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Detecção Remota DETECÇÃO REMOTA POR MICROONDAS: APLICAÇÕES TERRESTRES E À SUPERFÍCIE OCEÂNICA Autor: André Filipe Baptista Fernandes (Nº 50343) Docente.

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1 Detecção Remota DETECÇÃO REMOTA POR MICROONDAS: APLICAÇÕES TERRESTRES E À SUPERFÍCIE OCEÂNICA Autor: André Filipe Baptista Fernandes (Nº 50343) Docente Responsável: Professora Doutora Maria Dolores Manso Orgaz

2 Índice - Introdução; - Descrição Geral do Módulo; - Objectivos de Aprendizagem; - Observação das Superfícies Oceânicas e Terrestres com Microondas; - Emissões de Microondas ;

3 Índice (continuação): - Humidade do Solo e Humidade da Superfície:. Por que medir a humidade do solo de uma forma remota? - Necessidade de dados da humidade do solo; - Humidade do solo e previsão do tempo; - Aplicações e utilizações; - Por que medir a humidade do solo a partir de um satélite? - Técnicas passivas e activas da detecção da humidade do solo.. Como se vêem as superfícies húmidas e secas a partir do espaço? - Comparação das superfícies húmidas e secas; - Curvas de emissão; - Sinal característico de precipitação; - Interferência de radiofrequência; - Profundidade de penetração no solo em função da frequência; - Profundidade de penetração no solo em função do conteúdo de humidade. - Conclusão; - Bibliografia.

4 Introdução A detecção remota através de satélites é uma ferramenta importante para observar as superfícies terrestres e oceânicas do nosso planeta. A detecção remota por microondas obtidas a partir de satélites em órbita polar tem uma importância acrescida, porque: - os satélites em órbita polar permitem efectuar uma cobertura global; - a radiação de microondas atravessa a maioria das nuvens e permite observar as estruturas superficiais em quase todas as condições atmosféricas; - a polarização e a emissividade, que afectam a radiação de microondas, variam com o comprimento de onda / frequência e com as características do material do corpo emissor. Deste modo, a observação através de satélites da radiação de microondas e da sua variabilidade permitem identificar e caracterizar propriedades específicas da superfície, que são importantes para o estudo do tempo e do clima.

5 Descrição Geral do Módulo. Na primeira secção, são apresentadas as vantagens da detecção remota por microondas através de um satélite com órbita polar, bem como uma breve descrição de algumas das características espectrais exclusivas que permitem diferenciar os vários tipos de superfícies e as suas propriedades;. As restantes secções apresentam, de um modo mais aprofundado, a derivação e aplicação dos produtos de microondas que quantificam quatro propriedades distintas da superfície terrestre e oceânica e as suas características: humidade do solo e da superfície, manto de neve e o seu equivalente em água, gelo marinho e a temperatura da superfície do mar. Por fim, serão apresentadas algumas limitações dos produtos da detecção remota por microondas aplicados em terra e à superfície oceânica.

6 Objectivos de Aprendizagem - Descrever as vantagens da detecção remota por microondas para observar diferentes propriedades da superfície em comparação com o uso de métodos no visível e no infravermelho; - Descobrir as principais áreas de aplicação e os grupos de utilizadores que podem tirar proveito da caracterização da humidade do solo e da superfície, manto de neve, gelo marinho e temperatura da superfície do mar; - Compreender os princípios básicos que permitem a detecção remota por microondas das propriedades das superfícies em causa; - Compreender as limitações comuns da obtenção das propriedades das superfícies descritas no módulo; - Descrever algumas das limitações particulares de cada uma das quatro propriedades das superfícies em causa; - Identificar os sistemas de satélite em órbita polar que estão disponíveis na actualidade e aqueles cuja implementação está programada para o futuro.

7 Observação das Superfícies Oceânicas e Terrestres com Microondas Fig. 1 – Vários aspectos do planeta Terra – imagem gerada por AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit), 10 de Novembro de 2005

8 Observação das Superfícies Oceânicas e Terrestres com Microondas Fig. 2 – Média da cobertura de nuvens em dois anos. Nos oceanos, em média, as nuvens ocultam 70 % da superfície;. Uma vez que, em certas frequências, a radiação de microondas consegue penetrar a maioria das nuvens, é possível observar as estruturas da superfície oceânica;. A detecção remota por microondas permite realizar observações tanto de dia como de noite, permitindo detectar variações nas emissões terrestres de microondas a partir dos satélites, independentemente das condições de iluminação.

9 Emissões de Microondas A quantidade de radiação de microondas emitida pela superfície terrestre depende das interacções entre a energia e os diversos elementos e estruturas que compõem a superfície. Fig. 3 – Propriedades das superfícies terrestre e oceânica a estudar neste módulo

10 Fig. 4 – Emissões de microondas para tipos de superfícies comuns As duas propriedades que afectam, de um modo considerável, a quantidade de radiação de microondas emitida são a polarização e o efeito dieléctrico. Cada propriedade varia segundo o comprimento de onda e as características físicas do material reflector ou emissor. Este facto permite distinguir os elementos sólidos dos líquidos e congelados, tanto sobre terra firme como nas superfícies oceânicas.

11 Humidade do Solo e Humidade da Superfície

12 Por que medir a humidade do solo de uma forma remota?

13 Necessidade de Dados da Humidade do Solo A humidade do solo desempenha um papel fundamental na condição das superfícies de terra firme do planeta e afecta a saúde e a segurança da população, bem como determinados sectores como os transportes e a agricultura. É um aspecto essencial para compreender, modelar e prever a hidrologia, os ecossistemas, o tempo e o clima em terra firme. Em termos agrícolas, é fundamental conhecer o conteúdo de humidade da camada superior do solo para poder vigiar as condições dos cultivos. É igualmente importante estar atento ao conteúdo de humidade das camadas do subsolo a maior profundidade para poder planear as actividades agrícolas e administrar os recursos hídricos.

14 Um nível baixo de humidade do solo pode conduzir a uma situação de seca e criar condições propícias à ocorrência de incêndios em zonas despovoadas. Fig. 5 – Índice de severidade de seca em Palmer a largo prazo (valores semanais para o período terminado a 23 de Junho de 2007) Fig. 6 – Imagem em cor falsa nos EUA, 8 de Agosto de 2000

15 Também pode ocorrer a situação inversa, ou seja, quantidades elevadas de precipitação e de humidade podem conduzir a um aumento do perigo de inundações. Estas possibilidades mostram a grande importância de observar as condições de humidade do solo de uma forma eficaz e contínua. Fig. 7 – Quinta inundada no Médio Oeste dos EUA, 1993

16 Humidade do Solo e Previsão do Tempo A humidade do solo tem implicações importantes para as previsões meteorológicas. Os modelos de previsão meteorológica necessitam de uma informação exacta sobre a transferência de humidade do solo e energia da atmosfera inferior para poder prever com exactidão o momento, o lugar e a intensidade das circulações locais de vento e o desenvolvimento de nuvens. A aquisição de dados mais específicos sobre as variações regionais dos padrões de humidade da superfície pode ajudar a prognosticar a posição de tempestades, linha secas, temperaturas máximas e mínimas e condições de visibilidade limitada provocadas por fumo, nevoeiro e neblina. As tendências de humidade do solo relacionam-se com os padrões e mudanças no clima local e regional.

17 Fig. 8 – Imagens relativas a uma inundação ocorrida em Buffalo Creek, Colorado, EUA Através da fig. 8, pode-se constatar que, no caso desta inundação ocorrida em Buffalo Creek no dia 13 de Julho de 1996, houve uma grande melhoria no modelo de previsão de precipitação quando este passou a incorporar uma representação exacta da humidade do solo na condições iniciais.

18 Aplicações e Utilizações A informação sobre a humidade do solo utiliza-se em planificações civis e militares no trabalho de formulação de políticas, previsões e investigações em diversos campos como a meteorologia, a hidrologia e a agronomia, e tem várias utilizações, tais como a administração dos recursos hídricos e usos do solo, planificação agrícola, previsões do tempo e hidrológicas e investigações climáticas.

19 Tabela 1 – Uso de dados de humidade do solo

20 Por que medir a humidade do solo a partir de um satélite?. As medições de humidade do solo realizadas in – situ oferecem a vantagem de se poderem actualizar frequentemente, mas, geralmente, são raras e até inexistentes em alguns locais.. As observações a partir dos satélites em órbita polar ajudam a resolver o problema, uma vez que fornecem uma cobertura renovada constantemente de grandes zonas com uma resolução quase uniforme.

21 Fig. 9 – Humidade do solo global, 2 de Setembro de Muitos satélites em órbita polar são capazes de gerar mapas de cobertura global a partir de dados da detecção remota por microondas, independentemente das condições meteorológicas.. A radiação de microondas, em especial nas frequências mais baixas, é muito sensível a mudanças na humidade da superfície e penetra todas as camadas de nuvens, excepto as mais densas e as que produzem precipitação.

22 Técnicas Passivas e Activas de Detecção da Humidade do Solo Fig. 10 – Gerador de imagens de microondas AMSR–E a bordo do satélite EOS Aqua A abordagem tradicional para obter dados de humidade do solo depende do uso de instrumentos de satélites com sistemas de microondas passivos, como o radiómetro de microondas multicanal (Scanning Multichannel Microwave Radiometer, SMMR), o sensor especial e gerador de imagens de microondas (Special Sensor Microwave/Imager, SSM/I) e o radiómetro de varrimento avançado por microondas (Advanced Microwave Scanning Radiometer, AMSR-E).

23 Fig. 11 – Satélite NPOESS. As aplicações baseadas nas observações dos instrumentos que usam sistemas de microondas activos, como o dispersómetro e o radar de abertura sintética, estão a ter cada vez mais importância nas comunidades científica e operativa, pois a sua capacidade de fornecer informação complementar sobre a humidade do solo parece bastante prometedora;. Nos futuros satélites NPOESS, a combinação de medições da humidade do solo com sistemas de microondas passivos e dados de vegetação e tipos de solos permitirá efectuar melhores observações das condições de humidade do solo quase em tempo real.

24 Como se vêem as superfícies húmidas e secas a partir do espaço?

25 Comparação de Superfícies Húmidas e Secas Fig. 12 – Comparação da radiação de microondas emitida em superfícies secas e húmidas. Em regiões com poucas nuvens e com vegetação relativamente escassa, o conteúdo de humidade do solo superficial é o factor predominante nas emissões de radiação de microondas a partir da superfície;. Uma das propriedades electromagnéticas mais importantes na observação das superfícies na região do microondas é o efeito dieléctrico. Este efeito explica a maior parte da reflexão e dispersão que ocorre à medida que a radiação interactua com as moléculas da superfície e quantifica-se por um termo conhecido como constante dieléctrica.

26 Fig. 13 e 14 – Efeito dieléctrico e emissividade. A constante dieléctrica da água é muito superior à do solo seco e existe uma correlação entre o efeito dieléctrico e a emissividade. A emissividade é inversamente proporcional ao efeito dieléctrico, de maneira que, à medida que o efeito dieléctrico aumenta, a emissivdade diminui;. A introdução de água no solo leva a um aumento drástico da constante dieléctrica e uma consequente diminuição da emissividade do solo.

27 Curvas de Emissão Fig. 4- Emissões de superfícies para tipos de superfícies comuns O gráfico mostra os valores da emissividade de mincroondas para várias superfícies terrestres e oceânicas. Uma vez que as temperaturas de brilho do canal da janela atmosférica estão directamente relacionadas com a emissividade da superfície, as observações por meio de satélites da temperatura de brilho podem-se utilizar para quantificar a emissividade para extrair informação sobre vários parâmetros da superfície.

28 Fig. 15- Emissões de superfícies para tipos de superfícies comuns (destaque para água marinha, solo seco e solo húmido) Se repararmos nas curvas de solo seco, solo húmido e água marinha, conseguem- se observar diferenças importantes entre estes três tipos de superfícies. A emissividade sobre terra firme pode variar consideravelmente segundo o tipo de superfície e a frequência de emissão de microondas, entre 10 e 100 GHz. Repare-se na diminuição da emissividade nas superfícies húmidas em comparação com o solo seco, em especial para as baixas frequências.

29 Fig. 16 – Emissões de microondas teóricas sobre terra firme em função da humidade da superfície. Na fig. 16, está representada a emissividade da radiação polarizada verticalmente em função de diferentes percentagens de humidade da superfície;. Conclui-se que, à medida que se introduz água na superfície, a sua emissividade vai diminuindo e que este efeito é mais pronunciado nas frequências mais baixas.

30 Sinal Característico de Precipitação Fig. 17 – Características da humidade do solo entre 1 de Julho de 2002 e 4 de Julho de 2002.A forte diminuição na emissividade associada ao aumento de humidade no solo pode ser detectada com instrumentos de microondas passivos que incorporam canais de frequências mais baixas na região de 6 a 10 GHz.. As duas imagens de 7 GHz da fig. 17 mostram claramente como a emissividade reduzida associada aos lagos e ao solo humedecido pela chuva correspondem a temperaturas de brilho observadas mais baixas quando se observam com o sensor de um sistema de microondas passivo.

31 Fig. 17 – Características da humidade do solo entre 1 de Julho de 2002 e 4 de Julho de 2002.Os valores de emissividade reduzida correspondem a temperaturas de brilho observadas mais baixas, uma vez que a temperatura de brilho de um corpo equivale aproximadamente ao produto entre a emissividade e a sua temperatura física;. Ao comparar as duas imagens, constata-se, evidentemente, que os lagos são regiões mais frias em ambos os dias. No entanto, na imagem da direita (registada mais tarde), um dos lagos parece que cresceu, mas, na realidade, o sinal da temperatura mais baixa deve-se à humidificação do solo causada por precipitação recente.

32 Interferência de Radiofrequência. Os canais de baixa frequência de microondas são preferíveis na obtenção de dados de humidade do solo devido à sua sensibilidade à água e à sua capacidade de penetrar no solo a maiores profundidades. Contudo, algumas destas mesmas bandas de frequências são também usadas para outros fins, como as comunicações por microondas com telefones celulares ou móveis;. Este efeito torna-se notório nas temperaturas de brilho de 6 a 7 GHz e designa-se por interferência de radiofrequência ou RFI (Radio Frequency Interference). Os pontos onde este efeito é maior aparecem quase sempre sobre terra firme e, frequentemente, na proximidade de grandes cidades e estradas importantes. Estas interferências contaminam fortemente os dados empregados para obter certos tipos de produtos de satélites de microondas (como os da humidade do solo).

33 Fig. 17 – Características da humidade do solo entre 1 de Julho de 2002 e 4 de Julho de 2002 Na fig. 17, consegue-se ver como uma fonte de RFI aumenta artificialmente a temperatura de brilho detectada pelo satélite Fig. 18 – Imagem obtida com o canal de polarização vertical de 6 GHz de AMSR-E, EUA, 6 de Janeiro de 2005 Na fig. 18, vê-se que as zonas quentes de comunicações se relacionam com as principais áreas metropolitanas e os corredores de transporte ao longo da costa oriental dos EUA

34 Profundidade de Penetração no Solo em função da frequência A profundidade de penetração no solo define-se como a camada superior do solo na qual se origina 63 % da radiação terrestre emitida a uma dada frequência. Fig. 19 – Profundidade de penetração no solo. A profundidade de penetração é maior para as frequências de microondas mais baixas (1 a 10 GHz, por exemplo), porque o solo absorve e dispersa os comprimentos de onda maiores em menor medida;. A penetração é consideravelmente menor para frequências mais altas (85 a 89 GHz, por exemplo) e estes canais só comunicam informação sobre a camada superior do solo numa espessura de milímetros.

35 Tabela 2 – Profundidade de penetração no solo seco em função da frequência.Uma regra geral que se aplica na observação de solos relativamente secos com sistemas de microondas passivos é que a profundidade de penetração equivale aproximadamente ao comprimento de onda da radiação;. A tabela 2 mostra as profundidades de penetração aproximadas para as frequências de uso comum em vários sensores de microondas actuais.

36 Profundidade de Penetração no Solo em função do conteúdo de humidade Fig. 20 – Profundidade de penetração no solo em função da frequência e do conteúdo de humidade do solo. Na fig. 20, vê-se que, quando aumenta o conteúdo de humidade do solo, a profundidade de penetração diminui. Recorde-se que uma camada de solo relativamente molhada dispersa e reflecte mais energia, de maneira que a sua emissividade é menor em relação a um solo seco. Este maior grau de dispersão e reflexão bloqueia parte da radiação e impede-a de atingir a superfície, de modo que um satélite recebe progressivamente menos energia das camadas cada vez mais profundas;. Repare-se ainda na vantagem de usar frequências mais baixas, pois a profundidade de penetração no solo aumenta.

37 Conclusão Conclusão Como vimos, a detecção remota por microondas tem várias aplicações ao nível terrestre e da superfície oceânica. O estudo das quatro propriedades abordadas neste módulo é essencial para uma ampla gama de campos e actividades, tais como a meteorologia, a climatologia, a oceanografia, a hidrologia, a agricultura, a observação de condições ambientais e o comércio. No que diz respeito à humidade da superfície e do solo, foram aqui abordados alguns aspectos. Veremos em seguida como é que se passa da observação aos produtos, ouviremos falar de alguns instrumentos e produtos e ficaremos a conhecer algumas das utilizações dos instrumentos e das características dos produtos.

38 Bibliografia Sítio da Internet - Documento Percepción remota por microondas: Aplicaciones terrestres y de superficie oceánica


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