Leyes de la radiación

Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
lección 2
leyes de la radiación
1
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
leyes de la radiación
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
sumario
z
Fuentes de radiación.
z
El cuerpo negro.
z
Leyes de la radiación.
z
Terminología radiométrica.
2
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
leyes de la radiación
fuentes de radiación
z
Energía radiante:
™
z
Radiación:
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
™
z
es el fenómeno físico generador de energía.
La energía electromagnética no se crea:
™
z
es la energía transportada por una onda
electromagnética.
se genera a partir de la transformación de otras fuentes
de energía.
Coherencia de la radiación:
™
ancho de banda de la emisión.
3
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
leyes de la radiación
generación de la radiación
z
Ondas de radio:
™
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
z
Microondas:
™
z
se generan en el interior de tubos electrónicos mediante la
interacción de la energía transportada en chorros de
electrones con diversos materiales.
Ultravioleta (UV), Visible (VIS) e Infrarroja (IR):
™
z
generadas mediante osciladores, en los cuales se hacen
circular corrientes eléctricas por oscilación periódica de
cargas.
mismo método o incandescencia de materiales.
Energía térmica:
™
debida a la energía cinética de las moléculas.
4
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
leyes de la radiación
z
Cualquier cuerpo a una cierta temperatura emite
radiación en todas las longitudes de onda.
z
El cuerpo negro es un emisor y receptor de energía
perfecto.
z
La energía radiante emitida desde el cuerpo negro por
unidad de superficie, en la unidad de tiempo y por
unidad de intervalo de longitud de onda, tiende a cero
para longitudes de onda muy cortas y muy largas, y
presenta un sólo máximo a una longitud de onda que
depende de la temperatura.
5
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
leyes de la radiación
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
el cuerpo negro
rayo incidente
6
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
leyes de la radiación
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
ley de Stefan-Boltzmann
z
Todos los cuerpos emiten radiación
electromagnética por el hecho de estar a una
temperatura distinta de cero.
z
La radiación emitida por unidad de área y por
unidad de tiempo es proporcional a la cuarta
potencia de la temperatura absoluta:
E = σT 4
™
σ es la constante de Stefan-Boltzmann:
5,67·10-8 w·m-2·K-4
7
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
leyes de la radiación
ley de radiación de Planck
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
z
Energía radiada en una longitud de onda λ
desde un cuerpo negro a una temperatura T:
Eλ ,T
8πhc
1
= 5 (hc λkT )
λ e
−1
k es la constante de Boltzmann:
1,38054±0,00006·10-16 erg·K-1.
™ h es la constante de Planck (6,626·10-34 J·s).
™
8
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
leyes de la radiación
ley de desplazamiento de Wien
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
z
La longitud de onda para la cual es máxima la
emisión del cuerpo negro es inversamente
proporcional a su temperatura absoluta:
hc 2898 (μmK )
λ max (μm ) = 0 ,2014
=
kT
T (K )
9
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
leyes de la radiación
emitancia ( w/m mm)
2
ley de desplazamiento de Wien
espectro visible
10
9
10
8
4.000 K
107
3.000 K
10
Ingeniería Técnica en Topografía
6
Teledetección
radiación del cuerpo negro
a la temperatura del sol
6.000 K
2.000 K
radiación del cuerpo negro
a la temperatura de la Tierra
105
1.000 K
10
4
10
3
500 K
10
2
300 K
10
200 K
0,2
0,5
1
2
5
10
20
50 100
longitud de onda (mm)
10
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
leyes de la radiación
la radiación del cuerpo negro
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
Temperatura (K)
% IR
% VIS
% UV
1.000
99,999
7,367·10-4
3,258·10-11
2.000
98,593
1,406
7,400·10-4
3.000
88,393
11,476
0,131
4.000
71,776
26,817
1,407
5.000
55,705
39,166
5,129
6.000
42,661
45,732
11,607
7.000
32,852
47,506
19,641
8.000
25,565
46,210
28,224
9.000
20,154
43,247
36,.599
10.000
16,091
39,567
44,342
11
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
leyes de la radiación
12
terminología radiométrica
z
Energía radiante Q:
™
z
Densidad de energía radiante W :
Ingeniería Técnica en Topografía
™
Teledetección
es la energía transportada por la onda electromagnética. Se
mide en Julios (J).
es la cantidad de energía por unidad de volumen. Se mide en
J·m-3.
W =
z
Flujo radiante Φ :
™
dQ
dV
Es la energía radiada desde una superficie por unidad de
tiempo. Se mide en watios.
Φ=
dQ
dt
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
leyes de la radiación
terminología radiométrica
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
z
Densidad de flujo radiante:
™
es el flujo radiante interceptado por la unidad de
superficie plana. Se mide en w·m-2.
™
Irradiancia E es la densidad de flujo radiante
cuando penetra en la superficie.
™
Emitancia M es la densidad de flujo cuando sale
de la superficie.
dΦ
E ,M =
dA
13
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
leyes de la radiación
14
terminología radiométrica
z
Intensidad radiante I :
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
™
es el flujo radiante emitido desde una fuente puntual por
unidad de ángulo sólido. Se mide en watios/estereorradián
(w·sr-1).
dΦ
I=
dΩ
S=r
2
z
r
Estereorradián: unidad de medida del ángulo sólido. Es el
sustendido por un sector esférico de 1 m2 de superficie, sobre
una esfera de 1 m de radio.
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
leyes de la radiación
15
terminología radiométrica
z
Radiancia L :
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
™
es la intensidad radiante emitida desde una fuente
superficial en una determinada dirección por unidad
de área proyectada perpendicularmente a esa
dirección. Se mide en w·sr-1·m-2.
dI
cos θ
L=
dA
9
siendo θ el ángulo formado por la normal a la superficie y
la dirección considerada.
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
leyes de la radiación
radiancia
normal a la
superficie
Flujo
φ
θ
Ángulo sólido
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
Ω
Superficie proyectada
Superficie radiante
16
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
leyes de la radiación
17
tipos de superficie por el hábito reflectivo
z
Superficies lambertianas:
™
z
Superficies parcialmente lambertianas:
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
™
z
aquéllas cuya radiancia no depende de la dirección.
aquéllas en las que la radiancia depende de la
dirección de emisión.
Superficies especulares:
™
emiten solamente en una dirección.
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
leyes de la radiación
18
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
un matiz...
z
Todos los términos radiométricos anteriores
pueden matizarse con el calificativo espectral,
reduciendo entonces la magnitud de la
variable a la registrada sólo en un determinado
intervalo de longitudes de onda.
z
Ejemplo:
™
Flujo espectral entre las longitudes de onda λ1 y λ2:
λ2
Φ[λ1 , λ 2 ] = ∫ Φ (λ )dλ
λ1