interacción de la radiación con la materia

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Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
interacción de la radiación 1
con la materia
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
interacción de la
radiación con la materia
lección 3
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interacción de la radiación 2
con la materia
Teledetección
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sumario
z
Interacción macroscópica.
z
Emisividad.
z
Interacción atómica y molecular.
interacción de la radiación 3
con la materia
la conservación de la energía
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z
El flujo de energía Φi que incide en un objeto:
se refleja: Φr.
™ se absorbe: Φa.
™ y/o se transmite: Φt.
Teledetección
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™
Φ r Φ a Φt
+
+
=1
Φi Φi Φi
ρ + α + τ =1
Φ r + Φ a + Φt = Φi
Φr
ρ=
Φi
reflectancia
Φa
α=
Φi
absorbancia
Φt
τ=
Φi
transmitancia
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interacción de la radiación 4
con la materia
La conservación de la energía
Φi = Φ a + Φ r + Φt
φi
Teledetección
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φr
φe
φa
a
φ tt
α +ρ+ τ =1
interacción de la radiación 5
con la materia
algunas particularidades
Teledetección
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z
El cuerpo negro tiene una reflectancia y una
transmitancia nulas.
z
En objetos suficientemente gruesos, la
transmitancia es poco significativa.
z
Si la superficie receptora es oscura y rugosa,
la reflectancia será muy pequeña.
z
La reflectancia en el visible se conoce con el
nombre de albedo.
interacción de la radiación 6
con la materia
tipos de reflexión
Teledetección
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z
Si la superficie es suficientemente lisa en
relación con la longitud de onda incidente, la
reflexión es especular. Se cumplen las leyes
de la reflexión.
z
Generalmente la reflexión no es especular. El
grado de dispersión depende de la rugosidad
de la superficie:
perfectamente difusa,
™ difusa
™ pseudoespecular
™ especular
™
interacción de la radiación 7
con la materia
tipos de reflexión
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Teledetección
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θ θ
especular
θ
θ
difusa
θ
θ
pseudoespecular
θ θ
perfectamente difusa
interacción de la radiación 8
con la materia
direccionalidad de la medida
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z
Reflectancia hemisférica:
™
Teledetección
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z
medida de la reflectancia desde toda el hemisferio
superior a una determinada superficie.
Reflectancia direccional:
™
medida sólo desde una dirección preferida. Es la
que efectúa el satélite.
interacción de la radiación 9
con la materia
medida de la dispersión de la reflexión
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z
Función de distribución de reflectancia
bidireccional (BRDF):
Teledetección
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™
define la proporción de reflexión en cada dirección proyectada
del rayo reflejado sobre el plano de la superficie, en función
de la dirección de incidencia:
dL(θ,φ,θ′,φ′, E )
f (θ,φ,θ′,φ′) =
r
dE (θ,φ)
Î
Î
Î
Î
Î
Î
θ = ángulo vertical del flujo incidente con la superficie.
θ´= ángulo vertical del flujo emergente con la superficie.
φ = acimut de la proyección del flujo incidente sobre la superficie.
φ´= acimut de la proyección del flujo reflejado sobre la superficie.
E = irradiancia.
L = radiancia.
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con la materia
BRDF
Teledetección
Rayos reflejados
θ'
θ
φ
N
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Rayo incidente
φ'
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con la materia
emisividad
z
Los cuerpos reales difieren del cuerpo negro
en su comportamiento emisor.
z
Emisividad espectral:
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™
razón entre la cantidad de energía emitida por un
cuerpo y la emitida por el cuerpo negro, para cada
longitud de onda y temperatura.
M (λ )
ε(λ ) =
M n (λ )
Î
M(λ) emitancia radiante espectral del cuerpo en cuestión
Î
Mn(λ) emitancia radiante espectral del cuerpo negro.
interacción de la radiación 12
con la materia
clasificación de los cuerpos
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z
En función del valor de ε, los cuerpos se
pueden clasificar en:
™
radiadores perfectos: ε(λ) = ε = 1. El cuerpo negro.
™
cuerpos grises: 0 < ε (λ) < 1, con ε(λ) = cte.
™
reflectores perfectos: ε(λ) = ε = 0
ε
1
cuerpo negro
cuerpo gris
0
reflector perfecto
λ
interacción de la radiación 13
con la materia
clasificación de los cuerpos
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z
Radiador selectivo:
™
Su emisividad espectral es variable con la longitud
de onda:
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ε(λ) = f(λ)
ε
1
cuerpo negro
cuerpo gris
radiador selectivo
0
reflector perfecto
λ
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con la materia
signatura espectral
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z
Signatura o firma espectral:
Teledetección
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™
z
representación gráfica del patrón de emisividad o
de reflexión de una superficie en relación con la
longitud de onda.
La identificación de superficies por
teledetección se basa en esta propiedad.
interacción de la radiación 15
con la materia
signatura espectral
Teledetección
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con la materia
ley de Kirchoff
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z
Si τ = 0, el flujo no reflejado se absorbe y se transforma en calor.
z
Una vez alcanzado el equilibrio térmico:
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φ a = φe ⎫
⎪
dφ e ⎬
M=
dA ⎪⎭
z
Para el cuerpo negro:
dφ a = dφe = MdA
dφi = dφ an = dφen = M n dA
dφ a
M
=
dφi
Mn
α=ε
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™
interacción de la radiación 17
con la materia
El balance de energía es entonces:
M (λ ) = ε(λ )M n (λ )
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M (λ ) = α(λ )M n (λ )
ρ+ ε =1
™
Reflectancia y emisividad son complementarias:
9
superficies muy reflectivas son poco emisivas (nieve).
9
superficies poco reflectivas son altamente emisivas (agua).
interacción de la radiación 18
con la materia
interacción atómica y molecular
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z
Cualquier cuerpo absorbe parcialmente la
energía electromagnética incidente.
z
La energía absorbida induce un incremento en
el estado energético de la materia.
z
El salto energético de los electrones ΔE es:
ΔE = hν
interacción de la radiación 19
con la materia
posición de los electrones
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z
Ecuación de onda de Schrödinger:
2
∂ Ψ
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∂x
™
2
2
+
∂ Ψ
∂y
2
2
+
∂ Ψ
∂z
2
+
2m
h
2
(E − V )Ψ = 0
9
Ψ: función de onda.
9
m: masa del electrón.
9
V: energía potencial del electrón.
9
E energía total del electrón.
Ψ2 representa la probabilidad de encontrar un
electrón en una determinada posición x,y,z.
interacción de la radiación 20
con la materia
dos principios de la mecánica cuántica
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z
z
Principio de indeterminación de Heisenberg:
™
los orbitales atómicos son funciones probabilísticas.
™
no puede determinarse simultáneamente la
posición y el momento de una partícula.
Principio de exclusión de Pauli:
™
ningún estado energético puede estar ocupado
simultáneamente por más de un electrón.
interacción de la radiación 21
con la materia
orbitales atómicos
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con la materia
orbitales 1 y 2
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Teledetección
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orbitales 3
interacción de la radiación 23
con la materia
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orbitales 4
interacción de la radiación 24
con la materia
interacción de la radiación 25
con la materia
el sistema periódico de los elementos
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™
Las posiciones se van ocupando ordenadamente
según niveles energéticos.
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