TEORIA - Facultad de Ciencias Marinas

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TEORIA
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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
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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
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Presentación de lecturas sugeridas 50 %.
Reporte de Practicas de Laboratorio 10 %.
Examen Final 40 %.
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
Que es OPTICA?
Parte de la Física que estudia la
Radiación Electromagnética
Que es
RADIACION
ELECTROMAGNETICA?
Ondas Electromagnéticas (400-700 nm)
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)
n = c/l
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 10-34 J s-1
Propiedades que definen el campo de radiación
electromagnética
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

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.
L(q ,f )  d 2 / dS cosqd
f
dS
(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.
E  d / dS
Ed   L(q , f ) cosqd
2p
Eu  
 2p
L(q , f ) cosqd
E0   L(q , f )d
4p

Reflectancia:
R( z, l )  Eu ( z, l ) / Ed ( z, l )
Interacción con el medio
acuático y las partículas


1.
2.
3.
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).
La cantidad de radiación absorbida puede ser medida de diferentes maneras:
Transmitancia, T = /0
% Transmitancia, %T = 100T
Absorbancia,
0

A = log10 0/
A = log10 1/T
A = log10 100/%T
A = 2 - log10 %T
A=ebc
e : 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
Para altas concentraciones no se obedece la Ley
Implicaciones 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.
0
 Absorbancia, A / “Scaterance”, B / Atenuacion, C
b
r
A  a / 0
B  b / 0
C  A B
a  A / r
b  B / r
c  ab
c = “coeficiente de atenuacion”
m-1
 Que le puede suceder a los fotones en el agua?
Estos pueden ser ABSORBIDOS o DISPERSOS.
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.
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
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
K d (l ) 
ln(Ed ,0 (l ) / Ed , z (l ))
• Disco de Secchi, ZSD
z
Profundidad (z)
d ln Ed
1 dEd
Kd  

dz
Ed dz
Irradiancia
> Kd
< Kd
Ze = 1% E0
Ze = 0.1% E0
oceánicas
1.7 1.44
Kd 

Z SD Z SD
E0
4 .6
Ze 
Kd
La luz cambia
con la profundidad
en 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
Por que depende del ángulo de incidencia?
f
dS
Retirado de Zheng et al, 2002
Ed ( z )  Ed (0)e
  Kd z
 z
1   1 / Kd
a
 Kd z
VARIACION ESPECTRAL
VARIACION EN INTENSIDAD
(ESPACIAL x TEMPORAL)
Tiempo X Latitud
r1 =1
qs
qr
qn
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
Refracción
r2 =1.33
es determinada por el COEFICIENTE DE REFLEXION, R
(Ley de Fresnel):
1sin 2 (q s  q n ) 1 tan 2 (q s  q n )
R

2
2 sin (q s  q n ) 2 tan 2 (q s  q n )
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.
r1 sin( q s )  r2 sin( q n )
Reflexión
Refracción
Absorción x Esparcimiento
Absorción x Esprcimiento

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