CIENCIAS

¿Qué es la teledetección?

La teledetección es la ciencia y arte de obtener información acerca de la superficie de la Tierra sin que exista un contacto material. Esto se realiza detectando y grabando la energía emitida o reflejada y procesando, analizando y aplicando esa información. En la práctica, la teledetección consiste en recoger información a través de diferentes dispositivos de un objeto concreto o un área.

Por ejemplo, la observación terrestre o los satélites meteorológicos, las boyas oceánicas y atmosféricas, las imágenes por resonancia magnética (MRI en inglés), la tomografía por emisión de positrones (PET en inglés), los rayos-X y las sondas espaciales son todos ejemplos de teledetección. Actualmente, el término se refiere de manera general al uso de tecnologías de sensores para adquisición de imágenes, incluyendo: instrumentos a bordo de satélites o aerotransportados.

Hay dos clases de teledetección principalmente:

1. Los teledetectores pasivos detectan radiación natural emitida o reflejada por el objeto o área circundante que está siendo observada. La luz solar reflejada es uno de los tipos de radiación más comunes medidos por esta clase de teledetección. Algunos ejemplos pueden ser la fotografía, los infrarrojos, los sensores CCD (charge-coupled devices, “dispositivo de cargas eléctricas interconectadas”) y los radiómetros.
2. Los teledetectores activos por otra parte emiten energía para poder escanear objetos y áreas con lo que el teledetector mide la radiación reflejada del objetivo. Un radar es un ejemplo de teledetector activo, el cual mide el tiempo que tarda una emisión en ir y volver de un punto, estableciendo así la localización, altura, velocidad y dirección de un objeto determinado.

Las plataformas orbitales pueden transmitir información de diversas franjas del espectro electromagnético que en colaboración con sensores aéreos o terrestres y un análisis en conjunto, provee a los investigadores con suficiente información para monitorizar la evolución de fenómenos naturales tales como El Niño. Otros usos engloban áreas como las ciencias de la Tierra, en concreto la gestión de recursos naturales, campos de agricultura en términos de uso y conservación, y seguridad nacional.

Fundamentos físicos de la teledetección

La radiación electromagnética es una forma de energía que se propaga mediante ondas que se desplazan por el espacio a la velocidad de la luz (300000 Km/s) transportando cantidades discretas de energía (cuantos).

Estas ondas se caracterizan por tener longitudes muy diferentes, desde los rayos X y gamma con longitudes de onda menores de 100 Amstrongs hasta las ondas de televisión y radio con longitudes mayores de un metro. El conjunto de todas las longitudes de onda se denomina espectro electromagnético. Dentro del espectro electromagnético se distinguen una serie de regiones en función de la longitud de onda.

Las regiones más utilizadas por las diferentes técnicas de teledetección son:

1. Luz visible
2. Infrarrojo reflejado
3. Infrarrojo térmico
4. Radar

Naturaleza de la radiación

Cualquier objeto en la naturaleza emite radiación y lo hace con diferentes longitudes de onda. Tanto la cantidad de energía que emite un cuerpo por radiación como la distribución de esta energía en diferentes longitudes de onda dependen fundamentalmente de la temperatura de dicho cuerpo.

La distribución teórica de longitudes de onda adopta una forma acampanada, con pendiente mayor en la parte de las longitudes de onda bajas que en las de longitudes de onda altas, pico cóncavo y máximo en una longitud de onda.

Puede calcularse como:

λmax = 2898/T

La temperatura del Sol es de aproximadamente 6000ºK mientras que la de la Tierra es de 300ºK. Esto significa que la radiación solar va a ser máxima para una longitud de onda de 0.48 μm (región visible) y la terrestre máxima en una longitud de onda de 9.66 μm (infrarrojo térmico).

Determinados fenómenos de la superficie terrestre (por ejemplo, los incendios) implican una temperatura mucho mayor (275-420 ºC => 548.5-693.5 ºK) esto significa que los valores de radiación máxima van a estar en longitudes de onda de 5.28 - 4.3 μm, también en el infrarrojo térmico, pero considerablemente diferentes a los valores que corresponden a la temperatura normal de la Tierra.

Por tanto, puede concluirse que la radiación solar domina aquellas regiones del espectro electromagnético que corresponden a la radiación visible y al infrarrojo reflejado. La radiación terrestre domina el infrarrojo térmico, mientras que las radiaciones que corresponden al radar no aparecen en la naturaleza, deben ser por tanto de origen artificial.

Algunas definiciones que debemos conocer y no confundir son los siguientes:

1. Cuerpo negro: Es un emisor perfecto (e = 1). Un cuerpo negro transforma la energía calorífica en energía radiante a la máxima velocidad en consonancia con las leyes termodinámicas. Un emisor perfecto es también un absorbente perfecto.
2. Cuerpo blanco: Refleja toda la energía que recibe (e = 0).
3. Cuerpo gris: Absorbe y emite de forma constante para todas las longitudes de onda (e = cte.).
4. Radiador selectivo: Absorbe y emite de forma distinta para diferentes longitudes de onda (e ¹ cte.). Son los cuerpos más abundantes en la naturaleza.
5. Energía: Capacidad para realizar un trabajo. Se mide en Julios (J).
6. Energía radiante (Q): Energía asociada con la radiación electromagnética. Indica el total de energía radiada en todas las direcciones. Se mide en Julios (J).
7. Flujo radiante (F): Energía radiante por unidad de tiempo. Se mide en vatios (W).
8. Emitancia (M): Energía radiante desde una unidad de área y por unidad de tiempo. Se mide en vatios por metro cuadrado (W/m2).
9. Irradiancia (E): Energía radiante sobre una unidad de área y por unidad de tiempo. (W/m2).
10. Radiancia (L): Se define como el total de energía radiada por unidad de área y por ángulo sólido de medida. Se mide en vatios por metro cuadrado y estereoradián (W/m2sr). Es adimensional. Se expresan en tanto por ciento o tanto por uno.
11. Emisividad (e): Relación entre la emitancia de una superficie (M) y la que ofrecería un emisor perfecto, llamado cuerpo negro, a la misma temperatura (Mn). Es adimensional. Se expresan en tanto por ciento o tanto por uno.
12. Reflectividad (r): Relación entre el flujo incidente y reflejado en una superficie. Es adimensional. Se expresan en tanto por ciento o tanto por uno.
13. Absortividad (a): Relación entre el flujo incidente y el que absorbe una superficie. Es adimensional. Se expresan en tanto por ciento o tanto por uno.
14. Transmisividad (t): Relación entre el flujo incidente y el transmitido por una superficie. Es adimensional. Se expresan en tanto por ciento o tanto por uno.

Interacción de la radiación electromagnética con la atmósfera

Puesto que la atmósfera apenas refleja radiación solar la modificación por parte de la atmósfera de la radiación entrante y saliente incluye tres procesos:  

1. Dispersión: La dispersión es el redireccionamiento de la radiación por parte de los gases y aerosoles presentes en la atmósfera en cualquier dirección. Existen tres tipos básicos de dispersión:
   1. Dispersión de rayleigh: La producen los gases atmosféricos en la alta atmósfera (9-10 Km). Es mayor cuanto menor es la longitud de onda. La luz azul se dispersa cuatro veces más que la roja y la ultravioleta 16 veces más que la roja.
   2. Dispersión de mie: Se produce en la baja atmósfera (0-5 Km) debido a los aerosoles (polvo, polen, gotitas de agua). Los aerosoles tienen un tamaño más o menos igual que la longitud de onda que dispersan. Afecta especialmente a la luz visible.
   3. Dispersión no selectiva: Se produce en la baja atmósfera. Las partículas son mayores que la radiación incidente. No depende de la longitud de onda.

La luminosidad de la atmósfera es efecto de la dispersión. Los satélites registran esta luminosidad además de la energía reflejada por los objetos situados sobre la superficie terrestre.

El resultado es:

• Aumenta el brillo general de la imagen
• Disminuye el contraste (los objetos brillantes aparecen más oscuros y los oscuros más brillantes)
• Se difuminan los bordes de los objetos

2. Refracción: Se trata de un cambio de dirección de la luz que ocurre cuando la luz atraviesa dos medios con diferente densidad (diferentes capas de la atmósfera, por ejemplo). Causa espejismos en días cálidos y degrada la signatura espectral de los objetos.
3. Absorción: Cada uno de los gases atmosféricos tiene capacidad para absorber radiación en diferentes longitudes de onda. Fundamentalmente son tres los gases que absorben radiación:
   1. Ozono: Absorbe radiación ultravioleta.
   2. Dióxido de carbono: Absorbe radiación en 13-17.5 μm.
   3. Vapor de agua: Absorbe radiación en 5.5-7μm; y por encima de 27μm.

De este modo aparecen una serie de regiones en el espectro en las que la radiación es absorbida por uno o varios de los gases. Esto deja, por otro lado, regiones del espectro en las que no se produce absorción, son las denominadas ventanas atmosféricas.

Por tanto, la teledetección sólo va a ser en principio viable en estas ventanas, las principales aparecen en:

1. Visible e infrarrojo cercano (0.3-1.35μm).
2. Varias en el infrarrojo medio (1.5-1.8μm; 2-2.4μm; 2.9-4.2μm; 4.5-5.5μm).
3. Infrarrojo térmico (8-14μm).
4. Microondas, por encima de 20μm la atmósfera es prácticamente transparente.