Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Centro de Desenvolvimento Sustentável, 2006. / Submitted by Diogo Trindade Fóis (diogo_fois@hotmail.com) on 2009-11-26T17:06:23Z No. of bitstreams: 1 dissertacao elaine Vidotto Benite.pdf: 4094506 bytes, checksum: cf6f6b1e0a5236acb8edcf4c07659435 (MD5) / Approved for entry into archive by Joanita Pereira(joanita) on 2009-11-27T15:44:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 dissertacao elaine Vidotto Benite.pdf: 4094506 bytes, checksum: cf6f6b1e0a5236acb8edcf4c07659435 (MD5) / Made available in DSpace on 2009-11-27T15:44:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao elaine Vidotto Benite.pdf: 4094506 bytes, checksum: cf6f6b1e0a5236acb8edcf4c07659435 (MD5) Previous issue date: 2006 / Esta Dissertação tem como foco principal as Tecnologias Espaciais e suas aplicações e de que maneira tais tecnologias podem contribuir para a construção de uma sociedade sustentável. É fato que problemas ambientais - de toda ordem - afligem o globo terrestre, na forma de desflorestamento, desertificação, degradação dos solos, efeito estufa, consumo da camada de ozônio, chuva ácida, redução da biodiversidade e muitos outros. O Brasil possui características continentais, e um indiscutível potencial natural. Trata-se de um país com a maior floresta tropical do globo, detém praticamente 15% de toda água potável do mundo, um território imenso com uma posição geográfica privilegiada e um solo fértil, além de uma das maiores e mais ricas biodiversidades do Planeta. É premente que todo esse patrimônio natural venha a ser conhecido, monitorado, analisado, controlado e utilizado a partir de soluções sustentáveis. As Tecnologias Espaciais constituem-se nas únicas ferramentas capazes de realizar um monitoramento e controle ambiental em escala global, devido a sua capacidade de prover levantamentos sistemáticos e repetitivos de grandes áreas, muitas das quais inacessíveis ao homem. São tecnologias que possuem a capacidade para fornecer dados, alguns em tempo real, sobre qualquer tipo de ação sobre o meio ambiente, antrópica ou não. Indiscutivelmente é uma ferramenta que dispõe de elementos indispensáveis para a construção de uma sociedade sustentável. _____________________________________________________________________________ ABSTRACT / The main focus of this dissertation is Space Technologies and their applications, and on how such technologies can contribute to construction of a sustainable society. It is a fact that environmental problems of all kinds afflict the globe, such as deforestation, desertification, soil degradation, the greenhouse effect, erosion of the o-zone layer, acid rain, and the reduction of biodiversity, amongst many others. Brazil has continental characteristics, and an indisputable number of natural resources. It is a country which contains the largest tropical forest on the planet, has 15% of all the fresh water in the world, and has an enormous territory with a privileged geographical location and fertile soil, not to mention one of the richest biodiversities in the planet. It is urged that all these natural assets be acknowledged, monitored, analyzed, controlled, and used within sustainable solutions. Space technology is the only available tool capable of performing monitoring and environmental control on a global scale, due to its capacity to supply systematic and repetitive surveys of large areas, many of which are inaccessible to man. This is technology that has the capacity to provide data, some of it in real time, on any environmental action, anthropic or otherwise. Unquestionably, it is a tool which will offer indispensable elements for the construction of a sustainable society.

La tesi proposa una sèrie d'algoritmes destinats a obtenir informació del contingut d'electrons lliures presents a la ionosfera. El tipus de dades que s'utilitzaran seran bàsicament les corresponents a receptors de dades del sistema de posicionament global GPS. En aquest context, la tesi proposa dos aproximacions al problema:1. L'ús de dades de receptors de terra GPS combinades amb dades de ionosondes (que permeten obtenir perfils verticals del contingut d'electrons lliures de la ionosfera). Els receptors GPS donen una mesura del contingut total d'electrons en la línia de visió (i.e. integral de la densitat electrònica a través de la línia de visió o Contingut Total Electrònic Oblicu). Ara bé, el problema de les dades GPS de receptors de terra radica en el fet que són observacions bàsicament verticals i això provoca correlacions entre cel·les situades a la mateixa vertical, per tant no es possible descomposar aquesta integral de la densitat electrònica en les distintes parts que la formen. Per tant és necessari introduir un tipus de data addicional que pugui ajudar a desfer aquestes correlacions. Diversos autors proposen l'ús de models físics o dades complementaries a les dades de receptors GPS de terra, per exemple amb dades de receptors GPS embarcats en satèl·lits d'òrbita baixa (Low Earth Orbiters o LEO), associades a línies de visió horitzontal. En aquest treball es proposa l'ús de perfils verticals de densitat electrònica obtinguts a partir de dades de ionosonda. Els resultats obtinguts en aquest treball mostren que és possible expandir en longitud/latitud la resolució vertical que ofereixen els perfils verticals obtinguts a partir de ionosondes, amb discrepàncies similars a altres tècniques de sondeig ionosfèric.2. Nova implementació de l'algoritme d'inversió d'Abel. La inversió d'Abel és una eina que permet obtenir perfils verticals de densitat electrònica a partir de dades GPS de receptors embarcats en LEOs. Per que sigui aplicable, aquesta tècnica pressuposa dues hipòtesis. La primera és que la densitat electrònica depèn només de l'altura (hipòtesis de simetria esfèrica), el qual implica una clara limitació, especialment en zones on la variabilitat horitzontal de la densitat electrònica és alta (per exemple en zones properes a l'anomalia equatorial o durant tempestes ionosfèriques). La segona és assumir que el contingut electrònic per sobre del LEO és negligible, el qual és menys cert a mesura que el LEO té una òrbita més baixa (com és el cas del satèl·lit CHAMP, el qual té una òrbita propera al màxim d'electrons lliures de la ionosfera). L'algoritme proposat en aquesta tesi proposa un apropament que permet la superació de la hipòtesi de simetria esfèrica mitjançant l'ús de dades ionosfèriques que descriuen la variabilitat horitzontal de la densitat electrònica. Per tal de tenir en compte el contingut electrònic per sobre del LEO, s'introdueix una variable extra a l'algoritme, permetent així la seva estimació. Per validar la tècnica, s'han processat distints conjunts de dades corresponents a distints LEOs i èpoques. Les comparacions amb ionosondes confirmen una millora superior al 30% respecte a la clàssica aproximació que assumeix simetria esfèrica.

El treball realitzat en aquesta tesi està emmarcat en la missió SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) de l'Agència Espacial Europea. El satèl·lit es llançarà al febrer del 2007, i mesurarà la salinitat superficial del mar i la humitat del sòl. L'instrument (MIRAS) consisteix en un radiòmetre interferomètric en banda L (1.400-1.430 GHz). Serà la primera vegada que es posarà en òrbita un instrument d'aquestes característiques i que es mesuraran aquests paràmetres. No obstant encara son molts els aspectes científics que queden per resoldre. Aquesta tesi, doncs, ha intentat abordar alguns del temes oberts en la recuperació de la salinitat a partir de les mesures de SMOS.La sensibilitat de la temperatura de brillantor (el què el radiòmetre mesura) a la salinitat és màxima a la freqüència de 1.4GHz, encara que aquesta no és gaire gran. Per altra banda la sensibilitat a la temperatura superficial del mar i a la rugositat és del mateix ordre de magnitud. Això implica que per tal de recuperar la salinitat amb una certa precisió, cal també conèixer aquests altres paràmetres anomenats auxiliars.La recerca feta en aquesta tesi esta gairebé tota basada en dades experimentals de diferents campanyes que s'han realitzat utilitzant diferents radiòmetres en banda L, més boies i altres instruments per mesurar les variables in situ. S'ha fet un estudi sobre els diferents models d'emissivitat que hi ha a l'actualitat. Aquests models tant teòrics com semi-empírics, s'han utilitzat per recuperar la salinitat de la temperatura de brillantor mesurada. Aquesta salinitat recuperada s'ha comparat amb les dades de salinitat adquirides in situ. Els resultats han demostrat que els models semi-empírics recuperen millor la salinitat que no pas els teòrics que s'han analitzat en aquest treball.Els models actuals descriuen la rugositat del mar en funció únicament del vent actual. En alguns casos això no és correcte (mar de fons, mars no desenvolupats totalment). Així analitzant aquestes limitacions, l'autora proposa un nou model semi-empíric, derivat de dades de la campanya WISE. Aquest model descriu la temperatura de brillantor deguda a la rugositat del mar amb dos paràmetres: la velocitat del vent i l'alçada significativa de l'ona. Aquest nou model resulta ser el que recupera salinitat amb més qualitat a partir de dades radiomètriques de tres campanyes diferents, que s'han realitzat amb diferents instruments i en diferents condicions del mar. Errors en els paràmetres auxiliars introdueixen força error en la salinitat recuperada, especialment els errors en la velocitat del vent. En aquesta tesi, diferents fonts de vent i onatge s'han utilitzat per recuperar la salinitat: models meteorològics i oceanogràfics i dades de satèl·lit. Utilitzant com a paràmetres auxiliars dades obtingudes de models la salinitat es recupera amb millor qualitat (probablement, perquè aquests tenen més ressolució espaial i temporal que no pas les mesures des de satèl·lit). De totes maneres aquesta conclusió no es pot extrapolar, ja que això només s'ha provat en una zona geogràfica (la Mediterrània occidental). L'autora proposa obtenir aquests paràmetres auxiliars de les mateixes mesures radiomètriques, així com es fa amb la salinitat. Degut a la configuració de SMOS, cada pixel serà vist des de diferents angles d'incidència. Això ens permetrà poder recuperar més d'una variable, ja que estem tractant un sistema sobredeterminat. Així doncs el mètode d'inversió és capaç de recuperar salinitat, velocitat del vent, onatge i la temperatura superficial del mar. Ara bé, quan utilitzem mètodes d'inversió amb restriccions s'obtenen millors resultats. Així doncs, cal donar al sistema un valor de referència per cada paràmetre i el seu error. Amb aquest mètode l'error en la salinitat recuperada és de l'ordre de 0.2 psu mentre que el vent recuperat té un error d'aproximat de 1 m/s, precisió que no és possible obtenir amb cap model ni satèl·lit, simultani al pas de SMOS.

L'important increment de la capacitat de càlcul computacional que s'ha donat en els últims anys ha fet que els models numèrics meteorològics hagin pogut assolir resolucions de treball molt fines. Ara bé, aquest increment en la resolució, per si sol, no és suficient per millorar-ne les prestacions. Cal introduir algorismes més sofisticats per afinar en la simulació de la dinàmica atmosfèrica, i també cal millorar la caracterització física de la superfície. En aquest sentit, els valors climàtics globals que es fan servir actualment no siguin prou precisos i calguin valors característics de cada regió. Malgrat que a través de la teledetecció no es pot fer una mesura real dels diferents paràmetres de la superfície terrestre, les imatges de satèl·lit són el millor recurs per estimar-los. La periodicitat en l'adquisició d'imatges d'una mateixa zona fa que es puguin fer estimacions estacionals o mensuals, podent així fer un seguiment de la variació d'aquests paràmetres al llarg del temps.En aquest treball s'ha establert una metodologia operacional per a l'obtenció periòdica de paràmetres de superfície, a partir d'imatges del sensor satel·litari NOAA/AVHRR, per Catalunya i les regions que l'envolten. La revisió bibliogràfica de les diverses metodologies existents ha permès seleccionar les més idònies per aquesta zona. A nivell dels resultats, s'ha obtingut una sèrie mensual de diferents paràmetres, que cobreix els mesos de març a octubre de l'any 2000. Aquests paràmetres de superfície són els següents:· Albedo· Emissivitat· Índex de vegetació NDVI· Temperatura de superfície diürna i nocturna.· Inèrcia tèrmica Els resultats obtinguts amb dades de satèl·lit són espacials, són imatges que ens donen valors quantitatius per a cada cel·la de la superfície estudiada. A l'hora de fer-ne un tractament estadístic, aquestes imatges es sintetitzen a través de mapes d'usos del sòl, obtenint resultats per a les categories dels mapes. Com tota simplificació, aquesta comporta una pèrdua d'informació; i en aquest punt cal ser força crític a l'hora de triar una classificació d'usos del sòl de la regió de treball. Aquest aspecte és un dels punts on s'ha volgut aprofundir en la discussió de resultats. S'ha treballat amb dos mapes d'usos del sòl, el del USGS (Servei Geològic dels EEUU) i el CORINE (Agència Europea del Medi Ambient). El primer és d'abast global, té 24 categories i és el que fa servir el model meteorològic MM5 per la caracterització de la superfície en les simulacions. El segon és més actual i cobreix gran part d'Europa. El major nombre de categories (44), i la metodologia emprada en l'elaboració, pensada per els usos del sòl que dominen el nostre continent, fan que aquest mapa sigui més adequat per tal de caracteritzar els usos del sòl de Catalunya i els seus voltants.Els paràmetres geofísics de superfície obtinguts s'han fet servir per inicialitzar un model meteorològic de mesoescala, amb la finalitat de millorar els pronòstics. Les simulacions s'han fet amb el model de mesoescala MM5 (PSU/NCAR). Els canvis introduïts en els paràmetres de superfície, a través del canvi del mapa d'usos del sòl i de la introducció dels valors calculats amb AVHRR per l'any 2000, han estat prou importants com per afectar els resultats de les simulacions. Cal destacar les diferències en el balanç hídric, que provoquen simulacions diferents de les masses nuvoloses i el patrons de precipitació. Aquestes diferències en la nuvolositat també modifiquen el balanç radiatiu, que alhora afecta l'evolució diària de la temperatura a nivells baixos. A nivell meteorològic, les variacions en el desenvolupament de núvols en situacions de domini mesoescalar és important per a la correcta simulació de desenvolupament de tempestes locals durant èpoques estivals. Finalment, també s'han observat variacions significatives en el camp de vent de superfície, aspecte important quan s'utilitza el model MM5 per a la simulació de la dispersió de contaminants atmosfèrics.Els resultats obtinguts per l'any 2000 no es poden considerar climàticament significatius. En aquest sentit, una de les vies de continuïtat d' aquest treball és l'obtenció de resultats per una sèrie més llarga de dades, que permeti conèixer millor les característiques geofísiques de la superfície estudiada i millorar les simulacions meteorològiques. / Mesoscale models, with grid resolution higher than synoptic models, and with advanced physical parameterizations, have been an important tool for meteorological research over the past twenty years. Important improvements on mesoscale models have occurred in the last decade. The availability of high-performance workstations at affordable prices; the sharing of mesoscale models within the community; and finally the real-time accessibility of forecast data from the operational runs; have allowed using mesoscale models for real-time numerical weather prediction (NWP) at high resolutions (~1 km).As mesoscale models continue to increase in spatial resolution, correctly treating the land surface processes is becoming increasingly important for the model to be able to capture local mesoscale circulations induced by land surface forcing. Mesoscale models are incorporating progressively advanced land surface modules in order to properly initialize the state of the ground.Physical model improvements should be complemented with more accurate surface properties initiation data. The present work is focused in this point. An operational methodology has been developed, in order to calculate, from satellite imagery, the surface properties for Catalonia, in the NE of Spain. Satellite observations constitute the only available means for global or regional repetitive monitoring of the surface properties at homogeneous resolution.Prior to calculations, a bibliographical research has been done, in order to choose the most adequate methodology according to the remote sensing data available and the studied region. Monthly mean surface parameters have been calculated for the working region from an AVHRR data set of year 2000. Besides the resulting images, surface parameters have also been calculated for the land-use categories in the region. Calculated parameters are:· Albedo· Emissivity · Normalized Difference vegetation Index (NDVI)· Surface temperature· Thermal inertiaIn order to test the obtained parameters, two simulations have been done with the MM5 mesoscale model. The Fifth-Generation NCAR / Penn State Mesoscale Model (MM5) is a limited-area, non-hydrostatic, terrain-following sigma-coordinate model designed to simulate or predict mesoscale and regional-scale atmospheric circulation.A first simulation, using MM5 default values, has been compared with a second simulation where the local physical parameters have been introduced. Besides the change of the surface parameters, the default MM5 land-use map has also been changed, using a more recent land-use map of the region. Results have shown that differences in surface parameters basically rely on thermal inertia. Besides, the land-use maps comparison had shown important differences between classifications that also affect the final composition of surface parameters that get into the model. Modifications on the second simulation have been sufficiently significant to produce variations in the performance of the model. The cloud development differs basically in the location and dimensions of the clouds, that drives to a different superficial radiative budget affecting the evolution of air temperature at low levels. The different results in cumulus simulation produced important differences in the surface wind field and the updrafts. The changes introduced are sufficiently significant to obtain also slight variations in the pattern of accumulated precipitation for the simulated period. Comparisons with ground measurements of wind and temperature have been done in the test regions. Similar errors are obtained with the two land-use maps and physical parameters, without a clear improvement in the performance of the meteorological model.The simulations done in this work contributes evidence to the high influence of surface scheme applications of mesoscale models at high spatial resolution. In the context of dialogue between remote sensing scientists and numerical climate modelers, it is expected that more research should be done to investigate the sensibility of the mesoscale models to improvements in the surface properties characterization.