheric Research Community Programs, UCP) y están patrocinados por el National Weather Service (NWS) de la NOAA, con fondos adicionales de las siguientes organizaciones:

• Bureau of Meteorology of Australia (BoM)
• Bureau of Reclamation, United States Department of the Interior
• European Organisation for the Exploitation of Meteorological satélites (EUMETSAT)
• Meteorological Service of Canada (MSC)
• NOAA's National Environmental Satellite, Data and Information Service (NESDIS)
• NOAA's National Geodetic Survey (NGS)
• Naval Meteorology and Oceanography Command (NMOC)
• U.S. Army Corps of Engineers (USACE)

Para aprender más sobre nuestra organización, visite la página web de COMET.

Colaboradores del proyecto

Gerentes del proyecto

• Wendy Abshire — UCAR/COMET
• Bruce Muller — UCAR/COMET

Asesores científicos

• Dr. W. Paul Menzel — Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies (CIMSS)/NOAA/University of Wisconsin
• Patrick Dills — UCAR/COMET

Colaboradores de la versión original

• Dr. W. Paul Menzel — Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies (CIMSS)/NOAA/University of Wisconsin
• Dr. James Purdom — Cooperative Institute for Research in the Atmosphere (CIRA)

Infografía y animación

• Steve Deyo — UCAR/COMET

Diseño multimedia y de interfaz

• Gary Pacheco — UCAR/COMET

Traducción al español

• David Russi — UCAR/COMET

Personal de COMET, 2016

Oficina del director

• Dr. Rich Jeffries, director
• Dr. Greg Byrd, vicedirector
• Lili Francklyn, especialista en desarrollo comercial

Administración

• Dra. Elizabeth Mulvihill Page, gerenta de grupo
• Lorrie Alberta, administradora
• Hildy Kane, asistenta administrativa

Servicios de tecnologías de la información

• Tim Alberta, gerente de grupo
• Bob Bubon, administración de sistemas
• Dolores Kiessling, ingeniería de sistemas
• Joey Rener, alumno ayudante
• Malte Winkler, ingeniería de software

Servicios instruccionales y multimedia

• Bruce Muller, gerente de grupo
• Dr. Alan Bol, científico/diseño instruccional
• Steve Deyo, diseño gráfico y 3D
• Lon Goldstein, diseño instruccional
• Bryan Guarente, meteorólogo/diseño instruccional
• Lindsay Johnson, estudiante
• Dra. Vickie Johnson, diseño instruccional (ocasional)
• Gary Pacheco, diseño y desarrollo web
• Sarah Ross-Lazarov, diseño instruccional (ocasional)
• Tsvetomir Ross-Lazarov, diseño instruccional
• Sylvia Quesada, asistenta de producción
• David Russi, traducción al español
• Andrea Smith, meteoróloga/diseño instruccional
• Marianne Weingroff, diseño instruccional

Grupo científico

• Wendy Schreiber-Abshire, gerenta de grupo
• Dr. William Bua, meteorólogo
• Dr. Frank Bub, oceanógrafo (ocasional)
• Patrick Dills, meteorólogo
• Matthew Kelsch, hidrometeorólogo
• Dra. Elizabeth Mulvihill Page, meteoróloga
• Amy Stevermer, meteorólogo
• Vanessa Vincente, meteoróloga visitante, CIRA/Colorado State University