La energía electromagnética

La primera teoría sobre la propagación de la luz fue enunciada por Newton y se la conoce como teoría corpuscular. Según ella, las fuentes luminosas emiten luz en forma de corpúsculos muy livianos. La segunda observación sobre la naturaleza de la luz lo constituye la llamada teoría ondulatoria enunciada por Huygens y afirma que la propagación se realiza por ondas, a manera de la propagación mecánico–acústica, como por ejemplo la propagación del sonido en el aire. El medio donde se realiza esta propagación, de acuerdo a esta teoría, era el denominado “éter”.

A partir de los estudios de Maxwell y Hertz se desarrolla la teoría electromagnética donde se explican algunos fenómenos físicos no resueltos por las teorías anteriores. Si bien se mantiene la idea de un comportamiento ondulatorio, la teoría de Maxwell dice que lo que se propaga es un campo electromagnético en cambio de una vibración mecánica sobre el éter.

Los aspectos geométricos de la teledetección se basan en criterios ondulatorios, así como su interacción con la materia se apoya en los conceptos de la física cuántica de Plank (que vino a unir en el tiempo las ideas de Newton y Maxwell). Así la energía electromagnética corresponde a un “quantum” de energía (fotón) que se desplaza siguiendo un comportamiento ondulatorio.

Así, las ondas electromagnéticas constituyen un tipo especial de ondas producidas por la asociación de dos campos perpendiculares: el campo eléctrico y el campo magnético.

Las ondas electromagnéticas pueden ser modeladas como si fueran ondas sinusoidales con una longitud definida y su fórmula general es:

                                                            C= λ. F

donde: C = velocidad de la luz que corresponde a 300.000 km/s en el vacío (constante para todas las ondas electromagnéticas), λ = longitud de onda medida en metros y F= Frecuencia medida en ciclos por segundo.

La longitud de onda es la distancia existente entre dos crestas sucesivas de la onda expresada en metros y la frecuencia es la inversa del período o número de longitudes de onda que se produce en la unidad de tiempo (segundo).

Existe una gran variedad de ondas electromagnéticas que difieren en su longitud de onda y, en consecuencia en su frecuencia (puesto que la velocidad de la luz, considerada en el vacío, es constante). Entre las ondas electromagnéticas más conocidas se encuentran la luz visible proveniente del Sol, las ondas de radio, los rayos X, la luz ultravioleta, las ondas de radio, las microondas, etc. .

Al conjunto de todas las ondas electromagnéticas se lo conoce como espectro electromagnético (Figura 6.4) el cual abarca a todos los tipos, desde longitudes pequeñas (como los rayos X o la luz visible), hasta las más grandes, entre las cuales se encuentran las ondas de radio.

Dentro del espectro existen porciones que presentan comportamiento similar, cada una de las cuales se denomina banda. Entre las más frecuentes empleadas en Teledetección se encuentran:

• Espectro visible (0.4 a 0.7 μm) , que generalmente se lo separa en tres bandas: rojo, verde y azul
• Infrarrojo cercano o fotográfico (0.7 a 1.2 μm)
• Infrarrojo medio (1.3 a 8 μm)
• Infrarrojo lejano y térmico (8 a 100 μm)
• Micro ondas (> mm)4.

1. Factores que distorsionan el comportamiento de la energía electromagnética

La presencia de la atmósfera modifica el supuesto teórico de la propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío y altera significativamente la calidad de las imágenes. Al igual que luego de un día de lluvia la visión del paisaje es más clara, lo que demuestra la presencia de la atmósfera y sus partículas en suspensión, la atmósfera entre la fuente y el sensor opera como un poderoso filtro en los caminos de ida y vuelta de la energía electromagnética. Los dos principales efectos son: absorción y dispersión atmosférica.

La dispersión de la radiación electromagnética es causada por la interacción entre esta y las partículas atmosféricas en suspensión, cuya presencia puede ser constante (oxígeno y el dióxido de carbono) o variable (partículas de polvo provocadas por el viento u otros gases provenientes de la producción industrial).

La absorción de la atmósfera funciona como un filtro que impide la transmisión de las ondas electromagnéticas a ciertas frecuencias. La consecuencia de la absorción atmosférica es tan importante que solo permite la utilización de parte del espectro de ondas emitidas por el sol. Luego, el diseño de los sensores se limita a la observación en estas bandas, también llamadas “ventanas atmosféricas”.

De toda la energía que incide sobre un objeto se cumple que la proporción del flujo incidente reflejado, absorbido y transmitido depende de la superficie y la materia que lo compone. Además se puede demostrar que la proporcionalidad varía con la longitud de onda y esta característica es conocida como firma espectral.

La firma espectral consiste en valorar el hecho de que diferentes objetos de la superficie terrestre se caracterizan por una reflectancia específica, propia de cada uno de ellos. Esta reflectancia depende de su composición química y su estructura física. La teledetección aprovecha esta propiedad específica para lograr identificar los diferentes objetos del terreno.

La Figura siguiente muestra algunos ejemplos de firmas espectrales a partir de las cuales se puede entender y comprobar, entre otras cosas, porqué la vegetación es predominantemente verde al analizar su reflectancia en el espectro visible y su alta reflectividad en el infrarrojo cercano (de gran importancia en los estudios de cultivos). También se puede ver que el agua no refleja el infrarrojo (apareciendo negra en las imágenes infrarrojas) y que los suelos son principalmente rojizos o pardos.

Algunos inconvenientes que se presentan en la utilización del concepto de la firma espectral son:

• que la reflexión producida depende de la forma de estos objetos, del ángulo de toma de la imagen y la elevación solar. Estos factores pueden maximizar o también minimizar la calidad de la señal recibida.
• la vecindad radiométrica muy estrecha entre algunos objetos geográficos. Factor que puede llevar a firmas espectrales intermedias según la resolución espacial de la imagen.
• los parámetros propios de los satélites durante la toma: la hora, la incidencia del ángulo del emisor de energía (Sol) con la Tierra según la estación del año entre otros, están lejos de ser factores marginales y sus grados de incidencia son variables en función de los estudios a realizar.

Buscar firmas espectrales de los diferentes objetos geográficos de interés parece un ejercicio difícil pero no del todo imposible. Una de las herramientas más importantes disponibles para resolver este tipo de inconvenientes es la corroboración a campo del valor espectral que se obtiene en la imagen llegando al lugar con un sistema de posicionamiento global.

Ref. Aplicacion Urbana y Teledeteccion.