Sensoriamento Remoto Aquático - Princípios Físicos e Aplicações

23 3 PRINCÍPIOS FÍSICOS DO SENSORIAMENTO REMOTO AQUÁTICO Cláudio C F Barbosa Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais Brasil 31 Introdução 32 O que é Luz 321 Campo de luz 33 Grandezas radiométricas 34 Interação da luz com meio aquático 341 Processo de absorção 342 Processo de espalhamento 35 Propriedades ópticas inerentes 36 Propriedades ópticas aparentes 361 Reflectâncias 362 Coeficientes de atenuação difuso 363 Cossenos médios 37 Componentes opticamente ativos nos sistemas aquáticos 371 Água pura e suas propriedades ópticas inerentes 372 Matéria orgânica dissolvida e suas prop ópticas inerentes 373 Particulado total e suas propriedades ópticas inerentes 3731 Partículas não algais NAP 3732 Organismos clorofilados microscópicos e suas prop ópticas 38 A equação de transferência radiativa 39 Conclusão 24 27 29 30 35 35 36 38 41 41 42 43 44 44 45 47 48 49 51 52 24 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos 31 INTRODUÇÃO U m dos objetivos do sensoriamento remoto aplicado a ambientes aquáticos é determinar a concentração e mapear a variabilidade espacial de alguns parâmetros de qualidade de água como clorofila sólidos em suspensão e matéria orgânica dissolvida Esses parâmetros são úteis para a determinação das condições biofísicas e do estado trófico de sistemas aquáticos Devido às proprieda des de interação da água com a luz radiação eletromagnética o sensoriamento remoto em ambientes aquáticos denominado de sensoriamento da cor da água utiliza principalmente sensores passivos tendo a radiação solar como fonte de radiação e a região do espectro eletromagnético entre 400 e 900 nm como faixa mais adequada para as aplicações A cor da água natural é uma característica óptica resultante dos processos de interação da luz solar com a água e seus constituintes e que por isso contém informação espectral relativa à composição da coluna de água As variações de cor são determinadas pela concentração e composição das partículas e das substâncias dissolvidas que absorvem e espalham a radiação solar direta e difusa do céu que penetra na água A Figura 31 ilustra exemplos de cor da água registrada por sensores remotos orbitais Um dos desafios na interpretação das cores da água é identificar e extrair a radiação emergente da coluna dágua dado que o sinal registrado pelos sensores orbitais é fortemente afetado pela atmosfera e pela reflexão especular na superfície da água Além disso a modelagem dos constituintes a partir dessa informação radiométrica não é uma tarefa trivial espe cialmente em ambientes opticamente complexos como é o caso de águas interiores As técnicas para a extração de informação de ambientes aquáticos por sensoriamento remoto são diferentes daquelas aplicadas em alvos terrestres Por exemplo de forma genérica podese consi derar a radiação refletida por alvos terrestres como um evento bidimensional de espalhamento simples enquanto que para alvos aquáticos onde a radiação penetra e se propaga na coluna dágua o evento Figura 31 Exemplos de imagens de cor da água registradas sensores remotos orbitais a bordo de satélites 25 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático é inerentemente tridimensional pois envolve espalhamento múltiplo de diferentes ordens em todas as direções dentro do corpo dágua A Figura 32 ilustra de forma sucinta a trajetória percorrida pela luz solar quando esta se pro paga e atinge os alvos aquáticos antes de retornar na direção do sensor orbital Conforme ilustrado na Figura 32 o feixe de luz se propaga pela atmosfera e atinge a superfície da água onde uma parte dele é refletida pela superfície e a outra parte penetra na água Essa fração da luz que penetra na água após interagir com a coluna dágua retorna à superfície e eventualmente propagase na direção do sensor orbital Ao longo dessa trajetória a luz é submetida a processos de atenuação devido à interação dos fótons com a atmosfera com a superfície da água com a coluna dágua e novamente com a atmosfera antes de atingir o sensor Portanto a radiação solar está sob forte influência de fatores externos antes de ser registrada por algum sensor Os processos de atenuação na atmosfera antes e após interagirem com o corpo dágua são processos perturbadores pois além de não conterem informações sobre as massas dágua interferem nas informações oriundas da coluna dágua Os métodos de remoção ou redução desses efeitos per turbadores estão descritos na seção 4 do Capítulo 6 que trata sobre correção atmosférica de imagens Os processos de interaçãoatenuação que ocorrem na superfície da água Figura 32 ou seja reflexão especular da luz solar direta p3 sunglint ou da luz difusa do céu p2skyglint também não resultam em informação sobre a composição da água O tratamento desses efeitos é discutido na seção sobre remoção da reflexão especular na superfície da água do Capítulo 5 Já a radiação emergente do corpo dágua resultante da interação da luz com o meio aquático transporta as informações sobre a compo sição das massas de água Figura 32 É essa radiação que permite a partir de técnicas de sensoria mento remoto fazer a conexão entre os constituintes da água e o sinal registrado por um sensor remoto Matéria orgânica dissolvida sunglint skyglint radiância da coluna dágua Espalhamento atmosférico Superfície da água Fitoplâncton Sedimento p1 p2 p3 p4 Sensor orbital p5 p6 p7 Figura 32 Trajetória da luz entre fonte sol alvo corpo dágua e sensor orbital 1 processo de espalha mento atmosférico 2 processo de reflexão especular da luz difusa do céu 3processo de reflexão especular da luz solar direta 4 radiação emergente da coluna dágua 5 processo de espalhamento e absorção da luz por fitoplâncton 6 processo de espalhamento da luz por sedimentos 7 processo de absorção da luz por matéria orgânica dissolvida orbital aerotransportado ou de campo Então para entender essa conexão e extrair informações sobre os sistemas aquáticos é necessário entender e quantificar os processos de interação da luz na coluna dágua Os conceitos fundamentais para o estudo quantitativo das interações da luz com corpos dágua são estabelecidos pela óptica hidrológica ramo da física que trata dos processos de propagação da luz na água utilizando como arcabouço físico e matemático a teoria de transferência radiativa TTR A radiometria é a ciência de medição da radiação eletromagnética Ela é a base para estudos de transferência radiativa em águas naturais Mobley 1994 A Figura 33 apresenta de forma sintética os relacionamentos entre os principais conceitos da óptica hidrológica Note que a teoria de transferência radiativa representada pela equação de transferência radiativa é a estrutura matemática que liga as propriedades ópticas inerentes e as condições ambientais de um sistema aquático com as grandezas radiométricas do campo de luz e as propriedades ópticas aparentes do corpo dágua 27 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático Este capítulo descreve os principais conceitos da óptica hidrológica aplicados no estudo de am bientes aquáticos por sensoriamento remoto óptico Na seção 32 fazse uma revisão conceitual do que é a luz e de suas propriedades quando tratada como pacotes de energia e como ondas eletromagnéticas Esses conceitos são fundamentais para entender os processos de interação da luz com o meio aquático Na seção 33 revisase o conceito de campo de luz e na seção 34 descrevese as principais grandezas radiométricas utilizadas para medir e descrever quantitativamente o campo de luz É a partir de me didas das alterações que as massas dágua causam no campo de luz que técnicas de sensoriamento remoto extraem informações sobre a composição e a concentração dos constituintes nos corpos dágua A seção 35 trata da descrição dos processos de interação que ocorrem quando a luz propaga no meio aquático É a partir da definição de atributos que quantificam esses processos que se pode descrever e caracterizar quantitativamente as propriedades óticas inerentes do meio aquático descritas na seção 36 A conexão das propriedades ópticas inerentes de águas naturais com o campo de luz propagado nessas águas é feita a partir de um conjunto de propriedades ópticas aparentes apresentadas na seção 37 Essas propriedades quantificam e descrevem as mudanças causadas no campo de luz devido à sua interação com o meio aquático e permitem estabelecer a conexão entre essas mudanças e os constituin tes biológicos químicos e geológicos da água natural 32 O QUE É LUZ A interpretação dos dados adquiridos por sensoriamento remoto no estudo e monitoramento de ambientes aquáticos é fundamentada na compreensão da interação da radiação eletro magnética REM com os corpos dágua Essa fundamentação se baseia na descrição detalhada da REM e dos processos que ocorrem durante a sua propagação no meio aquático A REM é resultado da emis são de energia eletromagnética EE por qualquer corpo que esteja com a temperatura acima de zero absoluto 0 Kelvin No contexto do sensoriamento remoto de ambientes aquáticos a fundamentação baseiase nos conceitos da óptica hidrológica que é o ramo da óptica que trata do comportamento da luz no meio aquático O termo luz referese a EE na região do espectro eletromagnético entre 380 e 700 nanômetros 109 metros Wandel 1995 Essa região espectral é comumente referenciada como luz por ser a re gião onde o olho humano é sensível Para o entendimento do que é a luz e de suas propriedades a física moderna recorre a duas perspectivas uma quântica e outra ondulatória Na perspectiva quântica a luz é concebida como unidades indivisíveis de energia pacote de energia denominados de quanta ou fótons enquanto na perspectiva ondulatória é concebida como ondas eletromagnéticas resultantes da oscilação de partículas polarizadas que ao se propagarem geram campos elétrico e magnético Figura 34 Nas duas concepções a velocidade de propagação da luz c no vácuo é de 3 x 108 m s1 Na perspectiva ondulatória a luz é caracterizada pela distância entre dois pontos de mesma intensidade do campo elétrico ou magnético durante sua propagação Essa distância denominada de comprimento de onda da luz varia em função da frequência de oscilação dos campos elétrico e magné tico Já sob a perspectiva de pacotes de energia cada fóton é caracterizado como tendo uma quantidade específica de energia ξ que tem associado a ele uma frequência ν que o confere propriedades ondula tórias conforme a equação abaixo ξ hv hc λ 31 Onde h é a constante de Plank cujo valor é 6625 1034 joules segundo J s v é a frequência relacionada com o comprimento de onda λ dado pela relação v cλ em que c é a velocidade da luz no meio onde 28 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos a luz está se propagando Desde que c é constante em um determinado meio quanto maior o compri mento de onda menor a frequência e consequentemente menor a energia do fóton que está oscilando naquela frequência O espectro de radiação eletromagnético é comumente representado a partir das radiações gama de alta energia altíssimas frequências até radiações de ondas de rádio que são de baixa energia No contexto do sensoriamento remoto da água trabalhase com REM na região do visível 400 700 nm e infravermelho próximo até 900 nm A radiação solar é a principal fonte natural de energia eletromagnética utilizada pelo sensoria mento remoto óptico A Figura 35 mostra o espectro de distribuição da energia emitida pelo sol que atinge o topo da atmosfera cinza escuro e ao nível do mar em cinza claro Como se pode observar a maior intensidade de EE que atinge a superfície terrestre encontrase na região entre 400 e 700 na nômetros 1 x 109 metros Coincidentemente o processo químico mais importante que acontece na superfície da terra a fotossíntese utiliza a radiação solar dessa faixa espectral Figura 34 Representação da luz quando conceitualizada com campos elétrico e magnético λ comprimento de onda Campo elétrico Campo magnético Direção de propagação Figura 35 Espectro da radiação solar no topo da atmosfera cinza escuro e ao nível do mar cinza claro A absorção específica dos principais gases é também ilustrada na figura 0 500 1000 1500 2000 2500 025 045 065 085 105 125 145 165 185 205 225 245 265 285 Irradiância Espectral w m²µm Comprimento de onda µm Irradiância espectral solar no topo da atmosfera Irradiância espectral solar nível do mar O3 O3 H2O O2 H2O H2O H2O H2O CO2 H2O CO2 H2O CO2 29 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático 321 Campo de luz O termo campo de luz referese a um conjunto de fótons ou radiação eletromagnética propa gando dentro de um certo meio No contexto deste capítulo o meio será o aquático Essa propagação pode ser isotrópica quando se propaga igualmente em todas as direções ou anisotrópica quando ocorre alguma direção preferencial de propagação Ao se propagar o campo é submetido a alterações devido à sua interação com a coluna dágua Para que se possa fazer uma conexão entre as mudanças que ocorrem no campo de luz e os constituintes presente no corpo dágua é necessário quantificar essas mudanças por meio de medidas de alguns atributos do campo de luz As definições desses atributos no contexto da óptica hidrológica estão descritas em Mobley 1994 e Kirk 2011 Uma revisão sucinta desses atributos é apresentada na próxima seção deste capítulo O arcabouço fí sico e matemático que possibilita estudarsimular essas alterações em um determinado meio físico e consequentemente estudar a interação do campo luz com o meio é a equação de transferência radiativa ETR A ETR necessita como dado de entrada uma descrição da distribuição espacial do campo de luz em todas as direções descrição da estrutura angular e espacial do campo de luz Mobley 1994 denomina essa junção da radiação com uma estrutura espacial geometria euclidiana do campo de luz de radiometria geométrica A radiometria geométrica aplicada ao estudo do campo de luz tanto à coluna dágua quanto à interface arágua ou atmosfera utiliza normalmente o sistema de coordenadas polar para definir as di reções de propagação da luz Ou seja as direções são expressas em termos dos ângulos zenital e azimu tal em que o ângulo zenital θ Figura 36 é o ângulo entre o feixe de luz e uma linha vertical a um plano horizontal passando por ponto de referência No exemplo da Figura 36 esse plano é representado pela superfície da água e a linha vertical é o eixo y O ângulo azimutal é o ângulo entre um plano vertical passando pelo feixe de luz incidente plano azimutal na Figura 36 e um plano na vertical passando pela fonte de luz No exemplo da Figura 36 esses dois planos verticais estão representados pelo plano azimutal e plano direção do sol θ ϕ θ𝑛𝑛 𝑦 ϕ 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑛𝑜 direção 𝑠𝑜𝑙 θ 𝑑𝑑𝑒𝑛𝑛𝑖𝑖𝑡𝑡𝑒 ϕ 𝑎𝑑𝑑𝑖𝑖𝑚𝑢𝑡𝑡𝑒 θn 𝑛𝑛𝑎𝑑𝑑𝑖𝑖𝑟 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑛𝑜 𝑥𝑥𝑑𝑑𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓í𝑐𝑐𝑖𝑖𝑒 𝑎𝑟 á𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑒𝑖𝑖𝑥𝑥𝑒 𝑑𝑑𝑒 𝑙𝑢𝑑𝑑 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑛𝑜 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑖𝑐𝑐𝑖𝑖𝑒 𝑑𝑑𝑎 á𝑔𝑢𝑎 𝑓𝑒𝑖𝑖𝑥𝑥𝑒 𝑑𝑑𝑒 𝑙𝑢𝑑𝑑 𝑑𝑑 𝑥𝑥 Figura 36 Ângulos para definição de direções dentro de um campo de luz O plano vertical xy é um plano na direção do sol e o plano horizontal representa a superfície da água A figura mostra também dois feixes de luz um descendente e outro ascendente ambos num mesmo plano vertical com ângulo azimutal ϕ em relação à posição do sol O feixe descendente tem ângulo zênite θ e o ascendente tem ângulo nadir θn que é equivalente ao ângulo zênite 180 θn Figura 37 Campo de luz formado por fótons de diferentes comprimentos de onda λi Cada cor representa fótons de diferente quantidade de energia ξλi Setas azuis representam fótons da região espectral do azul com maior energia Setas vermelhas representam fótons da região espectral do vermelho com menor energia O círculo representa o referencial onde está sendo feita a medida Esse círculo pode ser a superfície do detector de medida de energia radiante Outra grandeza radiométrica importante para caracterizar um campo de luz é a irradiância planar Eλ O conceito de irradiância surge da necessidade de se medir o fluxo interceptado pela seção de uma superfície Figura 38 como a seção de um detector de radiação Nesse contexto irradiância é definida como a densidade ou taxa do fluxo radiante interceptado por unidade de área dA Equação 34 A irradiância tem unidade de Watts por metro quadrado Wm2 A radiância L é um atributo do campo de luz fundamental na formulação da óptica hidrológica pois possibilita quantificar e descrever a propagação da luz no espaço tridimensional Existem dois conceitos importantes para entender a radiância ângulo sólido e intensidade radiante O setor de uma circunferência delimitada por dois raios Figura 39a define um ângulo plano θ como a razão do comprimento do arco l pelo raio r O ângulo sólido é uma extensão do ângulo plano O setor de uma esfera delimitado por um conjunto de direções que determinam uma área A na superfície da esfera Figura 39b define um ângulo sólido Ω como a razão da área A pelo raio r ao quadrado cuja unidade é esferorradiano Já a intensidade radiante I é uma medida do fluxo radiante por unidade de ângulo sólido em uma certa direção Bukata et al 1995 Imagine uma fonte de radiação pontual localizada no centro de uma esfera de raio r emitindo radialmente em todas as direções Figura 310a Considere também 32 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos um cone que subtende um ângulo sólido Ω e com seu vértice na fonte de radiação Figura 310a A partir dessa configuração definese intensidade radiante Iθ ϕ λ na direção θ ϕ como o fluxo ou a potência radiante por unidade de ângulo sólido Ω Iθϕλ dΦλ dΩ 35 A intensidade radiante pode também ser usada para descrever a radiação em um ponto no espaço ou incidente em um ponto de um alvo Figura 310b O conceito de intensidade radiante está associado à medida do fluxo radiante por unidade de ângulo sólido proveniente de uma fonte pontual ou incidente num ponto de um alvo O conceito de radiância surge da necessidade de medir o fluxo proveniente de ou incidente sobre um alvo com uma certa área A radiância Lθ ϕ λ de um alvo na direção θ ϕ é definida como o fluxo radiante Φλ por unidade de ângulo sólido Ω por unidade de área A perpendicular à direção do ao fluxo equação 36 Ou seja a radiância é a intensidade radiante por unidade de área perpendicular ao fluxo incidente ou emitido Lθϕ Φλ Ω Acos θ 36 A partir da equação 36 a estrutura direcional do campo de luz pode ser expressa em termos da variação da radiância L usando os ângulos zenital θ e azimutal ϕ e tem unidade de Watts por metros quadrados por esferorradiano W m2 sr1 A importância da radiância como grandeza radiométri ca fundamental é porque todas as demais grandezas podem ser derivadas a partir dela Além disso é a grandeza medida pela maioria dos sensores orbitais A definição de outras grandezas radiométricas listada na Figura 33 pode ser encontrada em Mobley 1994 Kirk 2011 e Novo 2008 Existem equipamentos comerciais para medidas de radi ância e irradiâncias in situ No Capítulo 4 esses equipamentos são apresentados com uma descrição da configuração utilizada para as medidas simultâneas de diferentes tipos de grandezas Iθϕλ Ω Iθϕλ φ θ Ω φ r θ r fonte pontual b a Figura 310 Esquema ilustrativo da intensidade radiante I no ângulo sólido Ω na direção do ângulo zeni tal θ e azimutal ϕ a radiação emergindo de uma fonte pontual b radiação em um ponto do espaço ou incidindo num ponto de um alvo 33 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático Conforme mencionado anteriormente as inferências por sensoriamento remoto óptico sobre constituintes presentes na água são feitas a partir das mudanças que as massas dágua causam no campo de luz solar que ao incidir e penetrar na superfície da água propaga na coluna dágua e eventualmente uma fração retorna e emerge da superfície Figura 32p4 É essa fração da radiação incidente alterada pela coluna dágua que quando registrada por sensores remotos permite inferir sobre a composição e as concentrações dos constituintes da água Para parametrizar calibrar e validar tanto algoritmos de estimativas dos constituintes da água como algoritmos de correção atmosférica das imagens medidas específicas de radiância e irradiância são feitas in situ antes e após a luz solar interagir com a coluna dáguas Vale ressaltar que algumas medidas precisam ser feitas concomitantes com a passagem do satélite As principais medidas in situ recomendadas por protocolos de estudo da cor da água são i Irradiância incidente na superfície da água Esλ Tratase da irradiância planar formada pela radiação solar direta e difusa do céu Esλ carrega a informação da composição espectral e da intensidade da irradiância incidente no instante das demais medidas radiométricas Esλ é utilizada na determinação da reflectância de sensoriamento remoto Rrsλ e do coeficiente de atenuação difuso Kdλ na coluna dágua Esses dois parâmetros estão descritos na seção 7 deste capítulo A medida de Esλ Figura 312 é feita por um coletor cosseno descrito no Capítulo 4 posicionado acima da água ii Radiância ascendente da superfície da água LTθ ϕ λ Tratase da radiância total medi da por um sensor espectral de radiância na posição θ ϕ acima da superfície da água Figura 312 LTθ ϕ λ é formado pela radiância emergente da coluna dágua Lwθ ϕ λ mais a radiância especular refletida pela superfície da água LRSθ ϕ λ radiação que atingiu a superfície mas não penetrou na água A variável radiométrica de interesse na ótica hidrológica é Lwθϕλ pois é ela que carrega a informação das mudanças causadas no campo de luz pela coluna dágua Entretanto não é possível medila diretamente Sua obtenção é feita removendo LRSθϕλ da medida de LTθϕλ a partir de métodos empíricos e analíticos Mobley 2015 Lee et al 2010 Mobley 1999 Lwθϕλ é utilizada na determinação da Rrsλ iii Radiância do céu Lskyθ ϕ λ Tratase da radiação solar que após ser espalhada pelos constituintes atmosféricos propagase em direção à superfície da água Parte dessa radiação penetra na água e uma parte da que é refletida pela superfície vai na direção do sensor que mede LTθ ϕ λ contribuindo assim para a fração LRSθ ϕ λ de LTθ ϕ λ Conforme ilustrado na Figura 312 o sensor Figura 311 Esquema da definição conceitual da grandeza radiométrica radiância Ω Área A do alvo emitindo Área projetada A cos θ θ φ 34 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos que mede Lskyθ ϕ λ fica apontado para o céu no mesmo plano azimutal do sensor que mede LTθ ϕ λ mas com 90 graus de diferença no ângulo zenital em relação ao sensor de medida de LTθ ϕ λ Maiores detalhes sobre a posição dos sensores estão descritos no Capítulo 4 As medidas de Lskyθ ϕ λ são utilizadas no processamento para remoção da radiação especular na superfície da água sunglint e skyglint iv Irradiância descendente na coluna dágua Edλ Tratase da medida irradiância planar do campo de luz que penetrou na superfície da água Medidas de Edλ fornecem informação sobre a composição espectral e intensidade da radiação ao longo da coluna dágua Edλ também é utilizada para a determinação do coeficiente de atenuação difusa da coluna dágua Kdλ que está descrito na se ção 7 deste capítulo Medidas de Edλ são feitas com um coletor cosseno posicionado perpendicular à superfície da água Figura 312 Este sensor é baixado lentamente na coluna dágua enquanto medidas são realizadas v Irradiância ascendente na coluna dágua Euλ Como resultado do espalhamento na co luna dágua em qualquer profundidade que tenha um fluxo de luz descendente existirá também um fluxo ascendente A irradiância Euλ é a medida da irradiância planar deste fluxo de luz ascendente Medidas de Euλ fornecem informação sobre a composição espectral e intensidade da radiação ascen dente na coluna dágua Euλ é utilizada junto com Edλ para a determinar a reflectância de irradiância Rzλ definida na seção 7 deste capítulo A Rzλ é uma variável útil pois existem relações empíricas e teóricas entre fitoplâncton sólidos suspensos propriedades ópticas inerentes e a Rzλ Bukata et al 1995 vi Radiância ascendente na coluna dágua Luλ Tratase da medida radiância ascendente aproximadamente vertical na coluna dágua Como Euλ a medida de Luλ pode ser feita ao longo da coluna dágua Entretanto os valores mais usados são os medidos logo abaixo da superfície denomina dos radiância de subsuperfície Luλ 0 Medidas de Luλ 0 são usadas na determinação da reflectân cia de sensoriamento remoto de subsuperfície rrsλ 0 que é usada em modelos bioópticos analíticos e também para extrapolar a rrsλ 0 para a reflectância de sensoriamento remoto Rrsλ Figura 312 Configuração esquemática de sensores para medidas in situ de grandezas radiométricas reco mendadas por protocolos de estudo da cor da água T 35 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático A Figura 313 sintetiza a hierarquia dos conceitos de grandezas radiométricas de interesse da óptica hidrológica Para distinguir entre fótons que incidem ou deixam uma determinada superfície utilizase o sinal negativo para se referir aos fótons incidindo na superfície e o sinal positivo para os fótons deixando a superfície excitância 34 INTERAÇÃO DA LUZ COM MEIO AQUÁTICO A interação da luz com a coluna dágua é governada por dois processos absorção e espalha mento Quando um fóton é absorvido sua energia é transferida para uma molécula de água ou de alguma das substâncias presente na água e o fóton desaparece Quando um fóton é espalhado ao interagir com algum componente do meio sua direção original de propagação é alterada entretanto ele continua a existir É importante entender os processos de absorção e de espalhamento para interpre tar o resultado da interação da luz com o corpo dágua e consequentemente extrair informações sobre o sistema aquático 341 Processo de absorção Q uando os fótons estão se propagando num determinado meio existe sempre uma probabili dade de serem absorvidos por alguma molécula Quando isso ocorre há o aumento de ener gia na molécula pela absorção do fóton Para entender o que acontece com essa molécula é necessário recorrer à estrutura geral de distribuição de energia em moléculas Segundo essa estrutura a energia total contida em uma molécula é distribuída em três níveis ou frações de energia Figura 314a Uma fração maior corresponde a um nível eletrônico ou camada de energia da molécula uma fração inter Energia Radiante Q Potência Radiante Φ Potência por unidade de área Potência por unidade de ângulo sólido Potência por unidade de área unidade de ângulo sólido irradiância E incidindo na superfície emitância M deixando a superfície intensidade I incidindo na superfície intensidade I deixando a superfície radiância L incidindo na superfície radiância L deixando a superfície W m2 W sr2 W m2 sr2 Figura 313 Hierarquia dos conceitos radiométricos Adaptado de Mobley1994 36 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos mediária em quantidade de energia corresponde a um nível vibracional e uma fração pequena corres ponde a um nível rotacional de energia da molécula O processo de absorção faz com que um elétron da molécula mude do seu nível atual para um nível correspondente ao acréscimo de energia do fóton absorvido Se uma molécula absorve um fóton de comprimento de onda maior do que 20 µmλ 20 µm energia correspondente à região de microondas então a molécula muda de um nível de energia rotacional para outro Figura 314b Caso o fóton seja da região do infravermelho λ 20 µm então a molécula é submetida a uma transição de energia de um nível vibracional para outro Já a absorção de um fóton de luz visível faz com que haja uma transição de um elétron do estado eletrônico fundamen tal da molécula para um estado eletrônico excitado Se for um fóton de luz azul que tem mais energia que um fóton de luz vermelha então o elétron se desloca para um nível eletrônico de maior energia do que se fosse um fóton de luz vermelha Embora a descrição teórica seja importante para entendermos o fenômeno os usuários interessados nas aplicações muitas vezes negligenciam tais conceitos Os pro cessos de absorção da luz no meio aquático alteram a composição e a intensidade do campo de luz e podem ser identificados e quantificados a partir de medidas das grandezas radiométricas 342 Processo de espalhamento E spalhamento é o processo em que os fótons têm sua direção original de propagação alterada devido à interação com o meio onde a luz está se propagando No nível mais fundamental o microscópico todo espalhamento tem origem nas interações entre fótons e moléculas ou átomos No entanto na descrição das propriedades ópticas de águas naturais é mais adequado tratar o espalha mento como sendo causado por dois processos distintos o espalhamento devido a flutuações aleatórias de densidade e o espalhamento causado por partículas em suspensão na água O espalhamento por flutuações de densidade ocorre devido a movimentos moleculares alea tórios contínuos que dão origem a flutuações no número de moléculas em um dado volume de água V Essas flutuações de densidade de moléculas que ocorrem em escala microscópica V λ levam a flutuações no índice de refração ao longo da trajetória percorrida pela luz no meio aquático A Estado fundamental Níveis vibracionais Nível I Eletrônico Nível II Eletrônico Níveis rotacionais Energia Absorção de fóton emissão de fóton λ1 λ2 infravermelho Micro ondas ultravioleta visível Transição de elétron Vibração molecular Rotação molecular Comprimento de onda a b ξ hcλ1 ξ hcλ2 Figura 314 Diagrama ilustrativo do processo de absorção a Níveis de energia em moléculas estado fun damental níveis eletrônicos I e II níveis vibracionais e níveis rotacionais b Dependendo da energia do fóton absorvido pela molécula Equação 31 um elétron moverá entre estes níveis podendo sofrer rotação ou vibração molecular ou uma transição para um dos níveis eletrônicos Fonte a adaptado de Kirk 2011 b adaptado de Roesler 2015 37 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático interação da luz com essas heterogeneidades no índice de refração causa pequenas mudanças de dire ção dos fótons Como as dimensões dessas regiões heterogêneas são muito menores do que o compri mento de onda de propagação dos fótons a distribuição angular do espalhamento é descrita pela teoria de EinsteinSmoluchowski Segundo essa teoria o espalhamento devido à flutuação da densidade em líquidos é isotrópico sendo similar para frente e para trás Figura 315a similar ao espalhamento Rayleigh para gases O espalhamento por partículas é causado pela interação dos fótons com as partículas orgâni cas e inorgânicas em suspensão na água Em ambientes aquáticos o diâmetro da seção transversal da maioria das partículas é maior do que 2 µm Kirk 2011 Esse diâmetro é maior do que o maior com primento de onda da luz visível que é de 07 µm no vermelho Quando as partículas são maiores que os comprimentos de onda dos fótons as possíveis direções do fóton após interagir com uma partícula são descritas pela teoria de espalhamento Mie2 Essa teoria prevê que o espalhamento ocorra em pequenos ângulos em relação à direção original de propagação da luz Figura 315c Uma condição interme diária ocorre quando os tamanhos das partículas são aproximadamente iguais ao do comprimento de onda Figura 315b Nesse caso o espalhamento é preferencialmente para a frente mas não tão inten so quanto para partículas grandes A intensidade e a forma do espalhamento no meio aquático são in fluenciadas pelos seguintes parâmetros concentração de partículas diâmetro das partículas índice de refração das partículas em relação a água forma das partículas e absorção de radiação pelas partículas É importante ressaltar que o espalhamento não remove a luz pois o fóton espalhado continua disponível mas se propagando em outra direção O efeito do espalhamento é fazer com que o fóton siga uma trajetória em zigzag entre um espalhamento e outro dificultando a penetração vertical da luz Este processo aumenta a trajetória e consequentemente a probabilidade do fóton ser absorvido por um dos componentes absorvedores do meio aquático Durante esse processo alguns fótons são espalhados de volta em direção à superfície da água Em síntese o efeito do espalhamento é intensifi car a atenuação vertical da luz na coluna dágua São os processos de espalhamento e absorção da luz no meio aquático que possibilitam o uso do sensoriamento remoto para estudo e monitoramento de sistemas aquáticos Figura 315 Distribuição angular da intensidade de espalhamento a Para partículas muito menores que o comprimento de onda espalhamento Rayleigh e para o caso de flutuação de densidade em líquidos teo ria EinsteinSmoluchowski b Para partículas de tamanho aproximadamente igual ao do comprimento de onda c Para partículas muito maiores do que o comprimento de onda 00 3150 450 1350 2250 2700 900 Direção de propagação partículas λ a 3150 450 1350 2250 2700 900 1800 00 partículas λ b 3150 450 1350 2250 2700 900 1800 00 partículas λ c Direção de propagação Direção de propagação 2 A teoria Mie descreve a interação da luz com partículas esféricas homogêneas 35 PROPRIEDADES ÓPTICAS INERENTES A óptica hidrológica fundamentase na interação do campo de luz solar com o meio aquático A descrição quantitativa do campo de luz como vimos pode ser feita a partir de medidas das grandezas radiométricas definidas na seção 4 Resta então saber como quantificar e descrever as mudanças que o meio aquático submete ao campo de luz Sabese que os dois processos ópticos que ocorrem quando a luz propaga na coluna dágua são a absorção e o espalhamento dos fótons Então as medidas radiométricas do quanto as massas de água absorvem e espalham a luz podem ser usadas tanto para quantificar as mudanças causadas pela coluna dágua quanto para determinar as propriedades ópticas do meio aquático As propriedades ópticas inerentes ao meio aquático são definidas em termos do coeficiente de absorção do coeficiente de espalhamento e da função de espalhamento de volume Essas propriedades são denominadas de propriedades ópticas inerentes IOPs Inherent Optical properties porque suas magnitudes dependem somente da composição e da concentração das substâncias particuladas e dissolvidas presentes na água além da própria água Para que possam ser inerentes ao meio ou seja não sejam afetados por eventos externos como as variações da iluminação a medida desses coeficientes é feita por equipamentos que têm uma fonte de luz própria Já que não dependem da luz solar esses parâmetros podem ser medidos tanto in situ quanto em laboratório A definição formal desses coeficientes é feita usando como recurso uma camada imaginária de água de espessura ΔX e volume ΔV Figura 316a iluminada perpendicularmente por um feixe de luz colimado fótons com trajetórias paralelas e monocromático de fluxo Φiλ Apesar da definição referenciar a um feixe monocromático os coeficientes podem ser determinados para uma faixa espectral tendo um valor para cada comprimento de onda formando assim um coeficiente espectral Ao se propagar na camada de água uma parte do fluxo incidente Φaλ será absorvida uma outra parte Φsλ será espalhada em direções diferentes da direção original do fluxo incidente o índice s está sendo usado para manter a nomenclatura original em inglês para espalhamentoscattering O fluxo restante Φtλ formado pelos fótons que não foram absorvidos e nem tiveram sua direção original de propagação alterada é transmitido para a próxima camada de água Conforme as condições de contorno definidas na Fig 315 o coeficiente de absorção aλ unid 1m é definido como a fração do fluxo incidente que foi absorvido ΦaλΦiλ dividido pela espessura ΔX da camada imaginária Ou seja aλ é a fração absorvida por unidade de distância na coluna de água Equação 37 Na formalização matemática de aλ considerase que ΔX 0 e que aλ é a taxa de variação do Φa λ em relação à espessura da camada ou seja a derivada Φa λ em relação à ΔX aλ lim ΔX0 Φaλ Φiλ ΔX 1 Φiλ dΦaλ dX 37 Similar ao coeficiente de absorção o coeficiente de espalhamento bλ unid 1m é definido como a fração do fluxo incidente que é espalhada Φs λΦiλ em todas as direções dividido pela espessura ΔX da camada imaginária O espalhamento de um feixe colimado de luz passando por uma fina camada do meio é radialmente simétrica em torno da direção original do feixe Então a luz espalha no formato de um cone como ilustrado na Figura 316b 16 Figura 316 Geometria usada na definição das propriedades ópticas inerentes a frações resultantes do fluxo incidente ao interagir com a água e intervalo do ângulo ψ de espalhamento 0 ψ 180⁰ Adaptado de Mobley 1994 b ilustração da distribuição angular do espalhamento por partículas Adaptado de Roesler 2015 bλ lim ΔX0 Φsλ Φiλ ΔX 1 Φiλ dΦsλ dX 38 A soma de aλ e bλ é definida como o coeficiente de atenuação cλ unid 1m ou seja cλ aλ bλ 39 É importante ressaltar que no processo de espalhamento os fótons podem ser espalhados em qualquer direção Cada corpo dágua tem a sua forma angular característica do espalhamento em função dos tipos e das concentrações dos constituintes A informação da distribuição do espalhamento de um certo corpo dágua que também afeta a penetração da luz não está contida no coeficiente de espalhamento bλ O atributo que descreve essa propriedade óptica inerente ao meio é a função de espalhamento de volume VSF volume scattering function A VSF βψλ unid m¹sr¹ determina a fração do fluxo incidente que é espalhado dentro de um determinado ângulo sólido ΔΩ centrado na direção do ângulo ψ Equação 310 Figura 316a O ângulo ψ tomado em relação a direção original de propagação do fluxo Φi λ é denominado ângulo de espalhamento βψλ lim ΔX0 lim ΔΩ0 Φsψλ Φiλ ΔXΔΩ 1 Φiλ dΦsψλ dX dΩ 310 Os valores de ψ estão no intervalo 0 ψ 180⁰ Figura 316a Quando o espalhamento está no mesmo sentido da propagação do Φiλ 0 ψ 90⁰ o espalhamento é denominado para frente 20 coeficiente de atenuação vertical espectral difuso para a irradiância plana descendente De forma similar podese determinar os coeficientes de atenuação difuso para a radiança descendente e para as irradiância e radiança ascendente É importante a distinção entre os coeficientes de atenuação difuso kdzλ e o coeficiente de atenuação de feixe cλ O cλ é definido em termos da radiação oriunda de um feixe estreito e colimado de fótons O kdzλ é definido em termos do decaimento com a profundidade de uma irradiância descendente Edzλ a qual compreende fótons deslocandose em todas as direções descendentes ou seja um campo de luz não colimado O kdzλ depende da estrutura direcional do campo de luz ambiente sendo assim uma propriedade óptica aparente Os coeficientes de atenuação vertical difusos estritamente falando são propriedades do campo de luz dado que são taxas de decaimento das grandezas radiométricas com a profundidade Entretanto a experiência tem mostrado que seus valores são amplamente determinados pelas propriedades ópticas inerentes do meio aquático e não são muito alterados por mudanças no campo de radiação incidente como por exemplo uma mudança na elevação solar Preisendorfer 1976 363 Cossenos médios Uma descrição espacial completa do campo de luz cobrindo todos os ângulos zenitais e azimutais pode ser feita por meio de medidas da radiância pois como visto anteriormente a radiância quando medida em diferentes direções contém as informações desses ângulos Entretanto isso demanda uma grande quantidade de medidas Por exemplo para se ter uma distribuição com intervalos angulares de 5 graus são necessários 1369 valores de radiância Kirk 2011 Uma maneira aproximada e simples entretanto útil de se especificar a estrutura angular do campo de luz é por meio três cossenos médios cosseno médio da luz descendente μd cosseno médio da luz ascendente μu e cosseno médio do campo de luz inteiro μ O μ em um certo ponto da coluna dágua é a média dos cossenos dos ângulos zenitais de todos os fótons descendente passando por aquele ponto A partir de dedução analítica Mobley 1994 chegase μdzλdef Edzλ E0dzλ 316 Em que Edzλ é a irradiância planar descendente medida na profundidade z e E0d zλ é a irradiância escalar descendente também medida na profundidade z Da mesma forma o μu em um certo ponto da coluna dágua é a média dos cossenos dos ângulos zenitais de todos os fótons ascendente passando por aquele ponto Mobley 1994 μuzλdef Euzλ E0uzλ 317 Em que E0u zλ é a irradiância escalar ascendente medida na profundidade z Já o cosseno médio geralresultante para o campo de luz inteiro μ em um certo ponto da coluna dágua é determinado pela equação 318 μzλdef Ed zλ Eu zλ E0zλ 318 Em que E0 zλ é a irradiância escalar total também medida na profundidade z 40 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos bf Quando o espalhamento está no sentido contrário ao da propagação de Φiλ 900 ψ 1800 o espalhamento é denominado de retroespalhamento bb A função de espalhamento de volume βψλ aplica o princípio de que as direções de espalha mento dentro do meio aquático podem ser descritas por uma função de distribuição angular A forma da βψλ das águas naturais difere de maneira acentuada da forma da βψλ água pura Figura 317 O espalhamento por água pura Figura 317a é do tipo por flutuação de densidade e varia acentua damente com o comprimento de onda 1λ432 tendo um valor mínimo em 90 graus e aumenta siste maticamente em direção aos maiores e menores ângulos espalhamento quase isotrópico O espalha mento por águas naturais Figura 317b mesmo aquelas mais limpas é caracterizado invariavelmente por espalhamento fortemente concentrado em pequenos ângulos para a frente Conforme mencionado anteriormente é um espalhamento típico por partícula de tamanho maior do que o comprimento de onda da luz Essa característica mostra que o espalhamento por águas naturais é primariamente devido às partículas na água Assumindo que não ocorra uma grande variação na composição das massas dágua as pro priedades ópticas inerentes não mudam com o tempo sendo portanto parâmetros adequados para caracterizar o meio aquático e descrever as mudanças que o meio causa no campo de luz incidente Entretanto o sensoriamento remoto orbital não permite a estimativa das IOPs diretamente pois os sensores dependem de uma fonte natural Sol em que as condições de iluminação geometria e intensidade não podem ser controladas Em função disso um segundo conjunto de propriedades ópticas é definido que depende tanto do meio aquático quanto da estrutura direcional do campo de luz ambiente Estas são denominadas de propriedades ópticas aparentes AOPs Apparent optical proper ties Então a interpretação de dados de sensoriamento remoto de corpos dágua depende fortemente das relações que ligam as propriedades ópticas aparentes desse corpo aquático às suas propriedades ópticas inerentes As AOPs registram as mudanças no campo de luz devido à sua interação com o meio aquático e com isso fazem a conexão entre essas mudanças e os constituintes biológicos químicos e geológicos das águas naturais Espalhamento para frente Espalhamento para frente Retro Espalhamento Retro Espalhamento a b 𝛽 𝜓 550 𝑚1𝑠𝑟1 𝛽 𝜓 550 𝑚1𝑠𝑟1 x 104 Figura 317 Funções de espalhamento de volume FEV em corpos dágua a FEV da água pura no compri mento de onda de 550 nm b FEV de dois tipos de águas naturais uma água oceânica limpa espalhamento total de 0037 m1 e uma água moderadamente túrbida espalhamento total de 0037 m1 Fonte adaptado de Kirk 2011 41 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático 36 PROPRIEDADES ÓPTICAS APARENTES A s propriedades ópticas aparentes são combinações de grandezas radiométricas utilizadas como indicadores da cor e da transparência da água Conceitualmente podese dizer que as AOPs quantificam e descrevem as mudanças as quais um corpo dágua submete o campo de luz incidente Diferentemente das IOPs que são definidas a partir de um feixe de luz colimado as AOPs são definidas sob condições de iluminação natural em campo onde o fluxo de luz solar incide segundo uma estrutura geométrica direcional e espectral instantânea qualquer Em função dessas condições as AOPs dependem tanto da composição do corpo dágua das IOPs quanto das condições ambientais forma da superfície da água vento mudança na intensidade luminosa devido à mudança de elevação solar e à passagem de nuvens estação do ano etc Além disso para que possam ser usadas como descritoras de um corpo dágua e das mudanças que as massas dágua submetem um campo de luz natural as AOPs precisam ter estabilidade e características suficientemente regulares As grandezas radiométrias descritas anteriormente apesar de dependerem da composição do corpo dágua não são suficientemente estáveis e regulares para descreverem e caracterizarem um corpo dágua As irradiân cias e radiâncias podem sofrer grandes variações de magnitudes em questões de segundos devido à passagem de uma nuvem em frente do sol ou devido a fortes ventos que alteram a superfície da água Contudo as observações mostraram que certas razões entre grandezas radiométricas denominadas de reflectâncias e taxas de mudança dessas grandezas com a profundidade são suficientemente es táveis para caracterizarem um corpo dágua Uma AOP ideal deve ter pequena influência dos fatores externos para que as diferenças ópticas entre os dois corpos dágua sejam bem representadas As prin cipais AOPs são razões de irradiâncias e razões de radiâncias por irradiâncias ambas denominadas de reflectâncias e as taxas de extinção de radiância e irradiância com a profundidade denominadas de coeficientes de atenuação difusos 361 Reflectâncias A reflectância de irradiância espectral Rzλ ou razão de irradiâncias unid adimensional é definida como a razão da irradiância espectral ascendente Euzλ pela irradiância espectral descendente Edzλ Equação 311 O índice z representa a profundidades em qualquer posição na coluna dágua em que as medidas de Euzλ e Edzλ foram feitas Normalmente usase z 0 para in formar que a medida é feita logo abaixo da superfície da água ou z 0 para o caso da medida ser feita logo acima da superfície Rzλ Euzλ Edzλ adimencion 311 Em que Rzλ é uma medida de quanto da irradiância descendente é refletida na direção ascendente quando medida por um coletor cosseno Figura 318a A reflectância de radiância ou simplesmente reflectância de sensoriamento remoto Rrsθϕλ unid sr1 é definida como razão da radiância emergente da coluna dágua Lw θϕλ na direção θϕ pela irradiância incidente Esλ Equação 312 ambas medidas acima da superfície da água Figura 318b Alguns autores usam Edz0λ para designar a irradiância incidente Esλ Rrsθϕλ Lwθϕλ Esλ sr1 312 42 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos A reflectância de sensoriamento remoto é uma medida de quanto da radiação incidente na superfície da água retorna da coluna dágua na direção θϕ onde está posicionado um radiômetro apontando para a superfície da água Vale ressaltar que o radiômetro mede toda a radiância ascendente da superfície da água Lt θϕλ e não só a emergente da coluna dágua Figura 318c Dessa forma Lt θϕλ contém Lw θϕλ mais a radiância espectral que é refletida pela superfície Lr θϕλ ou seja Lt θϕλ Lw θϕλ Lr θϕλ sendo que Lr θϕλ não carrega informação sobre a coluna da água podendo ser considerada um ruído que precisa ser removido A reflectância de sensoriamento remoto de subsuperfície rrszλ unid sr1 é definida como razão da radiância ascendente Luzλ pela irradiância descendente Edzλ Equação 313 ambas me didas logo abaixo da superfície da água z0 Os radiômetros para as medidas de Euzλ e Luzλ devem ser posicionados perpendicularmente à superfície da água e direcionados para o fundo Já o radiômetro para a medidas de Edzλ deve ser posicionado também perpendicularmente à superfície mas direcionado para o céu Figura 312 rrszλ Luzλ Edzλ sr1 313 362 Coeficientes de atenuação difuso E studos realizados a partir de medidas de radiância e irradiância na coluna dágua mostraram que a luz solar decresce de forma aproximadamente exponencial com a profundidade Em função disso podese determinar a magnitude da irradiância descendente Edzλ em uma dada pro fundidade z e num certo comprimento de onda λ a partir da sua taxa de decaimento kd com a pro fundidade na coluna dágua A equação 314 descreve a dependência de Edzλ com a profundidade z EdzλEd0λekdzλ m1 314 Resolvendo a equação 314 para se determinar kd temse unid m1 Kdzλ 1 Edzλ d Edzλ dz 315 Em que kdzλ é a taxa de decaimento da irradiância com a profundidade a qual é denominada de Eu zλ Ed zλ Z a Edλ Lwθφλ θ Ω b Luzθφλ Lwθφλ Lrθφλ Ld zθφλ Edλ LT θφλ Lwθφλ Lrθφλ c Figura 318 Ilustrações das grandezas radiométricas utilizadas nas refletâncias a reflectância de irradi ância espectral Rzλ b reflectância de sensoriamento remoto Rrsθϕλ c radiância total ascendente da superfície da água Lt θϕλ Fonte Adaptado de Ocean Optics webbook 44 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos 37 COMPONENTES OPTICAMENTE ATIVOS NOS SISTEMAS AQUÁTICOS O s sistemas aquáticos contêm um grande número de substâncias dissolvidas e particuladas orgânicas e inorgânicas que diferem em tamanho forma e composição química Ao filtrar amostras de água natural as substâncias que ficam retidas num filtro de poro 04 µm são denomina das de particulado total e a fração que passa pelo filtro e permanece diluída na água é denominada de substâncias dissolvidas A distinção pela dimensão de 04 µm 400 nm está relacionada com o limite mínimo da visão humana que é o menor comprimento de onda na região do visível Mobley 1994 Apesar dessa definição usualmente filtros de poros 07 µm são utilizados para a determinação da con centração de particulados e de 02 µm para determinação de material dissolvido As substâncias presentes nas águas naturais que interagem com radiação solar e portanto são responsáveis pelos processos de absorção e de espalhamento da luz são denominadas de componentes ou constituintes opticamente ativos COAs Os COAs são a água pura a matéria orgânica dissolvida colorida CDOM e o particulado total fitoplâncton e sedimentos minerais e orgânicos Cada um desses componentes têm propriedades ópticas específicas de absorção e de espalhamento da radiação solar ou seja têm propriedades ópticas que lhes são inerentes Como os COAs podem coexistir em diferentes proporções e interagir simultaneamente com a radiação solar os efeitos dos processos de absorçãoespalhamento de um COA interferem nos efeitos dos processos de outro COA Dessa forma os resultados das interações simultâneas dos COAs com a luz num corpo dágua determinam o com portamento espectral das massas de água e suas variações de concentrações regulam a intensidade da radiação retro espalhada pela coluna dágua Se as propriedades ópticas inerentes dos COAs forem suficientemente conhecidas é possível determinar suas contribuições na radiância ascendente da coluna dágua e com isso estimar suas con centrações Entretanto é importante ressaltar que nem todas as substâncias presentes nas águas na turais são oticamente ativas ou seja provocam alterações no campo de luz ex oxigênio dissolvido Portanto essas substâncias não contribuem para definir o comportamento espectral do corpo dágua No atual nível da tecnologia de sensoriamento remoto por exemplo não é possível detectar a presença de diferentes níveis de concentração de fósforo na água assim sendo podese afirmar que o fósforo não é uma substância opticamente ativa 371 Água pura e suas propriedades ópticas inerentes O termo água pura referese à água sem qualquer constituinte ou seja uma substância com posta apenas por moléculas de água Devido às propriedades da água como solvente a sua obtenção com alto grau de pureza é extremamente difícil Estudos mostraram que as propriedades de absorção da água pura podem com alto grau de confiança ser consideradas invariantes A absorção da luz pelas moléculas de água ocorre de forma seletiva em relação ao comprimento de onda Figura 319 sendo muito baixa nas regiões do azul e do verde passando a ser significativa apenas a partir de 550 nm com altos valores de absorção no fim do vermelho e infravermelhopróximo onde estão as bandas de absorção devido ao estado de vibração fundamental das moléculas de água Uma coluna de água pura de um metro de espessura absorve 35 da luz incidente no comprimento de onda de 680 nm Acima de 750 nm grande parte da radiação incidente é absorvida no primeiro centímetro da co luna de água e convertida em calor Dois pontos de inflexão ombros podem ser notados na curva um bem definido próximo de 604 nm e outro mais fraco próximo de 514 nm Esses dois pontos têm sido atribuídos aos processos vibracionais das ligações OH da molécula de água no estado líquido 45 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático O espalhamento pela água pura não ocorre individualmente em cada molécula de água mas em regiões não homogêneas causadas por flutuações microscópicas na densidade da água conforme descrito na seção 5 desse capítulo Ao contrário da absorção o espalhamento da água pura é alto na região do azul e decresce fortemente em direção ao infravermelho Figura 319 Isso explica porque águas limpas com baixa concentração de substâncias particuladas e dissolvidas apresentam uma cor azulada por refletir mais energia na região do azul Esse comportamento devese à forte dependência do comprimento de onda λ atribuída ao espalhamento por flutuação de densidade sendo este propor cional à 1λn com n variando entre 405 e 435 372 Matéria orgânica dissolvida e suas propriedades ópticas inerentes A matéria orgânica dissolvida MOD presente nos ecossistemas aquáticos é proveniente tanto da decomposição da fauna e flora terrestres carreada para os corpos dágua origem alócto ne quanto da atividade biológica existente na coluna dágua degradação do fitoplâncton zooplâncton e da excreção da biota aquática origem autóctone Durante o processo de decomposição de matéria orgânica por ação microbial antes de se chegar ao dióxido de carbono e formas inorgânicas de ni trogênio enxofre e fósforo um grupo de compostos complexos denominados substâncias húmicas é formado Do ponto de vista da ecologia aquática a significância dessas substâncias está relacionada ao seu impacto considerável no processo de absorção da luz na coluna dágua Kirk 2011 Por remover de forma eficiente já nos primeiros centímetros da coluna dágua o componente azul da radiação in cidente faz com que o corpo dágua tenha uma cor amarelada as substâncias húmicas são usualmente denominadas de substâncias amarelas Enquanto em águas oceânicas o fitoplâncton é o principal ab sorsor em muitas águas interiores a absorção é frequentemente dominada por CDOM Gege 2017 Os compostos que formam as substâncias húmicas variam em tamanho sendo considerados desde livres solúveis até agregados macromoleculares insolúveis Esses compostos têm como caracte rística um formato polimérico formando longas cadeias de anéis aromáticos e variam entre moléculas solúveis de baixo peso molecular a macromoléculas insolúveis com alto peso molecular Em função dessa característica as substâncias húmicas são classificadas por fracionamento em húmus ácidos 200 300 400 500 600 700 800 015 010 005 000 3 2 1 0 10xa Comprimento de onda λ nm Coeficiente de absorção a m1 Coef de espalhamento b m1 Figura 319 Curvas de absorção linha sólida e espalhamento linha pontilhada da água pura determina das em laboratório por Smith e Baker 1981 46 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos húmicos e ácidos fúlvicos Kirk 2011 O húmus é a fração da substância húmica que não se dissolve em uma solução alcalina O ácido húmico é a fração da parte solúvel que se precipita por acidificação e o ácido fúlvico é a fração que permanece solúvel A fração da MOD que absorve a radiação na região do ultravioleta UV e do visível é denominada de matéria orgânica colorida dissolvida sendo o termo CDOM derivado do inglês Colored Dissolved Organic Matter o mais utilizado para referirse a estas substâncias dissolvidas O coeficiente de absorção em 440 nm aCDOM440 é utilizado como indicador da concentração da CDOM em águas naturais O comprimento de onda 440 nm é utilizado como referência por repre sentar o ponto médio do pico de absorção que a maioria das algas tem na região do azul Kirk 2011 apresenta uma síntese da faixa de absorção pela CDOM em 440 nm Para águas interiores segundo levantamento feito por ele a faixa vai de 006 a 19 m1 Para águas costeiras vai de 0004 a 382 m1 e para oceano aberto vai de 0 a 016 m1 Entretanto por falta de dados esse levantamento não contempla valores da América do Sul As medidas realizadas pela equipe do LabISA em lagos amazônicos e reser vatórios brasileiros ao longo de 5 anos mostraram uma faixa de absorção pela CDOM entre 029 m1 e 3 m1 Ferreira 2014 Barbosa et al 2015 Silva 2018 Watanabe 2016 determinou o aCDOM440 do reservatório de Barra Bonita em duas datas Para o mês de maio de 2014 o valor médio foi de 079 m1 e para outubro do mesmo ano foi de 111 m1 A absorção pela CDOM similar à água pura também ocorre de forma seletiva em relação ao comprimento de onda possuindo altos valores na região do UV decrescendo exponencialmente em direção aos maiores comprimentos de onda e atingindo valores muito baixos ao fim do vermelho e início do infravermelho próximo A concentração da CDOM varia acentuadamente não só entre águas interiores e oceânicas mas também entre diferentes sistemas aquáticos interiores A Figura 320 ilustra essa variabilidade por meio do espectro do coeficiente de absorção pela CDOM aCDOMλ de dife rentes sistemas aquáticos australianos e brasileiros Como se pode observar em geral lagos naturais e barragem australianas apresentam maiores concentrações do que rios e águas costeiras Figura 320a Para águas interiores brasileiras os resultados obtidos pela equipe do LabISA mostram que lagos da planície de inundação amazônica apresentam maior concentração de CDOM do que em reservatórios amostrados pele equipe Figura 320b c Notase também que similar às águas australianas a con Figura 320 Espectros de absorção pela CDOM a absorção da CDOM em vários ambientes aquáticos aus tralianos Fonte adaptado de Kirk 1976 b absorção da CDOM no rio amazonas e lagos da planície de inundação Amazônica c absorção da CDOM em reservatórios hidroelétricos brasileiros c b a 47 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático centração de CDOM no rio Amazonas é menor que nos lago da planície Uma possível explicação para isto seria o aumento do CDOM nos lagos devido aos processos autóctones degradação do fitoplânc ton zooplâncton etc O espectro de absorção pela CDOM unid m1 pode ser descrito por uma função exponencial da forma aCDOMλ aCDOMλ0eSλ0λ m1 319 Em que λ0 é um comprimento de onda de referência e S a declividade da curva exponencial determi nada empiricamente a partir de medidas em laboratório A variabilidade na declividade da curva de absorção está associada à composição da CDOM Ácidos fúlvicos têm maior declividade e menor ab sorção do que os ácidos húmicos com o aumento do comprimento de onda O valor do pH dos ácidos húmicos e fúlvicos também influencia essa declividade A CDOM é de extrema importância para a estrutura e funcionamento dos ecossistemas aquá ticos uma vez que absorve de maneira eficiente nos comprimentos de onda mais curtos da radiação solar gerando tanto reações fotoquímicas quanto protegendo a biota aquática de danos induzidos por radiação UVB Em contrapartida essa absorção eficiente principalmente na região do azul pode di minuir consideravelmente a quantidade de radiação fotossinteticamente ativa PAR disponível para o fitoplâncton o que pode ocasionar a redução da produção primária além de introduzir a erros no estudo de águas naturais por sensoriamento remoto por modificar a cor da água Xie et al 2012 O efeito do espalhamento pela CDOM ainda não é claramente compreendido A literatura de proprieda des ópticas da água principalmente as oceânicas tem como pressuposto de que o espalhamento pela CDOM é insignificante podendo ser negligenciado DallOlmo et al 2009 Entretanto alguns autores sugerem a existência de espalhamento na região do visível para diferentes concentrações de CDOM Stramski e Wozniak 2005 tanto que quantificações da CDOM vêm sendo feitas via medidas de flu orescência que é um tipo de espalhamento Ocean Optics Web Book Dado a variação dos valores da CDOM encontrados em alguns sistemas aquáticos interiores o efeito do espalhamento pela CDOM poderia ser mais facilmente observado nessas águas mas ainda não existem estudos comprovando tal fato 373 Particulado total e suas propriedades ópticas inerentes E ntre os constituintes da água natural o particulado total é o que tem de maior peso no com portamento óptico da água Mobley 1994 Ele é composto de microalgas fitoplâncton e de partículas inorgânicas e orgânicas não algais em suspensão Na literatura limnológica o particulado to tal é denominado de seston e a fração sem o fitoplâncton de tripton Já no jargão da óptica hidrológica ele é denominado de total de sólidos suspensos TSS Para propósitos de caracterização óptica o TSS é fracionado em organismos clorofilados microscópicos Fitoplâncton e partículas não algais NAP NonAlgal Particles A NAP é composta por partículas inorgânicas e orgânicas não algais em suspen são A fração orgânica da NAP produtos de degradação do fitoplâncton é denominada de detrito Essa separação é feita devido à grande diferença em termos de interação que cada fração tem com a REM A distribuição de tamanho das partículas em águas naturais ocorre de forma continua e aproximadamen te hiperbólica Bader 1970 com o número de partículas de diâmetros maior do que D proporcional a Dγ em que γ é constante para um certo corpo dágua mas pode variar de 07 e 6 para diferentes ambientes aquáticos Jerlov 1976 48 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos 3731 Partículas não algais NAP A fração inorgânica das NAPs é derivada do intemperismo de rochas na bacia de captação ou de ressuspensão pelo vento em águas rasas Já a fração orgânica deriva de células fitoplânc tônicas mortas e de subprodutos de vegetação As atividades humanas que incluem práticas agrícolas e industriais também contribuem para a NAP As propriedades de absorção e espalhamento das NAPs dependem principalmente da composição do tamanho e da forma das partículas A razão orgânico inorgânico e o conteúdo de ferro controlam o índice de refração das NAPs afetando suas propriedades ópticas Em concentrações típicas as NAPs não absorvem muito a luz mas espalham intensamente Essa característica dificulta a medida de absorção e consequentemente a caracterização das NAPs em termos de absorção Em função dessa dificuldade as propriedades de absorção das NAPs têm recebido pouca atenção Em concentrações típicas não é possível medir sua absorção em espectrofotometria normal Uma abordagem para superar essa dificuldade é filtrar um volume maior e depois ressuspen dêla em um volume menor de água A maioria dos espectros de absorção por NAP tem formas muito similares tendo maiores valo res na região espectral do ultravioleta e do azul decrescendo exponencialmente em direção aos maio res comprimentos de onda e atingindo valores muito baixos ou ausente no fim do vermelho e início do infravermelho próximo São espectros similares em forma aos de absorção por CDOM mas com menor magnitude e taxa de decaimento Estudos consideram que esta característica se deve ao fato das substâncias dissolvidas estarem adsorvidas nas partículas da NAP ou partículas maiores de húmus que fazem parte da NAP A Figura 321 mostra espectros de absorção de águas interiores australianas com diferentes concentrações de NAP e substâncias dissolvidas Os espectros de absorção por NAP similares ao CDOM são também descritos por uma função exponencial aNAPλ aNAPλref eSNAPλλref 320 Em que aNAPλref é a absorção por NAP no comprimento de onda de referência no azul é o fator de forma da curva exponencial também denominado de declividade exponencial que depende da com posição orgânica e inorgânica da NAP A declividade espectral das NAP é tipicamente menor que a observada para CDOM Para águas costeiras na Europa Babin et al 2003 descreveu valores médios entre 00123 e 00013 nm1 Embora a distribuição hiperbólica de tamanho de partículas em águas naturais implique em que as partículas menores sejam mais numerosas a menor eficiência de espalhamento das partículas menores faz com que o espalhamento em águas naturais seja dominado por partículas de seção trans versal maior do que 2 µm D2 Jerlov 1976 Como este tamanho é aproximadamente três vezes maior do que o maior comprimento de onda da luz visível que é de 07 µm no vermelho o espalha mento por NAP bNAP é preferencialmente para a frente e em pequenos ângulos como mostrado na Figura 315c O espectro de bNAPλ decresce de maneira aproximadamente linear com o comprimento de onda Figura 322 e é muito similar ao espectro do espalhamento do particulado total bpλ tanto em magnitude quanto em forma Sun et al 2010 A declividade do espectro reduz progressivamente a medida em que a concentração total de partículas reduz e a fração orgânica do NAP eventualmente fica mais significativa Kirk 2011 A dependência do comprimento de onda do espalhamento por NAP para uma certa distribuição de partículas segue aproximadamente a lei de Angstrom bNAPλ bNAP λ λrefn 321 Em que o valor do expoente n para águas oceânicas fica tipicamente entre 0 e 1 BlondeauPatissier et al 2009 e em torno de 0 para águas interiores Babin et al 2003a Chami et al 2005 λref é o comprimento de onda de referência em 555 nm e bNAP é o coeficiente de espalhamento específico do NAP em análise Figura 321 Comparação das propriedades de absorção espectral das frações particuladas e dissolvidas de águas interiores australianas Fonte adaptado de Kirk 2011 Figura 322 Espectros do coeficiente de espalhamento por NAP Fonte Adaptado de Sun et al 2010 3732 Organismos clorofilados microscópicos e suas propriedades ópticas O fitoplâncton é um grupo que inclui centenas de espécies de microalgas da biota aquática com tamanho variando de 02 a 1000 μm com grande diversidade de formas esféricas cilíndricas meia lua etc e contendo pigmentos fotossintéticos sendo a clorofila o pigmento mais importante Dependendo da composição das microalgas outros pigmentos como carotenoides e biliproteinas podem estar presentes A composição de espécies e abundância é influenciada pela qualidade da água mas principalmente pelo campo de luz subaquático e carga de nutrientes nitrogênio e fósforo 50 Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos As células do fitoplâncton por serem fortes absorvedoras da luz visível desempenham um papel importante nas propriedades de absorção das águas naturais A quantidade de luz absorvida depende não só da concentração total dos pigmentos presentes mas também do tamanho número e forma das células e colônias algais A clorofilaa com fortes bandas de absorção no azul 430nm e no vermelho 665nm Figura 323a está presente em todas as espécies de fitoplâncton e é o principal pigmento modelador da forma do espectro de absorção pelo fitoplâncton Em função dessas características me didas da concentração de clorofilaa em corpos dágua são usadas como indicativo da abundância de fitoplâncton Assim como a clorofilaa os demais pigmentos também absorvem a luz de forma seletiva Figura 323a fazendo com que o espectro de absorção pelo fitoplâncton seja caracterizado por um certo número de picos Um parâmetro adequado para comparar ambientes aquáticos distintos em termos de absor ção é o coeficiente de absorção específico pelo fitoplâncton a phy que representa o coeficiente de absorção exibido por células fitoplanctônicas correspondente a uma concentração de 1 miligrama de clorofilaa por metro cúbico O a phy é determinado dividindo o coeficiente de absorção do fitoplâncton aphy pela concentração de clorofilaa da amostra analisada A Figura 323b c mostra espectros do coeficiente de absorção específico espectral do fitoplâncton em dois ambientes aquáticos brasileiros no reservatório hidroelétrico de Funil no estado do Rio de Janeiro Figura 323b e em lagos da planície de inundação amazônica Figura 323c Como se pode observar a intensidade e forma espectral são distintas para cada ambiente refletindo a composição e concentração de espécies no ambiente Figura 323 Espectro de coeficiente de absorção específica a alguns dos principais tipos de pigmentos en contrados em fitoplânctons Bidigare et al 1990 b Reservatório de Funil RJ c lagos amazônicos a b c As propriedades de espalhamento do fitoplâncton impactam diretamente a refletância do sensoriamento remoto Em geral o fitoplâncton espalha mais fortemente do que absorve a luz Bricaud et al 1983 Estudos de Morel Bricaud 1986 mostraram que para 22 tipos de águas oceânicas a razões do coeficiente específico de espalhamento pelo de absorção variaram de 4 a 22 Estudos também mostraram que os valores dos coeficientes de espalhamento e retroespalhamento do fitoplâncton quando comparados com os dos NAPs são relativamente baixos devido ao alto teor de água e fortes propriedades de absorção Aas 1996 Exceção à regra são os coccolitóforos fitoplânctons que produzem pequenas escamas de carbonato de cálcio o que os torna eficientes espalhadores que permite ver seu florescimento do espaço Balch et al 1996 A forma e magnitude do espalhamento são altamente dependes do tamanho da forma e do índice de refração das células fitoplânctônicas Em geral o espalhamento para frente é muito maior do que o retroespalhamento consistente com o seu grande tamanho de células em relação ao comprimento de onda no visível 38 A EQUAÇÃO DE TRANSFERÊNCIA RADIATIVA Os algoritmos bioópticos analíticos partem da hipótese de que se as características de um campo de luz subaquático são determinadas unicamente pelas IOPs do corpo dágua então é possível derivar relações analíticas entre as IOPs e o campo de luz O arcabouço teórico utilizado para derivar essas relações é a ETR Na sua forma padrão a ETR descreve como a radiância L varia em direção e magnitude com a distância dentro de um corpo dágua Os processos considerados na formulação ETR baseados no balanço de energia para um feixe de fótons deslocando em certa direção conforme ilustrados pela Figura 24a são I Perda de fótons por absorção II Perda de fótons por espalhamento em outras direções sem mudança no comprimento de onda III Perda de fótons por espalhamento com a mudança no comprimento de onda IV Ganho de fótons pelo feixe por espalhamento advindo de outras direções sem mudança no comprimento de onda espalhamento elástico V Ganho de fótons por espalhamento advindo de outras direções com mudança no comprimento de onda VI Ganho de fótons por meio da criação de fótons pela conversão de energia não radiante em energia radiante emissão Como base nestes sete processos a forma geral da ETR é μ dLx ξ λdz cz λLx ξ λ Lkx θ λ Llx ξ λ Lsx ξ λ 322 Em que ξ é a direção de propagação μ cosθ z é a profundidade x é o vetor posição no espaço cab é a atenuação O primeiro termo do lado direito cz λLx ξ λ representa a redução da radiância pelos processos I II e III listados acima O segundo termo Lkx ξ λ representa o acréscimo na radiância resultante do processo IV O terceiro termo Llx ξ λ representa o acréscimo na radiância resultante do processo V O quarto termo Lsx ξ λ representa o acréscimo na radiância resultante do processo VI Segundo Mobley 1994 a radiância Lx ξ λ é a grandeza radiométrica fundamental da ótica hidrológica pois ela especifica a estrutura espacial x direcional ξ e espectral λ de campo de luz conforme mostrado na equação 322 Todas as demais grandezas radiométricas podem ser derivadas a partir da radiância Por exemplo as irradianças descendente e ascendente relacionamse com a radiância da seguinte forma Edxt λ def φ θ02π 2π Lxtθφ λcosθsenθ dθ dφ 323 Euxt λ def φ θπ22π Lxtθφ λcosθsenθ dθ dφ 324 Em que Lx t θ φ λ é a radiância espectral numa certa posição x As duas principais ferramentas disponíveis para o desenvolvimento e a parametrização de algoritmos analíticos são o Hydrolight 5 Mobley e Sundman 2008 e o WASI Gege 2012 Essas ferramentas permitem derivar as AOPs a partir das IOPs e das condições de contorno abordagem direta conforme ilustrado na Figura 33 Figura 324 a Processos considerados no desenvolvimento da Equação de Transferência Radiativa em um corpo de água b convenção de ângulos e direções para a descrição formal do campo de radiação no espaço euclidiano tridimensional θ e φ são os ângulos zenital e azimutal ξ é a direção de propagação Ξu hemisfério superior Ξd é hemisfério inferior ΔΩξ é o ângulo sólido na direção ξ i1 i2 i3 são vetores unitários no espaço Fonte Transparência do curso Radiative transfer theory Optical Oceanography and Hidrolight ministrado no INPE pelo Dr Curtis Mobley disponível em httpwwwdpiinpebrlabisa 39 CONCLUSÃO Este capítulo apresentou uma visão geral e conceitual sobre os processos de interação da luz solar com corpos dágua objetivando fornecer ao leitor uma base teórica para interpretação de dados radiométricos e limnológicos para uso nos estudos e no monitoramento de sistemas aquáticos De forma sucinta apresentaramse os principais conceitos da óptica hidrológica com ênfase nas definições e descrições dos processos de absorção e espalhamento das grandezas radiométricas intensidade radiante radiância irradiância etc das propriedades ópticas inerentes de corpos dágua 53 Capítulo 3 Princípios físicos do sensoriamento remoto aquático e dos constituintes opticamente ativos coeficientes de absorção de espalhamento e de atenção e das propriedades ópticas aparentes de corpos dágua razão de irradiância reflectância de sensoriamento remoto coeficiente de atenuação difuso e cosseno médio O relacionamento entre essas grandezas e propriedades fundamentais para o estudo quantitativo das interações da luz com corpos dágua está sintetizado no fluxograma da Figura 33 As informações derivadas dessas grandezas radiométricas quantificadas associadas a técnicas de sensoriamento remoto é que possibilita a estimativa de parâ metros de qualidade de água Finalizase este capítulo com uma descrição da equação de transferência radiativa a estrutura matemática que faz a conexão entre as propriedades ópticas inerentes dos corpos dágua e as grandezas radiométricas registradas pelos sensores remotos REFERÊNCIAS Aas E 1996 Refractive index of phytoplankton derived from its metabolite composition Journal of Plankton Research 1812 22232249 Babin M Stramski D Ferrari G M Claustre H Bricaud A Obolensky G Hoepffner N 2003 Variations in the light absorption coefficients of phytoplankton nonalgal particles and dissolved organic matter in coastal waters around Europe Journal of Geophysical Research Oceans 108C7 Bader H 1970 The hyperbolic distribution of particle sizes Journal of Geophysical Research 7515 28222830 Balch W M Kilpatrick K A Holligan P Harbour D Fernandez E 1996 The 1991 coccolithophore bloom in the central North Atlantic 2 Relating optics to coccolith concentration Limnology and 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