VI Seminário Latino-Americano de Geografia Física II Seminário Ibero-Americano de Geografia Física Universidade de Coimbra, Maio de 2010 Comportamento nival na Serra Nevada através de imagens Landsat 7 (período 2007 - 08). Benedita MILHEIRO SANTOS, Antonio GÓMEZ-ORTIZ, Ferran SALVADOR-FRANCH, Montserrat SALVÀ-CATARINEU Servei de Gestió i Evolució del Paisatge, Univesitat de Barcelona Contacto: [email protected] Introdução e Objectivos Durante a Pequena Idade do Gelo o Corral da Veleta situado acima dos 3100m na Serra Nevada, albergou um foco glaciar que subsistiu até à primeira metade do século XX. Deste, só existem restos de um corpo gelado em profundidade em processo de degradação e totalmente enterrado sob sedimentos provenientes das paredes do Corral (Gómez Ortiz et al., 1999 y Gómez Ortiz, 2004). Em estudos anteriores comprovou-se que as massas geladas do Corral da Veleta, revelam dinamismo. Este encontra-se subordinado a factores como a inclinação do substrato sobre o qual assentam as massas geladas e a radiação que penetra no solo, estando esta por sua vez, dependente da cobertura nival existente no momento (Sanjosé et al, 2007). A dinâmica dados obtidos em campo, sobretudo a nível térmico. Recentemente este seguimento tem vindo a ser abordado a partir da análise de imagens Landsat 7, tanto a nível térmico como nivológico. No presente trabalho mostram-se os resultados preliminares de um ano de estudo desde o verão de 2007 até ao verão de 2008, para o qual foram aplicadas um conjunto de técnicas associadas à Detecção Remota e aos Sistemas de Informação Geográfica (SIG). São analisadas 14 imagens para o correspondente período. A estas imagens foram aplicadas diferentes metodologias. Às bandas 2, 3, 4 e 5 foram aplicados índices de neve para estimar a superfície de neve, e para a banda 6 (térmica) foram aplicados algoritmos para o cálculo da temperatura de superfície (LST – Land Surface Temperature), tanto da neve como do solo. 1 Tema 2 - Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física: aplicações emergentes Fig. 1 - Vista do Corral del Veleta desde o Albergue Universitário. (Agosto 2008) Área de Estudo A Serra Nevada situa-se no Sudeste da Península Ibérica a 370 N e 30 W. Alberga algumas das altitudes mais elevadas da península: Mulhacén: 3.482 m, Picacho del Veleta: 3.398 m, Alcazaba: 3.366 m, Picón de Jeres: 3.094 m, Cerro del Caballo: 3.013 m e Cerro de Trevélez: 2.878 m (Fig. 2). A área acima dos 2.000 m que aloja as principais formas de relevo glaciares herdadas da LIA estima-se em 561 Km2. Geologicamente a serra é composta por dois tipos principais de rochas: rochas carbonatadas na base (calcários e dolomitas de Alpujárride) e rochas metamórficas nas áreas cimeiras (micaxistos, xistos do Nevado-Filábride). A geomorfologia glaciar e periglaciar que compõe a Serra Nevada é a manifestação mais importante da presença da neve e do gelo na serra durante o Quaternário, sobretudo nas partes mais cimeiras. O seu relevo é marcado por formas imponentes como circos glaciares, vales em forma de U, cristas rochosas, diferentes tipos de moreias, em concreto a partir dos 2.500 m o relevo torna-se vigoroso e semelhante à morfologia alpina. Climaticamente, a serra apresenta um clima de alta montanha mediterrânea árida. Dados a 2.510 m revelam uma temperatura média anual de - 4.40 C e precipitação anual - 775.7 mm. 2 VI Seminário Latino-Americano de Geografia Física II Seminário Ibero-Americano de Geografia Física Universidade de Coimbra, Maio de 2010 Fig. 2 – Altitudes máximas da Serra Nevada e situação geográfica das massas geladas no interior do Corral da Veleta Fonte: Modelo Digital do Terreno, resolução espacial: 5 m. Junta de Andaluzia Metodologia A) Cobertura Nival: 1. Cálculo do NDSI (Normalized-Difference Snow Index): (Tm2 – Tm5) / (Tm2 + Tm5) Reclassificação de áreas com reflectancias superiores a .04 2. Cálculo do coeficiente R35: (Tm3 / Tm5) (Rott, 1994) Reclassificação de áreas com reflectancias superiores a 1.3 3. Cálculo do coeficiente R45: (Tm4 / Tm5) (Hall et al, 1987) Reclassificação de áreas com reflectancias superiores a 3 3 Tema 2 - Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física: aplicações emergentes Fig. 3 e 4 – Sobreposição das áreas de neve obtidas a partir do cálculo do NDSI, R35 e R45. A figura 3 e 4 mostram os limites das áreas de neve obtidas após a aplicação dos dois coeficientes (R35 e R45) e do índice (NDSI). Em ambas figuras é usada como base de análise uma imagem em cores reais que resultou da composição entre as bandas 1, 8 e 3 do satélite Landsat 7. Esta imagem é referente ao dia 5 de Maio de 2008, tem 15 metros de resolução espacial e permite confrontar os 3 métodos usados no cálculo da área de neve com a realidade, e assim apurar o método mais adequado. Na figura 3 é feita uma comparação entre os 3 resultados, podendo-se verificar que o R35 é o coeficiente que mais se afasta da realidade, pois a área de neve resultante inclui numerosos pixéis que não se encontram cobertos de neve. Como consequência este coeficiente foi posto de parte, tendo-se prosseguido a análise com recurso ao NDSI e ao R45. Na figura 4 é feita uma pequena aproximação à área central da figura 3, para melhor visualização e comparação dos limites definidos pelo NDSI e do R45. Neste caso verifica-se que os limites são mais coincidentes entre si, apresentando, no entanto, algum distanciamento em determinadas áreas. Evidência desse distanciamento é indicada pelos círculos vermelhos, onde se pode observar que certas áreas que o R45 exclui, são incluídas pelo NDSI. Através da imagem compósita podemos confirmar que estas áreas contém restos de neve embora a sua espessura seja já bastante reduzida nesta altura ano, fazendo com que os valores de reflectancia sejam baixos e deste modo não são abrangidos pelo umbral do R45. Porém estes pixéis são absorvidos pelos 4 VI Seminário Latino-Americano de Geografia Física II Seminário Ibero-Americano de Geografia Física Universidade de Coimbra, Maio de 2010 limites do NDSI, tendo sido este o método que se considerou mais adequado para análise da cobertura nival na Serra Nevada. Resultados da aplicação do NDSI Das 14 imagens Landsat 71 seleccionadas para o período de estudo, quatro apresentavam nebulosidade, sobretudo na parte mais oriental da serra. No entanto, foi possível obter para estes dias uma cobertura nival parcial. No quadro síntese que se apresenta na figura 5, podemos analisar a evolução da cobertura nival na Serra Nevada ao longo do período 2007-08, calculada a partir do índice NDSI. Como era de esperar, os meses de Inverno são os que apresentam o manto nival mais extenso. No entanto, podemos observar que a presença da neve nem sempre é constante ao longo do ano, principalmente nos meses do Outono e Primavera, correspondendo respectivamente, ao momento das primeiras caídas de neve e posteriormente à fusão da mesma. Um episódio deste tipo ocorreu no final de Outubro onde se pode verificar a existência de um manto de neve bastante extenso (cerca de 228 km2 acima dos 2000 m de altitude), mas cuja duração foi relativamente curta, tendo fundido quase na sua totalidade durante as duas semanas subsequentes. No mapa correspondente ao mês de Novembro, pode-se observar que somente os cumes acima dos 3000 m de altitude conservam restos das primeiras neves reduzidas a uma área de cerca de 14 km2. 1 Lista de referência das 14 imagens Landsat 7 usadas: 19.08.2007 - LE72000342007231EDC00; 06.10.2007 - LE72000342007279ASN00; 22.10.2007 - LE72000342007295ASN00; 07.11.2007 LE72000342007311ASN00; 26.01.2008 - LE72000342008026ASN00; 27.02.2008 LE72000342008058ASN00; 30.03.2008 - LE72000342008090ASN00; 01.05.2008 LE72000342008122ASN00; 17.05.2008 - LE72000342008138ASN00; 02.06.2008 LE72000342008154ASN00; 18.06.2008 - LE72000342008170ASN00; 04.07.2008 LE72000342008186ASN00; 05.08.2008 - LE72000342008218ASN00; 21.08.2008 LE72000342008234ASN00. 5 Tema 2 - Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física: aplicações emergentes Fig. 5 – Quadro síntese da evolução da cobertura nival na Serra Nevada durante o período 2007-08. Dado não haver disponibilidade de uma imagem para o mês de Dezembro, não se tem a certeza do momento da primeira neve que permaneceu no solo de forma constante até ao começo da fusão primaveril. Deste modo só temos constância da permanência da mesma a partir de Janeiro. Fevereiro foi o mês que registou a máxima superfície ocupada pelo manto nival (229 km2). Tendo começado a fundir a partir de Março até meados de Junho, altura em a neve já só se encontrava acima dos 3000 m. Desta data até Agosto só foi possível encontrar resquícios de neve alojados em determinados recantos da serra virados a norte, protegidos da radiação solar, como se pode se ver nas figuras 6 e 7. 6 VI Seminário Latino-Americano de Geografia Física II Seminário Ibero-Americano de Geografia Física Universidade de Coimbra, Maio de 2010 Fig. 6 – Área de neve calculada a partir do NDSI para os dias 4 Julho e 5 Agosto de 2008. Fig. 7 - Interior do Corral da Veleta em Agosto de 2008. Fonte: Gómez Ortiz B) Temperaturas de Superfície (LST): 1. Conversão dos Digital Numbers em radiâncias: (Lλ = (( LMax - LMin) / (QCALMax -QCALMin)) . (QCAL - QCALMin) + LMin 7 Tema 2 - Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física: aplicações emergentes 2. Cálculo das temperaturas de brilho: Ts = K2 / (ln (K1 / Lλ +1)) 3. Cálculo das temperaturas de superfície (LST) segundo o algoritmo monocanal de Qin, Karnieli e Berliner (citado em Jimenez-Muñoz, 2005): Ts = 1/C6 (a6 (1 - C6 - D6) + (b6 (1 - C6 - D6) + C6 + D6) T6 - D6* Ta) A segunda parte deste trabalho consiste no cálculo das temperaturas de superfície da área de estudo. Para esse efeito foram aplicados diferentes algoritmos às 14 imagens de satélite. Neste momento é importante mencionar o efeito atenuador que a atmosfera exerce sobre a radiação que chega aos sensores térmicos transportados pelo satélite. De todos os elementos químicos que compõem a atmosfera, o vapor de água, que frequentemente designamos por humidade do ar, é o elemento que mais influencia o sinal térmico procedente da superfície terrestre. O vapor de água tende a absorver parte deste sinal, o que significa que os valores registados pelos sensores são inferiores ao que realmente se deveriam verificar. Por este motivo foi aplicado um último algoritmo de modo a poder corrigir este efeito. Inicialmente foram convertidos os Digital Numbers (Fig. 8) em radiâncias através do algoritmo que se apresenta no ponto número 1. Este algoritmo bem como a definição dos respectivos parâmetros que o compõem está disponível no handbook da Landsat 7 (citado na bibliografia). 8 VI Seminário Latino-Americano de Geografia Física II Seminário Ibero-Americano de Geografia Física Universidade de Coimbra, Maio de 2010 Fig. 8 – Digital Numbers da banda 6 para o dia 01.05.2008 Em segundo lugar foram calculadas as temperaturas de brilho ou como habitualmente são designadas temperaturas de superfície (sem correcção atmosférica). É usado o algoritmo exposto no ponto número 2, que também se encontra disponível na mesma publicação electrónica da Landsat 7. Neste caso os resultados obtidos encontram-se influenciados pelo efeito atenuador da atmosfera. Efeito esse, é corrigido através do algoritmo descrito no ponto número 3, tendo sido aplicado às temperaturas de brilho calculadas previamente o algoritmo monocanal de Qin, Karnieli y Berliner, cujos parâmetros necessários à sua aplicação são citados em Jiménez-Muñoz (2005). Este algoritmo tem em conta a emissividade das superfícies terrestres bem como a transmissividade atmosférica, permitindo deste modo remover / reduzir os efeitos atmosféricos na região do térmico. A aplicação dos algoritmos aqui apresentados permitiu ter conhecimento das LST do solo durante o período de verão mas também do manto nival durante os meses de Inverno (Fig. 9). 9 Tema 2 - Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física: aplicações emergentes Fig. 9 - Temperaturas de superfície (corrigidas atmosfericamente) para o dia 01.05.2008 Resultados dos cálculos das temperaturas de superfície Após aplicação dos algoritmos descritos anteriormente, foram obtidos 14 mapas com as temperaturas de superfície (LST) para toda a Serra Nevada, correspondentes a cada um dos dias estudados para o período 2007-08. A cada imagem de satélite, foi sobreposta alguma informação vectorial de carácter temático como, rios e lagos, curvas de nível e pontos cotados, que funcionam como referências geográficas para melhor localizar a área de estudo. Dado que o principal interesse é conhecer o modo como as temperaturas superficiais influenciam o comportamento das massas geladas existentes no Corral da Veleta, foi realizada uma aproximação à área de estudo, em concreto ao Corral da Veleta. A titulo de exemplo, foram seleccionados os 2 dias mais representativos do ano, o dia 27 de Fevereiro de 2008 por ser o dia que representa as LST mais frias, e o dia 21 Agosto de 2008 por incluir as LST mais elevadas durante o período de estudo (Fig. 10). As temperaturas de superfície encontradas através da banda térmica do Landsat 7 foram comparadas com temperaturas do interior do solo a 5 cm de profundidade. Estas últimas temperaturas são obtidas em campo através de sondeios térmicos tipo UTL-1 inseridos no interior do solo. Dito sondeio térmico encontra-se a 3150 m no seio do Corral da Veleta, sob uma camada de sedimentos que cobre as massas geladas 10 VI Seminário Latino-Americano de Geografia Física II Seminário Ibero-Americano de Geografia Física Universidade de Coimbra, Maio de 2010 subjacentes. Deste modo, foi feito um cálculo médio das LST para os 4 pixéis (1.4 ha) envolventes a este sondeio térmico, e posteriormente ambas foram comparadas. Com dita comparação não se pretende a validação das LST, somente se procura analisar os ritmos e tendências de ambas temperaturas referentes a distintos ambientes (ver discussão dos resultados). Fig. 10 - Temperaturas de superfície para o Corral da Veleta para os dias 27.2.2008 e 21.08.2008 O 27 de Fevereiro de 2008 foi o dia que apresentou as LST mais baixas para os dias estudados. A média das temperaturas para os 4 pixéis envolventes ao sondeio térmico (sinalizados com um quadrado vermelho) foi de -6.50 C, tendo alguns destes pixéis alcançado os -8.90 C. Na imagem de Fevereiro pode-se observar que a vertente do corral virada a NW, é a que exibe os valores mais baixos de temperatura. Dado a sua orientação e o posicionamento das paredes quase verticais do corral situadas a sul, esta área encontra-se abrigada da radiação solar directa durante grande parte do dia. O dia com as LST mais quentes coincide com o 21 de Agosto 2008, que para os mesmos pixéis, apresenta uma temperatura media de 300 C. No entanto, as superfícies orientadas a Sul podem chegar a alcançar temperaturas superficiais superiores a 40 0 C. Do mesmo modo que no caso anterior, a vertente virada a NW pela a sua situação de abrigo, é a que apresenta as temperaturas mais baixas. Este efeito de abrigo proporciona às massas geladas uma maior protecção durante o verão, ainda que nesta 11 Tema 2 - Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física: aplicações emergentes altura do ano o sol alcance maior altura no céu e a ausência de neve em grande parte do solo sejam factores determinantes ao seu dinamismo. Fig. 11 – Amplitudes térmicas máximas alcançadas no Corral da Veleta no período 2007-08. Na figura 11 são apresentadas as amplitudes térmicas máximas para o período 2007-08, como resultado da diferença entre a imagem de Agosto e a imagem de Fevereiro. O ponto correspondente ao sondeio térmico sobre as massas geladas apresenta uma variação térmica anual média das LST de cerca de 36.50 C. Porém, pode-se observar que os lugares virados a sul e sudeste são os que manifestam maiores diferenças nas temperaturas de superfície registadas, chegando a alcançar variações na ordem dos 400 C entre o mês mais frio e o mais quente. Interessante mencionar que os corpos de água são os que apresentam a variação térmica anual mais baixa, cerca de 200 C, como se pode observar pelos valores apresentados no lago que se encontra no canto inferior esquerdo da imagem. Isto deve-se à natureza e comportamento térmico da água. Discussão dos Resultados Com o gráfico apresentado na figura 12 pretende-se esboçar uma comparação entre as LST obtidas através das imagens de satélite e as temperaturas obtidas no interior do sondeio térmico que se situa sobre as massas geladas. Como já foi mencionado, as temperaturas usadas são as referentes aos 5 cm de profundidade, ou seja, as mais próximas da superfície. Importante recordar que com este gráfico pretende-se somente fazer uma comparação entre estes dois tipos de dados e não uma validação das LST através das 12 VI Seminário Latino-Americano de Geografia Física II Seminário Ibero-Americano de Geografia Física Universidade de Coimbra, Maio de 2010 temperaturas do interior do solo. Apesar de ambos os dados se referirem a temperaturas, trata-se de dois tipos de temperatura distintos e com comportamentos e ritmos diferenciados. O objectivo desta comparação é somente o de poder observar as tendências apresentadas por ambas as curvas de temperatura. Assim, analisando este gráfico podemos verificar que: - a resposta das LST às mudanças de temperatura do ar é muito mais rápida que a resposta referente ao interior do solo. Os valores de ambas temperaturas seguem ritmos diferenciados. Ainda que se trate do mesmo tipo de material rochoso, as diferentes exposições destes dois ambientes (superfície e interior do solo) podem explicar os diferentes ritmos; - o interior do solo começa a manifestar valores negativos antes da presença da neve no solo. O efeito de sombra provocado pela parede do Corral da Veleta a sul poderá ser o fundamento deste acontecimento; - uma vez que a neve cobre o solo, os valores térmicos negativos afectam também a superfície, permanecendo assim até ao momento do degelo, altura em que o solo começa a receber radiação solar directa novamente; - durante os meses em que existe neve no solo, esta actua como um regulador térmico, estabilizando as temperaturas no interior do solo. Estas apresentam amplitudes no entorno dos 50 C, enquanto que à superfície, a cobertura nival manifesta uma variação térmica que pode alcançar os 100 C para os mesmos meses; - a partir de Março/Maio as curvas de ambas temperaturas tendem a afastar-se, embora sigam a mesma tendência. Este fenómeno pode explicar-se pelo lento desaparecimento da neve no solo. Deste modo, a temperatura superficial começa a incrementar-se rapidamente enquanto que a propagação da onda térmica no interior do solo é mais demorada, mantendo-se perto dos 00 C até meados de Junho. 13 Tema 2 - Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física: aplicações emergentes Fig. 12 – Comparação das LST com as temperaturas do interior do solo (-5 cm) para o período estudado. Conclusões As temperaturas de superfície podem ser consideradas como um interface entre a temperatura do ar e a do solo, pois as 3 curvas sobrepostas apresentaram semelhantes tendências mas ritmos diferenciados, principalmente com a presença de neve no solo. Por este motivo resulta bastante interessante conhecer a resposta térmica da superfície do solo bem como no seu interior, ante o efeito regulador do manto nival ou ausência do mesmo. No caso do Corral da Veleta, os registos térmicos obtidos na camada activa do solo vem a indicar que depois do desaparecimento da neve no solo, a propagação da radiação solar no seu interior ocorre com relativa rapidez, afectando o topo das massas geladas e acelerando a sua degradação. Os dados de LST obtidos para os meses de Julho e Agosto, revelaram-se bastante elevados numa primeira observação. A diferença entre estes valores e os registados a 5 cm de profundidade pode alcançar os 15-170 C. Uma diferença tão acentuada poderá estar relacionada com a dimensão da superfície analisada, quer dizer, 4 pixéis para a imagem de satélite (1.4 ha) e menos de 113 cm2 para os sensores térmicos usados em campo. No entanto, factores como a capacidade de absorção de energia dos materiais e exposição destes à radiação solar directa, bem como a obliquidade da mesma, podem 14 VI Seminário Latino-Americano de Geografia Física II Seminário Ibero-Americano de Geografia Física Universidade de Coimbra, Maio de 2010 contribuir significativamente para explicar valores de temperatura tão distantes. Além do mais, os valores encontrados tanto para o interior do solo como para as imagens de satélite são referentes às 11h45 da manha (hora local) hora de passagem do satélite a esta latitude. A esta hora da manha o ângulo entre o sol e a superfície da terra é bastante elevado e as superfícies rochosas dentro do corral (xistos e micaxistos de tonalidade bastante escura) levam já cerca de duas horas expostas a radiação solar directa. Por ultimo, cabe destacar que o tratamento digital das imagens de satélite continua a ser um tema complexo, mas as respectivas metodologias são cada vez mais acessíveis, resultando numa informação mais detalhada e de melhor qualidade que no passado. Com este primeiro ensaio obtiveram-se resultados bastante interessantes para o estudo da evolução da cobertura nival na Serra Nevada. Com os dados obtidos foi possível estabelecer de forma aproximada a data da primeira neve permanente no solo a partir dos 2500 m de altitude e a sua duração até ao degelo. Esta informação resulta bastante útil na hora de avaliar o processo de degradação das massas geladas existentes no interior do Corral da Veleta. Uma vez, terminada a fase de selecção dos índices de neve a empregar para o cálculo da área de neve, bem como depois de realizadas as correcções atmosféricas e topográficas necessárias, pretende-se alargar o estudo até aos anos 84, altura em que o satélite Landsat 4 e 5 começou a enviar as primeiras imagens. No futuro, a inclusão de imagens de outros satélites como MODIS também é plausível, deste modo pretende-se conseguir uma base de dados com uma boa resolução espacial e temporal. Um estudo baseado em mais de 20 anos de imagens poderá ajudar a encontrar um padrão evolutivo da cobertura nival bem como das temperaturas de superfície (LST). Agradecimentos A investigação em curso é realizada ao amparo dos projectos 018/2007 do OAPNMMA e do CSO2009-0691 do MCI, todos eles desenvolvidos através do Grup de Recerca Paisatge i paleoambients de la muntanya mediterrània/ (2009GRS868, Generalitat de Catalunya). 15 Tema 2 - Expansão e democratização das novas tecnologias em Geografia Física: aplicações emergentes Bibliografia GÓMEZ ORTIZ, A., PALACIOS ESTREMERA, D., RAMOS SAINZ, M., SCHULTE, L., SALVADOR FRANCH, F., TANARRO GARCÍA, L. M. (1999) – Degradación del Permafrost en Sierra Nevada y Repercursiones Geomorfológicas: el caso del Corral del Veleta. Resultados Preliminares. Boletín de la A.G.E. 27: 7-21. GÓMEZ ORTIZ, A. (2004) – El conocimiento glaciar de Sierra Nevada. De la descripción ilustrada del siglo XVIII a la explicación científica actual. Reial Acadèmia de Doctors. Barcelona. HALL, D. K., ORMSBY, J. P., BINDSCHADLER, R. A., SIDDALINGAIAH, H. (1987) – Characterization of snow and ice reflectance zones on glaciers using Landsat TM data. Annals of Glaciology, 9: 104-108. JIMENEZ MUÑOZ, J. C. (2005) – Estimación de la temperatura y emisividad de la superficie terrestre a partir de datos suministrados por sensores de alta resolución. Tesis Doctoral, Universidad de Valencia, España. pp. 143 – 152. ROTT, H. (1994) – Thematic studies in alpine areas by means of polarimetric SAR and optical imagery. Advances in Space Research, 14: 217-226. SANJOSÉ, J. J., ATKINSON, A. D. J., GÓMEZ ORTIZ, A., SALVADOR FRANCH, F. (2007) – Técnicas geodésicas y fotogramétricas aplicadas al análisis de la dinámica y cartografía del glaciar rocoso activo del Corral del Veleta (Sierra Nevada) durante el periodo 2001 – 2007. Mapping Interactivo – Revista Internacional de Ciencias de la Tierra. 122: 26-32. Landsat 7 Science Data Users Handbook – Electronic publication of NASA: http://www.gsfc.nasa.gov/IAS/handbook_toc.html 16