Resumen de Study of the anisotropy of thermal infrared emissivity of inorganic bare soils at different moisture levels
I. Introducción La técnica responsable de obtener información de un objeto lejano si contacto físico con éste, se llama Teledetección. Esta técnica ha demostrado ser una alternativa muy ventajosa frente a otros métodos cuya adquisición de datos es más lenta y costosa. La Teledetección usa sensores a bordo de satélites, para medir la radiación emitida por las superficies terrestres en diferentes partes del espectro electromagnético, con la intención de entender mejor los procesos físicos ocurridos en tierra, océanos o atmósfera. El intercambio de energía superficie-atmosfera, estimaciones de la evapotranspiración, monitorización del efecto invernadero o estudios de desertificación y degradación del suelo, son algunos de las aplicaciones más importantes en Teledetección y todas ellas tienen un factor común, el conocimiento previo de la temperatura. La medida precisa de la temperatura superficial es uno de los campos de estudio más excitantes en Teledetección. Las superficies terrestres emiten su radiación máxima, siguiendo la Ley de Planck, en el intervalo espectral llamado Infrarrojo Térmico, el cual comprende el rango de longitudes de onda desde 3 hasta 20 ?m. Es por eso que los sensores satelitales encargados de medir la temperatura trabajan en este intervalo espectral. No obstante obtener un valor preciso de la temperatura, requiere un conocimiento previo de la contribución radiativa atmosférica y de la emisividad de la superficie. Un preciso conocimiento de la emisividad es fundamental a la hora de obtener la temperatura de una superficie, especialmente en la llamada ventana atmosférica situada entre los 8-14 ?m. En este intervalo espectral la contribución atmosférica es débil, permitiendo el paso de la radiación superficial de forma casi transparente. Por tanto el efecto de la emisividad es mucho más importante en la medida de la temperatura realizada por aquellos sensores que operen en dicha ventana. El conocimiento preciso de la emisividad superficial no es sencillo, este parámetro varía en su magnitud con la longitud de onda o con el tipo de composición del suelo, pero también han aparecido estudios que demostraron que la emisividad variaba con la humedad del suelo o con la geometría de visión de la superficie. La presente Tesis centra su meta en el estudio de la anisotropía de la emisividad térmica de suelos inorgánicos no vegetados bajo diferentes niveles de humedad. Los objetivos estipulados para llevar a cabo dicho estudio fueron: 1. Coleccionar un conjunto de muestras de suelos inorgánicos desnudos, lo suficientemente representativo del gran numero de texturas presentes en la Tierra, con la finalidad de realizar un estudio de la anisotropía de la emisividad térmica profuso. 2. Dado que dicho estudio está basado en medidas de campo, analizar qué efectos tiene en la precisión de la emisividad obtenida la contribución radiativa de atmósfera y elementos circundantes, evaluando cual es el mejor método de obtención in situ de dicha contribución radiativa envolvente. 3. Una vez estipulada la metodología para llevar a cabo la obtención de la emisividad, analizar como varía, tanto acimutal como cenitalmente, en condiciones de secado complete. Posteriormente estudiar la evolución de dicha anisotropía, a medida que aumenta el nivel de humedad en el suelo. 4. Estudiar la incertidumbre producida al obtener la temperatura de una superficie mediante un algoritmo dependiente de la emisividad, cuando se ignoran efectos angulares y de humedad en la emisividad de los suelos inorgánicos no vegetados. También se estudia lel error obtenido en el flujo de onda larga, parámetro importante en la obtención del intercambio de energía entre superficie y atmósfera. 5. Finalmente se intentará obtener una expresión matemática que ayude a predecir el valor de la emisividad de un suelo desnudo, previo conocimiento de la humedad y la geometría de visión. II. Metodología Un total de 13 muestras componen el conjunto de suelos inorgánicos no vegetados seleccionados para llevar a cabo el estudio de la anisotropía de la emisividad térmica. Estos suelos representan desde un punto de vista textural, al 75% de los suelos minerales del mundo, fueron extraídos de los primeros 15 cm de la superficie (el llamado horizonte A), y en función de su densidad aparente, fueron necesarios obtener hasta 17 kg. La procedencia de cada uno de estos suelos fue muy diversa, cinco de ellos proceden de España, otros cinco de Estados Unidos y los tres restantes de Brasil. Los resultados del análisis edafológico mostraron que las muestras utilizadas en este estudio abarcaban rangos de composición textural arenosa entre el 14% y el 100% y limosa y arcillosa entre el 0%-54%, los 13 suelos se clasifican en 9 de las 12 texturas definidas por el triangulo de textura del United States Department of Agriculture. Desde el punto de vista mineralógico las muestras de suelos desnudos utilizadas abarcan un rango de cuarzo entre el 0% y el 100%. Y son consideradas inorgánicas dado que su materia orgánica nunca supera el 9%. El presente estudio intenta analizar la anisotropía de la emisividad térmica en condiciones de campo, por tanto la medidas sobre las muestra se realizan a una distancia suficientemente pequeña para verse fuertemente afectadas por el tamaño de la partícula del suelo. Así pues nuestros suelos fueron tamizados a un tamaño de partícula no superior a 0.5 cm, puesto que según el estudio Lagouarde et al. (1995), la variación angular de la temperatura de brillo de un suelo cuyo tamaño de la partícula supere 4-5 cm, puede verse afectada por efectos de sombreado del sol. En cambio en el mismo estudio se observó que para un suelo tamizado a tamaños de partícula inferiores a dichos valores, el efecto de la variación angular de la temperatura de brillo solo era posible si se tenían en cuenta anisotropías en la emisividad del suelo. Una vez completamente secas, las muestras fueron puestas en un recipiente circular de 52 cm de diámetro y 10 cm de altura. Aquí fueron saturadas mediante inundación por un periodo de 24 horas, una vez pasado este tiempo el proceso de secado se realizó de forma natural, tomándose medidas de emisividad sobre la muestra (como se verá posteriormente) a diferentes niveles de humedad, desde la saturación hasta el completo secado. Durante el proceso de secado algunas muestras arcillosas y limosas, presentaron grietas, las cuales fueron selladas siempre que las condiciones de humedad del suelo lo permitieron, en caso contrario no se tomaron medidas de emisividad para evitar posibles efectos de cavidad. La medida de la humedad en las muestras se realizó mediante un sensor TDR, modelo Delta-T SM200. Este sensor permite obtener una medida de la humedad del suelo con una precisión de ±0.03 m3•m-3, precisión ratificada mediante una calibración hecha por nosotros en laboratorio. Las medidas de humedad se realizaron pinchando a diferentes puntos de la superficie del suelo antes y después de la medida de la emisividad de la superficie. Además, el proceso de saturación y secado de las muestras se realizó varias veces para obtener una reproducibilidad de los resultados, aparte de obtener nuevos puntos intermedios de humedad. Centrándonos ahora en la obtención de la emisividad, su medida directa es de extrema dificultad puesto que se necesita conocer la temperatura de la superficie en los primeros micrómetros del suelo. Hoy en día es muy difícil medir dicha temperatura con los termómetros de contacto existentes, por tanto se pensó en una medida alternativa de la emisividad basada en la obtención de su valor relativo entre su valor nadir y una configuración angular dada. Es decir el cociente entre ambas emisividades, que desde el punto de vista radiativo se traduce en la medida simultánea de la radiancia emistida por una superficie aun configuración de ángulos cenital y acimutal, la radiancia de la dicha superficie pero a nadir (ángulo cenital y acimutal iguales a cero) y la medida hemisférica de la radiancia envolvente a la muestra de suelo. Una vez obtenido el valor relativo de la emisividad a una configuración dada obtener su valor absoluto es simple, tan solo hay que multiplicar dicho valor relativo por el valor absoluto a nadir. Este valor absoluto a nadir se puede obtener fácilmente con los métodos actuales conocidos, como el de la caja (Rubio et al. 1997; Mira et al. 2007) o el TES (Temperature and Emissivity Separation method, Gillespie et al. 1998). La medida relativa de la emisividad se llevó a cabo con la ayuda de dos radiómetros térmicos multiespectrales modelo CIMEL Electronique CE 312-2B. Dichos radiómetros demostraron ser capaces de medir la temperatura de una superficie con una precisión de ?0.19 °C. Ambos radiómetros se dispusieron en los brazos de un goniómetro, de forma que eran capaces de medir la radiancia procedente de una superficie a dos configuraciones angulares distintas, aunque una de ellas siempre fue la del nadir. La medida de la radiancia hemisférica descendente estuvo subyugada a estas dos medidas de superficie, tomándose cada 18 minutos. Este intervalo de tiempo supuso fluctuaciones en dicha radiancia hemisférica del 4%, lo cual suponía cometer un error bastante insignificante sobre la emisividad relativa (?0.0005). Las medidas de radiancia angulares se realizaron para ángulos cenitales desde 10° hasta 70°, en intervalos de 10°. Y para ángulos acimutales de 0°, 120° y 240°, girando para ello la muestra 120° cada vez. Se giró la muestra, y no el conjunto goniómetro-radiómetros, con la finalidad de medir más rápidamente y a su vez mantener el mismo pasaje envolvente (incidencia solar y elementos circundantes) a distintos ángulos cenitales. De este modo cualquier variación en la emisividad relativa a distintos acimuts, puede ser atribuida exclusivamente a la muestra. Como se comentó anteriormente, la medida de la radiancia envolvente a la muestra, estuvo subyugada, tomándose cada 18 minutos, a las medidas angulares sobre el suelo. También se comentó que dicho retardo en su medida no supuso errores importantes en el valor final de emisividad relativa. No obstante, dado que dicho parámetro aparece tanto en el numerador como en el denominador de la expresión de la emisividad relativa, se consideró oportuno realizar una comparación de los métodos conocidos, para obtener in situ dicha radiancia. Los métodos de medida in situ a comparar fueron cuatro. Dos de ellos se basron en medidas directas a la atmósfera a 53° respecto la vertical (aproximación de Kondratyev; Kondratyev, 1969) y midiendo hacia la vertical, multiplicando posteriormente dicha medida por un factor dependiente tanto del intervalo espectral de medida como del vapor de agua atmosférico (aproximación de Rubio, Rubio et al. 1997). Otro método consistió en procesar un perfil atmosférico de la zona mediante un código de transferencia radiativa con la finalidad de obtener un valor simulado de la radiancia hemisférica descendente. El último método a comparar supuso utilizar una panel de reflectividad difusa, capaz de medir directamente la contribución de los elementos circundantes a éste (atmósfera, edificios, arboles, etc.) dada la alta reflectividad en el infrarrojo térmico de su superficie dorada. Los cuatro métodos expuestos anteriormente fueron comparados bajo tres situaciones de entorno bien distintas: la primera fue en un lugar alto sin casi presencia de elementos circundantes y para un día completamente despejado, el segundo entrono fue para el mismo día despejado pero en un lugar donde la presencia de lementos circundantes era notable y el tercer y último entorno fue para el mismo lugar del primer entorno, pero bajo un cielo cuya cobertura nubosa era muy variable. Los resultados de la comparación mostraron que para un lugar con mínima contribución envolvente y un cielo completamente despejado, los cuatro métodos son perfectamente válidos con diferencia relativas entre ellas no superiores al 2%, lo cual no supone errores importantes a la hora de obtener la emisividad relativa de un suelo desnudo. No obstante, cuando la presencia de elementos circundantes es notable o cuando la cobertura nubosa es importante, el uso de un panel de reflectividad difusa ofrece valores relativos de la radiancia hemisférica, hasta un 72% superior al resto de métodos. No tener en cuenta este incremento de la radiancia hemisférica supone sobreestimar la emisividad relativa hasta un 0.09. Por tanto el uso de un panel de reflectividad difusa se hizo indispensable, pese a que se midió en una zona con mínima contribución atmosférica y en la medida de lo posible se evitaron cielos con presencia de nubes. III. Resultados Antes de empezar a con los resultados, cabe destacar que la metodología empleada para llevar a cabo la medida de la emisividad relativa, permitió obtener valores de dicho parámetro con un error promedio de ?0.003 en un 56% de los casos, independientemente del canal espectral, nivel de humedad, tipo de suelo o ángulo de visión. El error alcanzó un valor de ?0.01 en el 97% de los casos. Por tanto se decidió que solo cambios de la emisividad superiores a 0.01 serían considerados significativos, tanto con el ángulo de visión como con el nivel de humedad. En primer lugar se analizó la variación de la emisividad relativa con el ángulo acimutal, para ello se calculó la diferencia máxima entre las emisividades a distintos acimuts, para un ángulo cenital dado. Los resultados mostraron que el 85% de los valores de estas diferencias no superaban el 0.01, error máximo estipulado para considerar variaciones en la emisividad relativa calculada. Por tanto es factible concluir que los suelos desnudos no vegetados pueden ser considerados acimutalmente isotrópicos. El estudio de la anisotropía cenital de la emisividad relativa en suelos inorgánicos completamente secos, mostró como resultado general que dicha emisividad decrece con el aumento del ángulo cenital, siendo significativo para todo tipo de suelo inorgánico a partir de los 60°, independientemente del intervalo espectral térmico en que fuera medido. El descenso de la emisividad con el ángulo cenital fue modelizado por McAtee et al. (2003) basándose en la teoría de dispersión de Mie. No obstante este modelo requiere un conocimiento previo del radio medio de la partícula, siendo actualmente imposible obtener esta información mediante medidas satelitales. Por tanto el presente estudio basó sus resultados y conclusiones en datos cuantitativos del suelo capaces de ser obtenidos mediante medidas hechas por satleite, como pueden ser los porcentajes de componentes texturales y minerales (Singh and Kathpalia, 2007; Ninomiya and Fu, 2001; Wu et al. 2009) o de humedad del suelo (Misión SMOS, Kerr et al. 2001). Como se comentó anteriormente, el tipo de composición del suelo o el intervalo de espectral de media de la emisividad, es un factor importante al evaluar la magnitud de decrecimiento de la emisividad con el ángulo cenital. Así pues los suelos arenosos con alto contenido en cuarzo o yeso, son los que presentan un mayor descenso de la emisividad con el ángulo, pero este descenso viene marcado por intervalo espectral de medida. En toda la ventana atmosférica el descenso de la emisividad de suelos arenosos es significativo a partir de 40°, llegando a un valor un 5% más bajos que a su valor nadir. Sin embargo, a intervalos espectrales más discretos, el descenso de la emisividad de estos suelos desnudos es dispar. Así por ejemplo la emisividad entre 10-12 ?m, es significativa a partir de los 50°, llegando a descensos un 4% inferior al nadir pero entre 8-9.4 ?m este descenso es significativo a partir de 30°, llegando a valores un 14% más bajos que los registrados a nadir. La explicación de los descensos tan significativos entre 8-9.4 ?m se encuentra en el cuarzo, este mineral presenta unas bandas de reflexión llamadas reststrahlen, que hacen descender la emisividad del suelo de forma brusca. Para el caso de suelos francos, limosos o arcillosos, el descenso de de la emisividad con el ángulo cenital es menos pronunciado que en el caso de los arenosos, especialmente para el casos de suelos con alto contenido en arcilla. En resumen, cuando un suelo mineral completamente seco presenta un alto porcentaje de arcilla en su composición textural, su emisividad se vuelve más isótropa con el aumento cenital. Por el contrario a medida que el porcentaje de arena aumenta, esta emisividad decrece más pronunciadamente con el ángulo, siendo muy significativa a partir de valores angulares cenitales bajos, especialmente si entre los minerales del suelo arenoso hay grandes concentraciones de cuarzo o yeso. Sobre el efecto que tiene la humedad del suelo en la anisotropía de la emisivdad relativa, los resultados mostraron conclusiones dispares en función del intervalo espectral de medida y del tipo de composición del suelo. Así pues en el caso de suelos arenosos, cuando la humedad aumenta, la anisotropía de su emisividad relativa se ve fuertemente influenciada por el intervalo espectral donde ha sido medida. En toda la ventana atmosférica (8-14 ?m) y entre 10-12 ?m, el efecto de la humedad no es apreciable en el descenso de la emisividad relativa con el ángulo cenital, no obstante en el intervalo 8-9.4 ?m, el descenso cenital de la emisividad relativa se ve amortiguado a medida que aumenta el contenido en agua, reduciéndose hasta un 7% respecto a valores en seco y siendo significativo dicha reducción a partir de los 40°. En el caso de suelos de textura franca, los resultados son opuestos al caso de suleos arenosos, la anisotropía cenital de la emisividad se ve acentuada a medida que aumenta el contenido en agua del suelo, siendo significativa, respecto a sus valores en seco, a partir de los 50° y con descensos de hasta un 3% inferiores a los obtenidos en condiciones de deshidratación del suelo. Por último el caso de suelos arcillosos es singular, ni el ángulo cenital ni el aumento de la humedad parece afectar el comportamiento casi isotrópico que presenta su emisividad. Solo a partir de 60° y cuando están completamente secos, la emisividad relativa presente descensos significativos respecto a su valor nadir. En resumen, la presencia de agua retenida tanto en los microporos y macroporos de los suelos minerales estudiados, tiende a homogeneizar el comportamiento de la anisotropía de la emisividad relativa en primera aproximación. Esto se observa al mitigar el decrecimiento de la emisividad relativa en suelos arenosos con alta cantidad de cuarzo en el intervalo espectral 8-9.4 ?m o en el acentuado decrecimiento de dicha emisividad respecto a valores en seco, para el caso de suelos francos. No obstante, la casi isotropía en la emisividad de los suelos arcillosos, hace pensar que la relación entre dicho parámetro y el ángulo cenital de medida así como la humedad, no es puramente lineal. Una vez conocidos los efectos angulares y de humedad sobre las emisividades de los suelos desnudos, se profundizó en el impacto de dicha anisotropía en la obtención de otros parámetros, dependientes de la emisividad. En primer término se estudió la imprecisión cometida sobre la medida de la temperatura de la superficie terrestre si no se tenían en cuenta las variaciones de la emisividad del suelo debido a un ángulo cenital y un valor de humedad dados. Para ello se utilizó un algorimto split-window de pendiente de la emisividad del suelo (Galve et al. 2008), el cual utlizaba las emisividades y temperaturas de brillo del los canales 31 y 32 (10-12 ?m) del sensor MODIS a bordo de los satélites TERRA y AQUA. Se estudio la diferencia en temperatura cuando el pixel era medida a nadir o cuando se media a un ángulo cenital de 65°, ángulo máximo alcanzado por el sensor MODIS. Los errores en la obtención de la temperatura de la superficie si no se tenía en cuenta la anisotropía cenital de la emisividad del pixel, variaba entre ±0.4 K y ±1.8 K, dependiendo del tipo de muestra, para atmosferas con un contenido en vapor de agua menor a 4 cm. Además cuanto más seca era la atmósfera mas grandes eran los errores cometidos en temperatura. Otro parámetro afectado por la variación cenital de la emisividad es el flujo de onda larga, parámetro indispensable al estudiar el intercambio de energía entre superficie y atmósfera, energía que entre otras funciones puede llevar a ahorrar un consumo innecesario de agua en el riego de cultivos. Los resultados mostraron que el error relativo cometido en el flujo de onda larga, al no considerar la variación angular de la emisividad, variaba entre el 2% y el 8%, dependiendo del tipo de suelo. Finalmente con los resultados obtenidos, en el estudio del efecto de la humedad del suelo sobre la anisotropía de la emisvidad relativa, se llevó a cabo una parametrización, resultando en que la expresión que mejor encaja fue un polinomio de segundo grado. No obstante, la idea era obtener una expresión global, aplicable a cualquier tipo de suelo inorgánico, por eso se realizó un análisis estadístico que relacionaba los coeficiente del polinomio con los datos texturales y minerales de los suelos estudiados. El resultado del análisis determinó que los coeficientes de dicho polinomio se relacionaban, nuevamente mediante un polinomio de grado dos, con los porcentajes de arcilla y cuarzo en el intervalo espectral 8-9.4 ?m. En el intervalo 10-12 ?m estos coeficientes se relacionaban con los porcentajes de arcilla y materia orgánica. Finalmente en toda la ventana atmosférica (8-14 ?m) los coeficientes del polinomio se relacionaban, parte de ellos con la arcilla y el cuarzo y el resto con la arcilla y la materia orgánica. El error máximo asociado a esta expresión fue el determinado en el análisis de la sensibilidad del método de obtención de la emisividad relativa, ± 0.01. IV. Conclusiones Las principales conclusiones extraídas del estudio que conforma la presente Tesis Doctoral son: 1. Los suelos inorgánicos no vegetados empleados en el presente estudio son representativos de un gran número de suelos presentes en la Tierra, desde el punto de vista textural y mineral. Por tanto los resultados obtenidos en el estudio del efecto de la humedad del suelo sobre la anisotropía de la emisividad térmica de estos, puede ser aplicada a casi todas las superficies. 2. La metodología diseñada en este estudio para obtener los valores relativos de la emsividad térmica de los suelos inorgánicos desnudos, permitió obtener valores con un error máximo de ± 0.01. 3. La contribución radiativa de la atmósfera y posibles elementos envolventes a la muestra de suelo fue analizada mediante la comparación de cuatro métodos diferentes para obtenerla in situ. Los métodos fueron comparados bajo diferentes condiciones de entorno y las conclusiones más relevantes fueron: a. En el caso de cielos completamente despejados y en un lugar con una presencia mínima de elementos envolventes, los cuatro métodos producen resultados similares, con diferencias relativas no superiores al 2%. No obstante, cuando la presencia de elementos circundantes es notable o la presencia de nubes en el cielo es elevada, el uso de un panel de reflectividad difusa es la opción más recomendable, puesto que tiene en cuenta dicha contribución evitando cometer infravaloraciones de la contribución radiativa envolvente de hasta un 72%. b. Al evaluar el efecto de dicha infravaloración en la radiancia hemisférica descendente, sobre la precisión de la emisividad relativa de los suelos, se observaron sobreestimaciones de hasta un 0.09 en sus valores. Por tanto, el uso de un panel de reflectividad difusa paso de ser una opción, a una necesidad indispensable en el presente estudio. 4. Respeto a los conclusiones sobre la anisotropía de le emisividad térmica de los suelos inorgánicos estudiados, las más importantes fueron: • La emisividad de dichos suelos puede ser considerada casi invariante acimutalmente, pero no respecto al ángulo cenital, puesto que a partir de 60° el decrecimiento de su emisividad es significativo, independientemente del intervalo espectral de medida o la composición del suelo. • No obstante, la magnitud del decrecimiento cenital de la emisividad, está fuertemente influenciado por la composición y el intervalo espectral de medida. La emisividad térmica de suelos presenta un comportamiento cada vez más isótropo frente al aumento cenital a medida que aumenta el contenido en arcilla. Todo lo contrario ocurre para suelos con alto contenido en arena, especialmente en aquellos con alto contenido en cuarzo entre sus minerales, su emisividad decrece más pronunciadamente con el aumento del ángulo cenital, llegando descensos relativos del 14% respecto a su valores a nadir y siendo significativa a partir de ángulos de 30°, como es el caso de la emisivdad entre 8-9.4 ?m. • El efecto de la humedad sobre la anisotropía de la emisividad térmica, también muestra una fuerte dependencia con el tipo de suelo y el intervalo espectral de la medida. Así pues el efecto del incremento del contenido en agua en suelos, provoca que la emisividad decrezca menos pronunciadamente con el ángulo cenital para el caso de suelos arenoso (en el intervalo 8-9.4 ?m), pero más pronunciadamente en el caso de suelos francos (en toda la ventana atmosférica). Los suelos arcillosos sin embargo no muestran variación de su emisividad muy significativas, ni con el ángulo de observación ni con la humedad. 5. También se ha demostrado que ignorar efectos angulares en la emisividad de puede acarrear error sistemáticos en la determinación de la temperatura terrestre entre ±0.4 K y ±1.8K, dependiendo del tipo de suelo y para atmósferas con contenido de vapor de aguar inferior a 4cm. También se mostraron errores relativo entre el 2% y 8% para el flujo de onda larga, lo cual puede llevar a estimaciones erróneas de los balances de enrgía de la superficie. 6. Por último, comentar que a partir de los resultados del estudio se consiguió obtener una expresión capaza de predecir la emisividad relativa de un suelo desnudo si previamente se conocían tanto el ángulo cenital de observación y la humedad del suelo. Adicionalmente esta expresión puede ser aplicada globalmente a un gran número de suelos, en distintas partes del intervalo espectral térmico 8-14 ?m, si previamente se conocen los porcentajes de cuarzo, materia orgánica y arcilla.
