teoria conceptos de Óptica hidrológica. conceptos de Óptica hidrológica. luz incidente en el...
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TEORIA
Conceptos de Óptica Hidrológica. Luz incidente en el Medio Acuático. Absorción de la Luz en el medio acuático. Dispersión de la luz en el medio acuático. Caracterización de la luz en el medio acuático:
instrumentación. Caracterización de la luz en el medio acuático:
propiedades espectrales y angulares. Uso de sensores remotos del medio acuático. Características de absorción de la luz por el fitoplancton Relaciones bio-ópticas y su aplicación en percepción
remota. Fitoplancton y Fotosíntesis en el medio acuático. Fotosíntesis y luz (Curvas P-E). Modelos de productividad. Percepción remota de la productividad primaria en los
océanos.
PRACTICAS Radiometria acuatica utilizando instrumentos
de campo: SIMBADA. Medición de la concentración de clorofila-a
(espectrofotometria y HPLC). Medición del coeficiente de absorción del
material particulado en agua de mar. Medición del coeficiente de absorción de la
materia orgánica disuelta en agua de mar. Medición de la Productividad Primaria del
Fitoplancton. Fluorescencia Variable (Phyto-PAM) Modelos de Productividad.
Bibliografía Basica:
Kirk, J.T.O. 1994. Light and Photosynthesis in Aquatic Ecosystems.Mobley, C.D. 1994. Light and Water. CD.Falkowski & Raven. 1997. Aquatic Photosynthesis.Williams, Thomas & Reynolds. 2002. Phytoplankton productivity: carbon assimilation in marine and freshwater ecosystems.IOCCG Reports. http://www.ioccg.org/
Bibliografia Complementaria:
Pagina de Profesores FCM Liga a Biooptica
Forma de Evaluación
Presentación de lecturas sugeridas 50 %.
Reporte de Practicas de Laboratorio 10 %.
Examen Final 40 %.
Que es BIO-OPTICA?
Conceptos de Óptica Hidrológica
Rama de la ciencia que estudia la relación entre la luz y los componentes del agua
Por que estudiarla?
• Ayuda a entender los factores que contribuyen a regular la transferencia de la luz dentro del agua
• Esto esta relacionado a los procesos biogeoquímicos y en especial con la productividad primaria fitoplanctonica y el ciclo global del carbono
ESCALAS MOLECULAR - GLOBAL
Jeffrey & Mantoura, 1997
Conceptos de Óptica Hidrológica
Que es OPTICA?
Parte de la Física que estudia la Radiación Electromagnética
Que es RADIACION
ELECTROMAGNETICA?Ondas Electromagnéticas (400-700 nm)
n = c/l
LUZ: Onda Electromagnética: partículas con una carga electromagnética
Características de una onda: Longitud de onda, l Amplitud, A Velocidad, c (~300.000 km/s en vacío)
e = hn = hc/lh = constante de Planck = 6.63 x 10-34 J s-1
Luz son partículas: Fotones
Foton conEnergia, e
• Fotones no tienen masa, pero: Tienen momentum = h/l Pueden transferir energia en colisiones Cargan una cierta cantidad de energia
Propiedades que definen el campo de radiación electromagnética
Angulo SólidoMedida de la proporción de “espacio/volumen” que esta integrado entre un punto y la superficie.
Unidad: steradiano (sr), ángulo desde el centro de una esfera a un área en su superficie que tendrá un área igual al cuadrado de su radio.
Area Esfera = 4p r2
Area de 1 Steradiano = r2
1 Esfera mide 4p steradianos
Radiancia, L(q,f): es el flujo de energía emitido o recibido por unidad de área a través de un cono con un ángulo sólido. ddSdL cos/),( 2
dS
f
(W (o quanta s-1) m-2 sr-1)
Irradiancia, E: No toma en cuenta el ángulo de incidencia del flujo de fotones, y es el flujo de fotones integrado en determinada área (dS).
Unidades: W m-2, quanta (o fotones) m-2 s-1, mol de quanta (o fotones) m-2 s-1.
40
2
2
),(
cos),(
cos),(
/
dLE
dLE
dLE
dSdE
u
d
Reflectancia:
),(/),(),( zEzEzR du
La Radiación Electromagnética
Interacción con el medio acuático y las partículas
Explica de forma matemática como la luz es absorbida por la materia (agua).
La ley dice que tres fenómenos son responsables de disminuir la cantidad de luz después que esta pasa por algún medio que absorba:
1. La cantidad (concentración) de material que absorbe en el medio.
2. La distancia que la luz tiene que «viajar» a través de la muestra (trayecto óptico)
3. Probabilidad de que el fotón de cierta longitud de onda sea absorbido por el material (coeficiente de absorción o de extinción molar del material).
Ley de Lambert-Beer
F0F
La cantidad de radiación absorbida puede ser medida de diferentes maneras:
Transmitancia, T = /F F0
% Transmitancia, %T = 100T
Absorbancia,A = log10 F0/FA = log10 1/TA = log10 100/%T
A = 2 - log10 %T
Ley de Lambert-Beer
A = e b c
e : coeficiente de extinción molar – L mol-1 cm-1
b : longitud de la muestra (cubeta) – cmc : concentración del compuesto en solución – mol L-1
A es directamente proporcional a c
Para altas concentraciones no se obedece la LeyImplicaciones en mediciones con espectrofotometros
a = es la fracción del flujo incidente que es absorbido dividido por la espesura de la capa que absorbió.Unidad = m-1.
b = es la fracción del flujo incidente que se disperso dividido por la espesura de la misma capa.
Absorbancia, A / “Scaterance”, B / Atenuacion, C
BAC
B
A
b
a
0
0
/
/
bac
rBb
rAa
/
/
c = “coeficiente de atenuacion”
m-1
Dr
F0
Fb
Propiedades Ópticas Inherentes
Coeficiente de Absorción
Coeficiente de Dispersión (scattering)
POI (IOP): son denominadas de inherentes porque su magnitud y variación depende solamente de los componentes que están en el medio acuático y no de la geometría de incidencia de luz.
Que le puede suceder a los fotones en el agua? Estos pueden ser ABSORBIDOS o DISPERSOS.
K : es una medida que especifica la tasa de atenuación de la luz en la vertical, o sea, en la columna de agua. Esto parte del hecho que existe una disminución exponencial de la luz con la profundidad y por tanto el K nos indica a que tasa esto ocurre (Ley de Lambert-Beer).
Propiedades Ópticas Aparentes
POA (AOP): son denominadas de aparentes porque su magnitud y variación SI depende de la geometría (ángulos) de incidencia de luz.
Coeficiente de Atenuación Vertical para la irradiancia downwelling, Kd irradiancia upwelling, Ku e irradiancia escalar, K0
Reflectancia, R
• Atenuacion Exponencial: Irradiometro
- Ley de Lambert-Beer - Se calcula el Ln (Ez) y se ajusta a una regresion linear - Inclinacion: Coeficiente de Atenuacion, Kd
COMO CALCULAR
• Disco de Secchi, ZSD
Irradiancia
Pro
fun
did
ad
(z)
Ze = 1% E0
Ze = 0.1% E0
E0
> Kd
< Kd
dz
dE
Edz
EdK d
d
dd
1ln
z
EEK zddd
))(/)(ln()( ,0,
SDSDd ZZK
44.17.1
KdZe
6.4
oceánicas
La luz cambia con la profundidaden INTENSIDAD
y en CALIDAD
CALCULOS
Prof Verde Violeta
1 90 85
2 80 70
5 58 45
10 32 19
20 10 4
Kd verde = 0.12 m-1
Kd viol = 0.16 m-1
Retirado de Green & Sosik, 2004.
Retirado de Zheng et al, 2002
Retirado de Zheng et al, 2002
Por que depende del ángulo de incidencia?
dS
f
Kd
z
zK
eEzE
a
d
zKdd
d
/11
)0()(
Profundidad Óptica, z
Luz Incidenteen la superficie
terrestre
VARIACION ESPECTRAL
Tiempo X Latitud
VARIACION EN INTENSIDAD (ESPACIAL x TEMPORAL)
)(tan2
)(tan1
)(sin2
)(sin12
2
2
2
ns
ns
ns
nsR
)sin()sin( 21 ns rr
Interfase aire-agua
Reflexión
qs
qn
qr
r1
r2
Reflexión es el cambio de dirección de una onda (electromagnética) en la interfase entre dos medios de características diferentes de tal forma que la onda se regresa al medio de donde se origino.
Refracción
La fracción de la luz incidente que es reflejada por una superficie es determinada por el COEFICIENTE DE REFLEXION, R (Ley de Fresnel):
=1
=1.33
Refracción representa el cambio en el ángulo de propagación de una onda (eletromagnetica) al pasar de un medio a otro con diferentes características e diferentes Índices de Refracción (r) – Ley de Snell.
Porcentual reflejado puede ser 2% - 100%
Color del AguaReflexión Refracción
Absorción x Esparcimiento
Océano Abierto
Floraciones Primaverales
Material Disuelto en el Agua
Cocolitoforidos
Trichodesmium
Absorción x Esprcimiento