Efecto de la humedad sobre la emisividad de los suelos en el infrarrojo térmico
- Autores: Maria Mira Sarrió
- Directores de la Tesis: Enric Valor (dir. tes.), César Coll Company (codir. tes.), Vicente Caselles Miralles (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de València ( España ) en 2010
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Joaquín Meliá Miralles (presid.), Soledad Gandia Franco (secret.), Jean-Pierre Lagouarde (voc.), José Luis Casanova Roque (voc.), Thomas J. Schmugge (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
La emisividad de la superficie es un parámetro clave para la determinación de la temperatura de la superficie terrestre (TST) y el balance de energía superficial de onda larga, cuya estimación es posible a partir de datos de teledetección multiespectrales en el infrarrojo térmico (IRT). Considerando la dependencia de la emisividad de un suelo con su contenido de agua y el escaso e incompleto estudio del que ha sido objeto hasta la actualidad, se establece como objetivo principal de esta Tesis Doctoral el análisis de tal dependencia para evitar indeterminaciones significativas en la estimación de la TST.
La base experimental de nuestro trabajo se desarrolla, en el laboratorio, sobre un conjunto de muestras de suelo que cubren una buena parte de las clases texturales existentes en la naturaleza, por lo que consideramos que su respuesta espectral entre 8 y 14 ¿m representa, en esencia, la variedad de comportamientos posibles entre los suelos.
El método gravimétrico y la reflectometría de dominio del tiempo fueron utilizados como métodos para la medida del contenido de humedad del suelo. El radiómetro térmico utilizado para las medidas radiométricas fue el modelo CE312 de CIMEL Electronique, con 4 bandas (modelo CE312-1) o 6 bandas (modelo CE312-2) en el IRT, que fueron calibrados frente a una superficie de referencia que actúa a modo de cuerpo negro. Los dos métodos de campo utilizados en la investigación para la estimación in situ de la emisividad infrarroja fueron el método de la caja en su variante de dos tapas y el método de separación de la temperatura y la emisividad conocido como método TES.
Tras valorar las ventajas e inconvenientes metodológicas de ambos métodos, junto con la precisión, la exactitud y el error sistemático de cada uno de ellos, consideramos que el método de la caja es el método óptimo para la medida en el laboratorio de la emisividad de los suelos. En primer lugar, un análisis demuestra que el error radiométrico del propio instrumento provoca una incertidumbre en las estimaciones de emisividad obtenidas con la aplicación del método de la caja de ±0,012, siendo menor para el método TES (±0,009). Sin embargo, a diferencia del método de la caja, el método TES presenta un error sistemático de +0,02, con los mayores valores en superficies de elevado contraste espectral. En segundo lugar, sabemos que el tiempo de medida necesario para la aplicación del método TES (20 minutos) es menor que para el método de la caja (1 hora), y además sólo necesita una placa de reflectancia difusa de fácil transporte. No obstante, el método de la caja tiene la ventaja de no estar sujeto a las condiciones ambientales, porque aísla la muestra del entorno, y la virtud de poder ser aplicado en el laboratorio sin necesidad de aumentar la temperatura de la muestra, que en ocasiones, como en nuestro caso, resulta inviable.
Dado que los algoritmos de corrección atmosférica y de emisividad toman como dato de entrada un determinado valor de emisividad para la superficie en estudio, la no consideración del efecto de la humedad sobre la emisividad del IRT implica un error en la determinación de la TST de hasta 2 K, como demuestra nuestro estudio.
Así mismo, las medidas experimentales ponen en evidencia el aumento significativo que sufre la emisividad de un suelo en el IRT entre el estado seco del suelo y su capacidad de campo y que es debido a la película de agua que se forma entre las partículas. En cambio, se observa como la emisividad se mantiene prácticamente constante o sufre un pequeño aumento al superar la capacidad de campo porque el posible llenado de los macroporos del suelo por agua no afecta significativamente a su respuesta espectral. Nuestro análisis demuestra que dicha tendencia, más acusada en suelos arenosos y el intervalo espectral de 8 a 9 ¿m por la presencia de minerales de cuarzo o yeso, resulta bien caracterizada mediante un modelo logarítmico entre la emisividad y el contenido de humedad. Sin necesidad de conocer el tipo de suelo en estudio, el modelo determina una primera aproximación de su emisividad en el IRT en función de su contenido de humedad, con un error estándar de estimación menor que ±0,03. Si se conoce la clase textural del suelo en estudio, tras determinar el suelo de nuestra base de datos que mejor se ajusta a su composición, es posible definir la emisividad del IRT que lo caracteriza con un error estándar de estimación mejor que ±0,014, seleccionando la ecuación correspondiente del modelo. Por último, si el contenido de humedad, materia orgánica y/o cuarzo y carbonatos del suelo en estudio es conocido, estimaciones de emisividad del IRT con un error menor que ±0,019 son posibles con la simple aplicación de una ecuación general, siendo ésta la solución óptima en términos de error y operatividad en su aplicación.
Finalmente en el estudio que aquí presentamos se comprueba la posibilidad de detectar la variación sufrida por la emisividad del IRT debida al cambio en el contenido de humedad de una muestra arenosa rica en yeso mediante estimaciones de emisividad obtenidas a partir de datos de satélite de alta resolución espacial y espectral, en concreto del sensor Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection (ASTER). El estudio que aquí hemos expuesto va a permitir, por lo tanto, una mejora en la interpretación de los errores de desviación de la emisividad de la superficie causados por los efectos de la humedad del suelo.
