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