Medición de la temperatura a distancia

Si puede medir la energía de entrada (espectro del Sol) y compararla con la energía reflejada ~30% (espectro reflejado de la Tierra), puede calcular la energía absorbida ~70% (absorción del planeta). Aislar esa energía absorbida solo en la superficie requiere algunas aproximaciones y mucha calibración del instrumento.

El sol (en el espacio) tiene un espectro de cuerpo negro a ~5700 K.

Cuando esta energía llega a la atmósfera, una parte se refleja (llamada albedo ) y otra parte se absorbe y luego se irradia nuevamente a una frecuencia diferente como calor (medido por espectrorradiómetros IR).

La atmósfera es bastante fría en comparación con la superficie de la tierra y no tiene mucha masa para calentarse directamente, pero es buena para captar el calor infrarrojo (IR) de onda más larga. Entonces, cuando la superficie de la tierra se mide desde el espacio, alrededor del 50 % de la energía IR (calor) pasa a través de las nubes y el 50 % se refleja de vuelta (efecto invernadero).

Al comparar la entrada del sol con el albedo medido, pueden corregir parte de ese efecto. También se puede calibrar con sensores en tierra que muestran la cantidad de energía que atraviesa la atmósfera. Darse cuenta de$H_2O$,$O_3$(ozono),$CO_2$y$O_2$absorber cantidades notables de la energía radiada (bandas de absorción). En esta imagen, el amarillo representa el espectro fuera de la atmósfera como en la imagen de arriba, y el rojo muestra qué frecuencias y potencia alcanzan la superficie al nivel del mar. Tenga en cuenta cómo$O_3$absorbe la frecuencia más alta (longitud de onda más corta) ultravioleta y evita que nos quememos demasiado con el sol?

Por lo tanto, la radiación IR del espacio se puede medir y comparar con el modelo y los sensores terrestres. Esta imagen es una interpretación de amplio espectro de cómo se vería el "brillo" o la potencia si pudiéramos ver en esta banda de frecuencia. Esta no es una vista de espectro, sino más bien una vista de la cantidad total de energía que se ve reflejada usando una visión IR muy amplia. La visión amplia dificulta ver los detalles, ya que puede ver que en su mayoría hay grandes manchas de diferentes intensidades de energía IR reflejada. Aquí es donde la cámara de la NASA es mucho más poderosa debido a una combinación de filtros y resolución de frecuencia que pueden aumentar dramáticamente el rango dinámico de la imagen y ver mucho más que manchas (vea el detalle en la imagen del desierto de Lut a continuación).

Donde el modelo actual, que siempre se está refinando con nueva información, se parece a esto.

El instrumento específico que utiliza la NASA se llama espectrorradiómetro de imágenes de resolución moderada (MODIS) y hay un equipo completo para apoyar la calibración . El instrumento MODIS tiene 36 bandas espectrales diferentes (grupos de longitudes de onda), incluidas algunas que detectan la radiación térmica o la cantidad de energía infrarroja emitida por la superficie terrestre. Dado que los dos instrumentos MODIS escanean toda la superficie todos los días, brindan una imagen completa de las temperaturas terrestres y llenan los espacios entre las estaciones meteorológicas del mundo, particularmente en entornos extremos donde las temperaturas simplemente no se miden.

La separación de banda espectral para las 36 bandas MODIS se basa en un sistema complejo de divisores de haz dicroicos, máscaras de plano focal y filtros de paso de banda individuales. Hay cuatro planos focales corregistrados separados por tres divisores de haz dicroicos para cubrir el VIS (400 nm a 550 nm), NIR (650 nm a 950 nm), SWIR (1200 nm a 2250 nm), MWIR (3600 nm a 4600 nm ) y LWIR (6500 nm a 14500 nm). Los conjuntos de detectores lineales, uno para cada banda, están cubiertos por filtros de paso de banda de dimensiones tan pequeñas como 1 mm por 7 mm. Los requisitos de MODIS incluyen anchos de banda relativos tan pequeños como el 1 %, con tolerancias estrechas en el centro de la banda, el ancho de la banda, las pendientes de los bordes y las especificaciones fuera de banda. --IEEE _

VIS: espectro visual, NIR: infrarrojo cercano, SWIR: infrarrojo de onda corta, MWIR: infrarrojo de onda media, LWIR: infrarrojo de onda larga.

La ventaja del sensor MODIS es que la mayoría de las temperaturas atmosféricas son mucho más bajas que la superficie de la tierra. Por lo tanto, al usar filtros IR más estrechos y comparar diferentes bandas, se puede medir la temperatura casi directa de la piel de la tierra (suponiendo una calibración adecuada). Utilizando esta información directamente, pueden realizar mediciones directas diarias. Por ejemplo, se descubrió que el desierto de Lut suele ser el lugar más caluroso del planeta:

El desierto de Lut tiene una extensión de área de unos 80.000 km y contiene varias distinciones geomórficas extrañas que lo convierten en un lugar único. Grandes áreas del desierto de Lut superan regularmente los 65,0°C, y el punto más caliente de la Tierra se detectó en el Lut cinco de los siete años.

Las imágenes IR en general se utilizan a menudo en aplicaciones industriales para encontrar fuentes irregulares de calor. Se puede usar para ver objetos con gran detalle donde cada píxel actúa como un pequeño termómetro que le permite medir la temperatura de cada píxel en una imagen. Así funciona el MODIS, pero es mucho más complicado. Este es un ejemplo de un dispositivo portátil FLIR que ilustra el concepto con la imagen IZQUIERDA en blanco y negro con el punto de referencia resaltado, en comparación con la imagen DERECHA en IR con el mismo punto resaltado.