TEORIA Conceptos de Óptica Hidrológica.

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1 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.

2 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.

3 Bibliografía Basica: Kirk, J.T.O Light and Photosynthesis in Aquatic Ecosystems. Mobley, C.D Light and Water. CD. Falkowski & Raven Aquatic Photosynthesis. Williams, Thomas & Reynolds Phytoplankton productivity: carbon assimilation in marine and freshwater ecosystems. IOCCG Reports.

4 Bibliografia Complementaria:
Pagina de Profesores FCM Liga a Biooptica

5 Forma de Evaluación Presentación de lecturas sugeridas 50 %.
Reporte de Practicas de Laboratorio 10 %. Examen Final 40 %.

6 Conceptos de Óptica Hidrológica
Que es BIO-OPTICA? 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

7 ESCALAS MOLECULAR - GLOBAL
Jeffrey & Mantoura, 1997

8 Conceptos de Óptica Hidrológica
Que es RADIACION ELECTROMAGNETICA? Que es OPTICA? Parte de la Física que estudia la Radiación Electromagnética Ondas Electromagnéticas ( nm) Perturbaciones o ondulaciones que se repiten a una cierta distancia denominada longitud de onda, presentan una frecuencia y una velocidad de desplazamiento. En verdad estamos hablando del desplazamiento de particulas que tienen una carga eletromagnetica que es lo que lleva a que tengan cierta frecuencia o longitud de onda. Cuando hablamos de optica hidrologica estamos interesados en el medio donde se desplaza la luz, o en el cambio de medios.

9 LUZ: Onda Electromagnética: partículas con una carga electromagnética
Características de una onda: Longitud de onda, l Amplitud, A Velocidad, c (~ km/s en vacío) Cuando hablo de la direccion de propagacion del campo electrico, estoy hablando de POLRIZACION. n = c/l

10 Luz son partículas: Fotones
Foton con Energia, e Fotones no tienen masa, pero: Tienen momentum = h/l Pueden transferir energia en colisiones Cargan una cierta cantidad de energia e = hn = hc/l h = constante de Planck = 6.63 x J s-1

11 Propiedades que definen el campo de radiación electromagnética

12 Angulo Sólido Medida 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

13 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. dS f Fi representa el flujo de fotones (W (o quanta s-1) m-2 sr-1)

14 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.

15 Reflectancia: La necesidad de una variable que describa esa variacion de la luz con la profundidad

16 La Radiación Electromagnética
Interacción con el medio acuático y las partículas

17 Ley de Lambert-Beer 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: La cantidad (concentración) de material que absorbe en el medio. La distancia que la luz tiene que «viajar» a través de la muestra (trayecto óptico) Probabilidad de que el fotón de cierta longitud de onda sea absorbido por el material (coeficiente de absorción o de extinción molar del material).

18 La cantidad de radiación absorbida puede ser medida de diferentes maneras:
Transmitancia, T = F/F0 % Transmitancia, %T = 100T Absorbancia, A = log10 F0/F A = log10 1/T A = log10 100/%T A = 2 - log10 %T F0 F

19 Ley de Lambert-Beer A = e b c
: coeficiente de extinción molar – L mol-1 cm-1 b : longitud de la muestra (cubeta) – cm c : concentración del compuesto en solución – mol L-1 A es directamente proporcional a c

20 Para altas concentraciones no se obedece la Ley
Implicaciones en mediciones con espectrofotometros

21 a = es la fracción del flujo incidente que es absorbido dividido por la espesura de la capa que absorbió. Unidad = m-1. F0 b = es la fracción del flujo incidente que se disperso dividido por la espesura de la misma capa. Absorbancia, A / “Scaterance”, B / Atenuacion, C Fb Dr m-1 Su definición parte de la siguiente Delta para indicar una espesura de capa infinitesimal c = “coeficiente de atenuacion”

22 Propiedades Ópticas Inherentes
Que le puede suceder a los fotones en el agua? Estos pueden ser ABSORBIDOS o DISPERSOS. Coeficiente de Absorción Coeficiente de Dispersión (scattering) Para poder entender el flujo de fotones en el agua se deben definir las variables que expliquen estos procesos de absorcion y dispersion. 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.

23 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 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). Reflectancia, R

24 COMO CALCULAR Atenuacion Exponencial: Irradiometro
- Ley de Lambert-Beer - Se calcula el Ln (Ez) y se ajusta a una regresion linear - Inclinacion: Coeficiente de Atenuacion, Kd Irradiancia Profundidad (z) Ze = 1% E0 Ze = 0.1% E0 E0 > Kd < Kd Disco de Secchi, ZSD Poner ejercicios en clase … datos de luz y disco de sechi oceánicas

25 La luz cambia con la profundidad en INTENSIDAD y en CALIDAD

26 1 90 85 2 80 70 5 58 45 10 32 19 20 4 CALCULOS Prof Verde Violeta
Kd verde = 0.12 m-1 Kd viol = 0.16 m-1

27 Retirado de Green & Sosik, 2004.

28 Retirado de Zheng et al, 2002

29 f dS Por que depende del ángulo de incidencia?
Retirado de Zheng et al, 2002

30 Profundidad Óptica, z

31 Luz Incidente en la superficie terrestre

32

33 VARIACION ESPECTRAL

34 VARIACION EN INTENSIDAD
(ESPACIAL x TEMPORAL) Tiempo X Latitud

35 Interfase aire-agua r1 =1 qs qr Reflexión Refracción qn r2 =1.33
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. Reflexión La fracción de la luz incidente que es reflejada por una superficie es determinada por el COEFICIENTE DE REFLEXION, R (Ley de Fresnel): Refracción =1.33 Porcentual reflejado puede ser 2% - 100% 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.

36 Color del Agua Reflexión Refracción Absorción x Esparcimiento

37 Océano Abierto

38 Floraciones Primaverales

39 Material Disuelto en el Agua

40 Cocolitoforidos

41 Trichodesmium Absorción x Esprcimiento