(En
desarrollo)
En esta guía se describen los elementos básicos para interpretar las imágenes satelitales disponibles a partir de distintas fuentes. Se comienza revisando la generación de la radiación electromagnética y la forma en que esta interactúa con la atmósfera. A partir de allí se describen brevemente los instrumentos con los cuales se realizan las mediciones radiométricas básicas en los satélites meteorológicos que se encuentran actualmente en operación. A continuación se presenta una introducción a la interpretación de las imágenes satelitales. Los ejemplos utilizados en esta guía contienen imágenes provenientes del satélite geoestacionario ambiental de los Estados Unidos, denominado GOES – 8, y de los satélites en órbita polar NOAA-AVHRR. No obstante, la mayoría de las interpretaciones de las imágenes y las discusiones están basadas solamente en las que muestran las condiciones del tiempo y de la superficie del suelo sobre Sud América. Esta guía está especialmente orientada a estudiantes y pronosticadores interesados en la interpretación y aplicaciones de las imágenes satelitales sobre Sud América disponibles por medio de estaciones receptoras pequeñas y/o Internet.
Indice
Depto. Ciencias de la Atmósfera,
Universidad de Buenos Aires.
1428 Buenos Aires, Argentina
Tel.: 54-11-4576-3356/3364
e-mail : velasco@at.fcen.uba.ar
Radiación Electromagnética (REM) en ella se basan todos los sistemas de sensoramiento remoto.
Radiación es la energía emitida en forma de ondas por todas las sustancias que no están al cero absoluto.
El espectro electromagnético es un espectro continuo
de todos los tipos de radiación electromagnética. En el espectro,
la REM es ordenada generalmente de acuerdo a su longitud de onda
(l ) o frecuencia (n
). La Figura 2.1 muestra el espectro electromagnético dividido
en regiones. La Figura 2.2 muestra el espectro visible. Los objetos emiten
energía en rangos específicos de longitudes de onda, que
son normalmente conocidos como espectro del objeto.
Los sistemas de sensoramiento remoto operan en diferentes partes del espectro: visible (VIS), infrarrojo (IR) y microonda (MW).
La interacción de la radiación con la materia depende de:
Todos los sistemas de sensoramiento remoto a bordo de satélites incluyen las mediciones de Radiación Electromagnética, las cuales han sido emitidas, reflejadas o dispersadas por la atmósfera o la superficie del planeta. Estas mediciones de la REM permiten la determinación de los valores de algunas variables físicas instantáneas de la atmósfera y la superficie.
Los blancos tales como tierra y agua en la superficie y las gotas de agua y los cristales de hielo en la atmósfera, reflejan, absorben, emiten y transmiten la energía radiante sobre un amplio rango de longitudes de onda. La energía emitida es descripta por un conjunto de leyes de radiación para un cuerpo negro ideal.
La Función de Plank describe la radiación emitida por un cuerpo negro, según la longitud de onda y su temperatura, como:
2.1donde c1 y c2 son constantes (c1= 1.1910439 x 10-16 W m2 sr-1 , c2= 1.438769 x 10-2 m K), T es la temperatura (K) y l la longitud de onda (m).
La ley de Stefan-Boltzman, indica la cantidad de energía por unidad de área, E, emitida por un cuerpo negro, independientemente de la dirección:
2.2donde s es la constante de Stefan-Boltzman (5.67051 x 10-3 W m-2 K-4).
La distribución espectral de radiación de un cuerpo negro
depende de la temperatura. Un objeto a temperatura muy alta ( p. ej., el
Sol) emite una cantidad muy alta de energía a longitudes de onda
más cortas, en tanto que un objeto más frío (p. ej.,
la Tierra) emitirá una cantidad de energía menor a mayores
longitudes de onda. La ley del desplazamiento de Wien presenta
la siguiente relación:
2.3En consecuencia, el Sol, con una temperatura superficial de, aproximadamente, 6000 K tiene un máximo a 0.5 m m, el cual se encuentra en el centro del espectro visible. Por otra parte la Tierra, con una temperatura superficial de unos 300 K, tiene un máximo cerca de los 10 a 12 m m en la región del IR.
La superficie de nuestro planeta no se comporta como un cuerpo negro radiante perfecto. La intensidad real de la radiación emitida (I) por cualquier material a una determinada longitud de onda (l ) depende de la temperatura de su superficie (T), y de la emisividad espectral (e c ):
2.4La Tabla 2.1 muestra algunos valores de emisividades típicas.
En la misma puede verse que para la mayoría de los materiales, el
rango de emisividades puede ser considerado constante, y se encuentra entre
8 y 14 m m. Sin embargo, la emisión de
la vegetación y la nieve dependen fuertemente de la longitud de
onda.
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La Figura 2.4 muestra un espectro suavizado de la atmósfera terrestre.
Una gran parte del espectros es opaca debido a la absorción por
gases atmosféricos, aunque hay excepciones. Por ejemplo, hay varios
sectores importantes, llamados ventanas, en las cuales la
atmósfera es relativamente transparente. La más importante
de las ventanas son la visible (0.39 - 0.76 m
m), la de 3.7 m m, la de microonda (2-4 mm and
> 6 mm), y la térmica (8.5 - 12.5 m
m). En esta última ventana hay un máximo en 9.6 m
m debido a la absorción por ozono.
La Administración Nacional del Océano y el Espacio (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) opera todos los satélites del programa meteorológico, en tanto que en Europa, la Agencia Europea Espacial ( European Space Agency, ESA), un consorcio de países, también opera satélites meteorológicos. Además de estos, hay otros países, tales como Rusia, India, Japón y China que operan satélites que proveen datos similares.
En esta guía se describen solamente los satélites meteorológicos de la NOAA, por la sencilla razón que las imágenes provenientes de estos satélites es fácilmente obtenible para cualquiera que tenga el equipamiento apropiado o a través de Internet.
Los sensores ubicados a bordo de los satélites meteorológicos, conocidos como radiómetros, miden el brillo radiativo en longitudes de onda específicas y angostas conocidas como canales.
3.1 Satélites de órbita polar
En la actualidad los Estados Unidos mantienen la menos dos satélites en órbita polar. Cada satélite pasa dentro del radio de alcance de una estación terrestre una vez al día viajando de norte a sur (modo descendente), y una vez al día de sur a norte (modo ascendente). Estas pasadas están apartadas en unas 12 horas para cada satélite.
El sensor principal a bordo de los satélites de órbita polar NOAA es conocido como Radiómetro Avanzado de Muy Alta Resolución (Advanced Very High-Resolution Radiometer, AVHRR). Es un radiómetro explorador con una resolución de 1,1,km y con sensibilidad en las regiones visible, infrarrojo cercano e infrarrojo térmico del espectro (ver Tabla 3.1).
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Resolución | Long. de onda (m m) | Nombre de la banda |
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3.2 Satélites geoestacionarios
La misión GOES está diagramada para proveer observaciones fecuentes y repetidas que son necesarias para detectar, seguir y predecir los sistemas de tiempo severo. En general se utilizan dos satélites GOES para proveer la cobertura necesaria sobre el hemisferio completo. Un satélite ocupa la posición GOES Este, ubicada sobre el Ecuador a 75° W, en tanto que el otro ocupa la posición GOES Oesste, a 135° W. En esta guía se utilizan imágenes del GOES Este, por ofrecer la mejor imagen de Sud América.
Los satélites GOES tienen la capacidad de observar el disco terrestre
completo tanto en la región VIS como en la IR del espectro. Los
nuevos satélites GOES (tales como el GOES-8) poseen un radiómetro
con cinco canales (ver Tabla 3.2).
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Resolución | Long. de onda (m m) | Nombre de la banda |
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4.1 Imágenes VIS
La Figura 4.1.1 muestra una imagen VIS obtenida desde el satélite
GOES-8. Las imágenes visibles ofrecen, en general, la mayor resolución
espacial. Los continentes, las nubes y el océano son claramente
visibles. Durante la noche, no se pueden obtener imágenes VIS a
partir de satélites meteorológicos estándar. El mar,
los grandes ríos y los lagos, aparecen oscuros en una imagen VIS.
En líneas generales, el suelo aparece más brillante que el
mar, pero más oscuro que las nubes. En una presentación normal
las nubes aparecen blancas o gris claro.
4.2 Imágenes IR
La banda IR más común para los satélites meteorológicos
está ubicada en la ventana de los 10 - 12.5 m
m. En esta ventana la atmósfera terrestre es relativamente transparente
a la radiación emitida por la superficie del planeta. Las imágenes
IR indican la temperatura de las superficies radiantes. Las nubes aparecen
en general, más blancas que la superficie del planeta debido a su
menor temperatura. La Figura 4.2.1, muestra la imagen IR image que corresponde
a la Figura 4.1.1.
4.3 Imágenes de Vapor de agua
Las imágenes de vapor de agua (Water Vapor, WV) se obtienen a
partir de la radiación emitida a una longitud de onda alrededor
de los 6.7 m m. A esta longitud de onda, la
mayor parte de la radiación proviene de la capa atmosférica
ubicada entre los 600 y los 300 hPa. La Figura 4.3.1 muestra una imagen
de WV obtenida al mismo tiempo que las de las Figuras 4.1.1 y 4.2.1. Las
imágenes WV se muestran regularmente con la radiación emitida
convertida a temperatura. Las regiones de la parte de humedad troposférica
alta aparecen frías (color claro) y las regiones con baja humedad
parecen cálidas (oscuras). Esto significa que, cuando la tropósfera
superior está seca, la radiación que llega al satélite,
originada más abajo en la atmósfera, donde es más
cálido y aparece oscuro en la imagen. Las nubes más altas
pueden verse, pero las características de la superficie no pueden
ser detectadas por no ser este un canal con una ventana atmosférica..
Es importante destacar que en tanto que una imagen WV indique una tropósfera
alta muy seca, puede haber aire húmedo cerca de la superficie.
4.4 Imágenes en 3.7 m m
La ventana de los 3.7 m m se encuentra ubicada
en una región pequeña donde se superponen la radiación
solar reflejada y la emitida por la Tierra y las nubes (ver la Figura 4.4.1),
la cual corresponde a la misma hora que las Figuras 4.1.1, 4.2.1 y 4.3.1.
Durante las horas nocturnas la radiación que detecta esta imagen
se origina en fuentes terrestres solamente. Durante el día, es detectada
una mezcla de radiación de dos orígenes distintos: solar
y terrestre, donde la componente solar predomina. ( Ver también
la Figura 4.7.1.1b.)
Análisis Multiespectral
La utilización de imágenes provenientes de más de un canal permite identificar de manera más sencilla algunos fenómenos atmosféricos o características de la superficie.. Los stratus a nivel bajo son muy difícil de identificar en una imagen IR debido a que la nube puede tener un valor de temperatura radiativa cercano al de la superficie. Por otra parte, en una imagen VIS, las nubes de tipo stratus aparecen brillantes en contraste con el fondo más oscuro de la tierra y el agua. Un problema similar presentan las nubes cirrus muy delgadas, las cuales no pueden verse en una imagen visible por ser prácticamente transparentes a la luz visible. Sin embargo, estas nubes son frías, por lo cual presentan una fuerte señal fría en la imagen infrarroja.
4.6 Realce de imágenes
El realce de imágenes consiste en destacar ciertos valores o regiones dentro de una imagen para enfatizar e identificar características meteorológicas y separarlas de las señales provenientes dela tierra y del agua.
4.6.1 Realce de color
El realce de color implica efectuar una reasignación de colores
(o niveles de grises) a cada pixel de la imagen basándose en el
valor del pixel. Las tablas de signación de valores especifican
estas relaciones entre valores de entrada y salida; las relaciones se muestran
en un gráfico, denominado curva de realce.
4.6.2Realce de color Multiespectral
Una imagen multispetral aprovecha las ventajas tecnológicas disponibles en un monitor color rojo – verde – azul ( red-green-blue, RGB). Cada canal que se desea visualizar es asignado a uno o más de los colores para destacar las características multiespectrales.
4.7 Identificación de tormentas en imágenes satelitales
4.7.1 Conglomerados de nubes
Los conglomerados de nubes están asociados con tormentas convectivas intensas. La Figura 4.7.1.1 muestra conglomerados de Cb muy grandes sobre la parte central de Argentina. Las bandas de Ci fluyen hacia fuera del conglomerado indicado con A siguiendo aproximadamente la configuración del campo de viento en niveles superiores. La imagen VIS (Figura 4.7.1.1a) muestra secciones pequeñas con una textura rugosa y con partes sobresalientes como torres destacada por las partes iluminadas y las sombras de los topes de los yunques que se unen. Estas partes altas indican los lugares donde las corrientes ascendentes sobrepasan la cubierta Ci. Estas características indican regiones con convección muy intensa, tiempo severo y grandes precipitaciones dentro del conglomerado. No obstante, los topes que sobrepasan no necesariamente indican por sí solos que el tiempo severo está ocurriendo dentro de una tormenta. Los topes persistentes que sobrepasan los Ci son una señal más confiable de tiempo severo. En el caso del conglomerado A, los restos o hilos de nubes viento abajo son extensos y gruesos, pero los conglomerados formados más tarde, B, C y D, no han generado aún un yunque tan extenso.
La imagen en 4.7 m m, (Figura 4.7.1.1b) muestra
secciones negras donde la radiación solar ha sido totalmente absorbida
por las partículas de hielo en los yunques de las tormentas.
a)
b)Figura 4.7.1.1: a) VIS , b) Imágenes en 3.7m
m del NOAA-14 AVHRR a las 1800 TUC sobre la parte central de Argentina
el 06 Nov 1995.
4.8 Ciclones de latitudes medias y bordes frontales
Las Figuras 4.8.1.a) a la d) muestran las nubes asociadas con un gran
ciclón en latitudes medias sobre Argentina según lo muestran
las imágenes VIS, 3.7 m m, WV e IR realzado.
a)
b)
c)
d)Figura 4.8.1: Ciclón de latitudes medias y otras características nubosas. a) imagen VIS , b) imagen 3.7 m m, c) imagen WV, y d) imagen IR realzada (GOES-8, 09:30 Abr 27, 1999).
· Líneas de inestabilidad
· Brisas de mar y tierra
· Plumas de humedad de los trópicos
Bibliografía y sitios Web relacionados
Satellite Meteorology; An introduction. S. Q. Kidder and T. H. Vonder Haar. 466 pgs. Academic Press, NY, 1995,.
Atlas of satellite observations related to global change. R. J. Gurney, J. L. Foster and C. L. Parkinson, editors. 470 pgs., Cambridge University Press. 1993.
Weather Satellites: Systems, data and Environmental Applications. P. K. Rao, S. H. Holmes, R. K. Anderson, J. S. Winston and P. E. Lehr, editors. 503 AMS, Boston, 1990.
Atlas de imágenes Meteosat. C. A. Brimacombe. 492 pgs. Pub. B-32. España,. 1991.
An Introduction to Satellite image Interpretation. E. D. Conway. 242 pgs.,The Hopkins University Press. Baltimore, 1997.
http:/rsd.gsfc.nasa.gov/goes/text/goesnew.html
