Vegetação e a Radiação Eletromagnética

A cobertura vegetal tem sido tema de inúmeros estudos ao longo da história, utilizando diversas abordagens e envolvendo aspectos botânicos, fitossociológicos, taxonômicos e fisiológicos. Um dos objetivos principais nos estudos sobre a vegetação é o monitoramento das condições fisionômicas, fisiológicas e das mudanças observadas em determinada área ocupada por cobertura vegetal (Jackson e Huete, 1991), as quais se expressam pelas modificações ocorridas no processo de interação energia/matéria.

Quando se tem como objetivo discutir e compreender a interação da REM com a vegetação, seja área agrícola, campo ou floresta, é imprescindível a análise dos indivíduos que constituem a comunidade vegetal a ser estudada, ou seja, as plantas. Desde a descoberta que os vegetais obtêm da REM emitida pelo Sol parte da energia que necessitam para viver, a interação entre essa radiação e a vegetação passou a ser estudada detalhadamente. Vários estudos aprofundados sobre as propriedades espectrais de folhas e dosséis têm sido realizados, discutidos e demonstrados tais como: Gates et al., 1965; Kumar, 1972; Colwell, 1983; Goel, 1988; Salisbury e Ross, 1992; Hall e Rao, 1994; Ponzoni e Shimabukuro, 2007; Jensen, 2009. Assim, almeja-se aqui, rever os processos principais de interação da vegetação com a REM.

O sensoriamento remoto é uma das tecnologias que vêm contribuindo e motivando o avanço nos conhecimentos de como a vegetação interage com a radiação eletromagnética. No monitoramento da vegetação, é comum a utilização de sensores eletro-ópticos, que geram imagens multiespectrais a partir da detecção da energia refletida pelos alvos existentes na superfície terrestre, em faixas específicas do espectro eletromagnético, principalmente nas regiões do vermelho e do infravermelho próximo, sendo aquelas onde a vegetação interage mais intensamente com a radiação solar incidente (Nobel, 1999).

Ao utilizar dados de sensoriamento remoto para estudo de determinado objeto ou fenômeno terrestre, deve-se ter em mente a existência de uma série de variações na REM ocasionadas pela fonte de energia, pelo meio em que a energia é propagada, pelos alvos imageados e pelo sistema sensor que capta a energia proveniente do alvo (Moreira e Assunção, 1984). De acordo com Ponzoni (2001, p.159):

A aparência da cobertura vegetal em determinado produto de Sensoriamento Remoto é fruto de um processo complexo que envolve muitos parâmetros e fatores ambientais. O que é efetivamente medido por um sensor remoto, oriundo de

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determinada vegetação, não pode ser explicado apenas por suas características intrínsecas, inclui também a interferência de vários outros fatores, como: a) a fonte de radiação, que inclui a irradiância espectral, a localização do ângulo zenital e azimutal solar; b) a atmosfera, caracterizada por uma série de propriedades e parâmetros, incluindo as concentrações espacialmente dependentes e as propriedades seletivas de absorção e de espalhamento dos diversos comprimentos de onda por parte dos constituintes da atmosfera (como vapor d’ água, ozônio e aerossóis); c) o dossel, cujas características se dão por várias propriedades e parâmetros ópticos (refletância e transmitância), estruturais (formas geométricas e posicionamento dos componentes da vegetação: folhas, galhos, frutos e flores), geométricos e ambientais (temperatura, umidade relativa, velocidade do vento e precipitação), d) do solo, que também é caracterizado por uma série de propriedades e parâmetros tais como refletância, absortância, rugosidade superficial, textura e umidade e e) do detetor, caracterizado por uma série de propriedades e parâmetros, como a sensibilidade espectral, abertura, calibração e posicionamento espacial. Moreira (2003) destaca que na planta se processam todas as atividades físico-químicas e biológicas, além de ser a menor unidade de vegetação que irá interagir com a radiação solar. O aprimoramento do conhecimento da interação da REM com a vegetação tem ocorrido pela realização de estudos do Comportamento Espectral da Vegetação, termo que tem sido utilizado frequentemente para representar as características de refletância da REM, pelas folhas, plantas individuais e conjunto de plantas (Ponzoni, 2001).

À REM estão associados os conceitos de refletância, transmitância e absortância espectrais, sendo necessário, para o estudo de vegetação através do sensoriamento remoto, o conhecimento da interação da REM em termos desses três fenômenos físicos. A interação da radiação com a vegetação é dada principalmente pelas folhas, órgãos vegetais especializados na absorção da REM e onde o processo de fotossíntese é realizado (Kummar, 1972, Salisbury e Ross, 1992; Jensen, 2009).

Porém, nem toda radiação incidente em uma planta tem efeito sobre ela. As radiações eletromagnéticas, cujos comprimentos de onda são capazes de induzir uma resposta fisiológica na planta, ou seja, capaz de provocar uma reação fotoquímica, são denominadas radiação fisiologicamente ativa (Moreira, 2003). Quando a radiação solar incide sobre uma folha da planta, sua energia interage e resulta em três frações: refletida, absorvida e transmitida (Mather, 1999, Ponzoni, 2001; Liu, 2006; Jensen, 2009). Ou seja, da radiação solar que chega a superfície da Terra (radiação global), ao atingir a planta, uma parte (aproximadamente 50%) é absorvido

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pelos pigmentos contidos na folha, parte dessa radiação é refletida pelas folhas, fenômeno denominado de reflexão, e outra parte passa pelo processo de transmissão, por meio das camadas de folhas que compõem a copa e através das camadas que constituem a folha, como a cutícula, parênquima lacunoso e o paliçádico (Moreira, 2003).

Na Figura 4.1, são ilustradas as variações da refletância, transmitância e absortância da radiação solar incidente nas diferentes faixas de comprimento de onda do espectro eletromagnético posteriormente ao processo de interação da REM com uma folha individual.

Figura 4.1. Valores médios das frações de radiação solar refletida, transmitida e absorvida após interação com uma folha individual.

Fonte: Adaptado Ponzoni, 2001.

Na Tabela 4.1 são demonstrados os principais processos, reações fotoquímicas, fotorreceptores, picos de absorção e as bandas espectrais em que a radiação é absorvida. Valeriano (1988) destaca que os processos de reflexão especular e de espalhamento não envolvem interações dependentes do comprimento de onda da radiação eletromagnética. Esta, por sua vez, retorna integralmente por estes processos, levando dessa forma poucas informações sobre a folha. O processo pelo qual a energia penetra na folha e sai pelo mesmo lado, trata da reflexão difusa pela folha, objeto principal do estudo do comportamento espectral da vegetação, uma vez que esta radiação que retornou passa por espalhamentos múltiplos no interior da célula e carrega consigo as informações sobre a estrutura e o estado da folha.

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Tabela 4.1. Principais reações fotoquímicas das plantas superiores. Fonte: Adaptado Moreira (2003).

Processo Reações Fotorreceptor Pico do Espectro (µm) Banda Espectral (µm) Síntese da Clorofila Reação da protoclorofila Protoclorofila Azul: 0,445 Vermelho: 0,650 0,350 – 0,470 0,570 – 0,670 Fotossíntese Dissociação da água e redução do CO2 Acréscimo da fotossíntese Clorofilas e carotenóides Clorofilas Azul: 0,445 Vermelho: 0,675 Vermelho: 0,650 Vermelho distante: 0,710 0,350 – 0,530 0,600 – 0,700 0,630 – 0,690 0,690 – 0,730 Reações no Azul Fototropismo Carotenóides e flavinas U.V.: 0,370 Azul: 0,445 – 0,475 0,350 – 0,500 Reações no Vermelho Germinação da semente, síntese da antocianina, crescimento vegetativo e heterotrófico Fitocromo

Indução pelo vermelho: 0,660

Reversão pelo vermelho distante: 0,710 e 0,730

0,570 – 0,700

0,680 – 0,780

Na vegetação fotossinteticamente ativa, pode-se identificar três regiões distintas ao longo do espectro eletromagnético em função dos fatores que condicionam seu comportamento (Novo,1989, p. 190):

a) até 0,7 µm, a refletância é baixa (< que 0,2µm), dominando a absorção da radiação incidente pelos pigmentos da planta em 0,48µm (carotenóides) e em 0,62µm (clorofila). Em 0,56µm, há um pequeno aumento do coeficiente de refletância, não atingindo, porém, níveis superiores a 0,1µm. É a refletância responsável pela percepção da cor verde da vegetação; b) de 0,7µm a 1,3µm, tem-se a região denominada pela alta refletância da vegetação (0,3 < ρ < 0,4), devido à interferência da estrutura celular; e c) entre 1,3µm e 2,5µm, a refletância da vegetação é denominada pelo conteúdo de água das folhas. Nessa região encontram-se dois máximos de absorção pela água (1,4µm e 1,95µm).

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Considerando o intervalo espectral dividido nas três regiões espectrais anteriormente assinaladas, visível (0,4µm a 0,7µm), infravermelho próximo (0,7µm e 1,3µm) e infravermelho médio (1,3µm e 2,5µm) é possível verificar que algumas regiões do espectro eletromagnético são mais utilizadas e outras frações do espectro não são aproveitadas na fotossíntese. Por exemplo, a região do ultravioleta possui energia muito intensa e pode causar decomposição das moléculas. Já a região do infravermelho não apresenta energia suficiente para causar diminuição sensível na estabilidade das ligações químicas. Dessa forma, apresenta-se a seguir, considerações sobre o comportamento dessas regiões e os principais fatores que condicionam sua utilização no sensoriamento remoto.