1 OCEANOGRAFIA POR SATÉLITES "Oceanografia por Satélites - as palavras soam incongruentes e, para uma geração de cientistas acostumados às garrafas de

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OCEANOGRAFIA POR SATÉLITES

"Oceanografia por Satélites - as palavras soam incongruentes e, para uma geração de cientistas acostumados às garrafas de Nansen e aos termômetros de inversão, a idéia pode parecer absurda.”

Oceanógrafo G. Ewing, em 1964.

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EMENTAEMENTA

Parte 1Fundamentos de sensoriamento remoto

Técnicas e tipos de sensores usadosSistemas de sensoriamento remoto

- Satélites, órbitas, transmissão de dados, recepção e disseminação

Escala espacial e temporal da oceanografia por satélite - i.e. fenômenos detectáveis por satélites

Processamento de imagemPrincípios físicos da transferência da energia radianteGrandezas radiométricas básicas Radiometria básica

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EMENTAEMENTA

Parte 2 Sensoriamento remoto em oceanografia

Sensores passivosSensores da radiação visível (Cor do Oceano)

clorofila, material dissolvido e particulado, etcSensoriamento da radiação infravermelha

temperatura superficial do mar (TSM)Sensores ativos / microonda

Sensoriamento da radiação de microondaT, vento, gelo marinho, salinidade

Altímetronível do mar

Radar de Abertura Sintética (SAR)ondas internas, frentes, etc

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EMENTAEMENTA

Exercícios(avaliação contínua)

Uso de ferramentas computacionais para processamento e análise de imagens de satélites ou de produtos derivados do sensoriamento remoto dos oceanos

MatlabSeaDASBilko e outras ferramentas

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Introdução

Satélites em órbita são utilizados nas áreas de

ComunicaçãoTelevisãoMeteorologia

Sistema de posicionamento global (GPS)Gerenciamento continental

Em oceanografia: parâmetros oceânicos obtidos de uma plataforma em órbita ao redor da terra fazem parte da rotina diária de muitas instituições de ensino e pesquisa.

Atualmente

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Introdução

Embora o uso de sensores a bordo de satélites é relativamente recente em Embora o uso de sensores a bordo de satélites é relativamente recente em OceanografiaOceanografia, há muitas vantagens e desvantagens, há muitas vantagens e desvantagens

Ambiente oceânico é altamente variávelAmbiente oceânico é altamente variável, logo necessita de , logo necessita de amostragem de alta freqüência;amostragem de alta freqüência;

Dificuldade técnicaDificuldade técnica, como tecnologia de lançamento, , como tecnologia de lançamento, posicionamento, sensibilidade dos sensores, etc.posicionamento, sensibilidade dos sensores, etc.

Poucos investidores privadosPoucos investidores privados;;

Dependencia de Dependencia de financiamento públicofinanciamento público e da e da boa vontade das boa vontade das instituições detentoras de tecnologiainstituições detentoras de tecnologia para divulgação dos dados de para divulgação dos dados de sensoriamento remoto.sensoriamento remoto.

Atualmente

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Introdução

Entretanto, a área de Entretanto, a área de Oceanografia por SatélitesOceanografia por Satélites cresceu muito nas cresceu muito nas últimas décadas. Os principais fatores são:últimas décadas. Os principais fatores são:

- Agências espaciais permitem acesso livre às imagens;- Agências espaciais permitem acesso livre às imagens;- A evolução da internet;- A evolução da internet;- Aumento na taxa de transmissão de dados via internet;- Aumento na taxa de transmissão de dados via internet;- Novas tecnologias digitais;- Novas tecnologias digitais;- Microcomputadores mais eficientes.- Microcomputadores mais eficientes.

Risco envolvido:Risco envolvido:Imagens são amplamente disponíveis e, em geral, o Imagens são amplamente disponíveis e, em geral, o

oceanógrafo desconhece a forma como foram obtidas e, portanto, oceanógrafo desconhece a forma como foram obtidas e, portanto, não possui visão crítica do produto.não possui visão crítica do produto.

Atualmente

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• Produz valores médios de uma determinada área.

• Escala sinótica de alta resolução e global

• Mede a interface oceano / atmosfera

• Permite análise temporal na dimensão horizontal

Vantagens

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• A maioria da EEM não penetra na na coluna da água do mar

• Não podemos observar fenômenos de freqüência alta (superior a um dia).

• A EEM na frequência do visível e do infravermelhos não atravessam as nuvens

• As medições obtidas pelo espaço podem não ser precisas.

• Há necessidade de se medir in situ para validar o produto gerado pelos sensores

Desvantagens

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é uma disciplina relativamente nova

não pode substituir os métodos convencionais de investigação

já permitiu:- abrir novos campos de

pesquisa;

- uma visão totalmente nova dos processos oceânicos;

- a descoberta de novos fenômenos oceânicos ou conhecidos somente teoricamente.

Em resumo, a Oceanografia por SatélitesEm resumo, a Oceanografia por Satélites

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SENSORIAMENTO REMOTO

Utilização de sensores para aquisição de informações sobre objetos ou fenômenos sem que haja contato direto entre elesConjunto das atividades relacionadas à aquisição e a análise de dados de sensores remotos

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(A) Fonte de energia(B) Interação com a atmosfera(C) Interação com a água do mar(D) Coleta e registro da energia(E) Transmissão, recepção e processamento do sinal(F) Intepretação e análise(G) Aplicações

PRINCÍPIOS DE SENSORIAMENTO REMOTO

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Sensores Remotossão equipamentos capazes de coletar energia proveniente do objeto, convertê-la em sinal passível de ser registrado e apresentá-lo em forma adequada à extração de informações

Energiana grande maioria das vezes é a energia eletromagnética ou radiação eletromagnética

Os sensores remotos são, geralmente, sistemas fotográficos ou óptico-eletrônicos capazes de detectar e registrar, sob a forma de imagens ou não, o fluxo de energia radiante refletido ou emitido por objetos distantes

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•Qualquer fonte de energia eletromagnética é caracterizada pelo seu espectro de emissão, o qual pode ser contínuo ou distribuído em faixas discretas•Toda matéria a uma temperatura superior a zero absoluto (0o K ou -273o C) emite radiação eletromagnética, como resultado de suas oscilações atômicas e moleculares •A radiação emitida ao incidir sobre a superfície de outra matéria pode ser refletida, absorvida ou transmitida. Quando absorvida, a energia é geralmente reemitida, em diferentes comprimentos de onda

Características da radiação eletromagnética

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Espectro de Emissão da Radiação

Eletromagnética do Corpo Negro

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•Os processos de emissão, absorção, reflexão e transmissão ocorrem simultaneamente e suas intensidades relativas caracterizam a matéria em investigação. Dependendo das características físicas e químicas da mesma, os quatro processos ocorrem com intensidades diferentes em diferentes regiões do espectro de radiação eletromagnética•Esse comportamento espectral das diversas substâncias é denominado assinatura espectral e é utilizado em Sensoriamento Remoto para distinguir diversos materiais entre si ou estimar parâmetros de interesse


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Radiação refletida e emitida por corpos terrestres

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O campo elétrico e o campo magnético são perpendiculares entre si e ambos oscilam perpendicularmente à direção de propagação da onda, como mostra a figura, onde E é o campo elétrico e M o campo magnético

ONDA ELETROMAGNÉTICA

Equações do maxwell!!!!!!!!

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•A velocidade de propagação da onda eletromagnética no vácuo é a

velocidade da luz (3 x 108 m/s).•O número de ondas que passa por

um ponto do espaço num determinado tempo define a

freqüência (f) da radiação•A onda eletromagnética pode também ser caracterizada pelo

comprimento de onda (lâmbda) que pode ser expresso pela

equação: c=f

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•A faixa de comprimentos de onda ou freqüências em que se pode encontrar a radiação eletromagnética é ilimitada. •Este espectro é subdividido em faixas, representando regiões que possuem características peculiares em termos dos processos físicos geradores de energia ou dos mecanismos físicos de detecção desta energia.

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Microondas: faixa de 1mm a 30cm ou 3x1011 a 3x109 Hz. Pode-se gerar feixes de radiação eletromagnética altamente concentrados, chamados radares. Por serem pouco atenuados pela atmosfera, ou por nuvens, permitem o uso de sensores de microondas em qualquer condição de tempo

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Visível: Radiação capaz de produzir a sensação de visão para o olho humano normal. Pequena variação de comprimento de onda (400 a 700 nm).Importante para o Sensoriamento Remoto, pois imagens obtidas nesta faixa, geralmente, apresentam excelente correlação com a experiência visual do intérprete.

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Infravermelho: grande importância para o Sensoriamento Remoto.Engloba radiação com comprimentos de onda de 0,75um a 1,0mm.A radiação I.V. é facilmente absorvida pela maioria das substâncias (efeito de aquecimento).

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Ultravioleta: extensa faixa do espectro (10nm a 400nm). Películas fotográficas são mais sensíveis à radiação ultravioleta do que a luz visível. Uso para detecção de minerais por luminescência e poluição marinha. Forte atenuação atmosférica nesta faixa, se apresenta como um grande obstáculo na sua utilização.Raios X: Faixa de 1Ao a 10nm (1Ao = 10-10m). São gerados, predominantemente, pela parada ou freamento de elétrons de alta energia. Por se constituir de fótons de alta energia, os raios-X são altamente penetrantes, sendo uma poderosa ferramenta em pesquisa sobre a estrutura da matéria. Raios-GAMA: são os raios mais penetrantes das emissões de substâncias radioativas. Não existe, em princípio, limite superior para a freqüência das radiações gama, embora ainda seja encontrada uma faixa superior de freqüência para a radiação conhecida como raios cósmicos

Outras faixas de frequência

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COMPOSIÇÃO DOS SISTEMAS SENSORES

Coletor: recebe a energia através de uma lente, espelho, antenas, etc...Detetor: capta a energia coletada de uma determinada faixa do espectroProcessador: Processa o sinal registrado (revelador, amplificação, etc...) através do qual se obtém o produtoProduto: contém a informação necessária ao usuário

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SISTEMAS SENSORES

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TIPOS DE SENSORES

Podem ser classificados em função da fonte de energia ou em

função do tipo de produto que produz

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Em função da fonte de energia

PASSIVOS: não possuem fonte própria de radiação. Mede radiação solar refletida ou radiação emitida pelos alvos. Ex.: Sistemas fotográficos, sensores de varredura

ATIVOS: possuem sua própria fonte de radiação eletromagnética, trabalhando em faixas restritas do espectro. Ex.: Radares

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Em função do tipo de produto:

Não-imageadores: não geram imagem da superfície sensoriada. Ex.: Espectrorradiômetros (assinatura espectral) e radiômetros (saída em dígitos ou gráficos). Essenciais para aquisição de informações precisas sobre o comportamento espectral dos objetos.

Imageadores: obtém-se uma imagem da superfície observada como resultado. Fornecem informações sobre a variação espacial da resposta espectral da superfície observada

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Os sistemas não imageadores

Bóia radiométrica

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Os sistemas imageadores

Sistema fotográfico: Fácil de operar. Limitada capacidade de captar a resposta

espectral (filmes cobrem somente o espectro entre ultravioleta próximo ao infravermelho distante). Limita-se as horas de sobrevôo e

devido a fenômenos atmosféricos não permitem freqüentemente observar o solo a

grandes altitudes

Sistema de quadro: ("framing systems"):

adquirem a imagem da cena em sua totalidade

num mesmo instante. Ex.: RBV

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Os sistemas imageadores

Sistema de varredura ("scanning systems"). Ex.: AVHRR, SeaWiFS

Cada linha da imagem é formada pelo sensor ao “varrer” de uma lado para outro ao longo da trajetória do satélite. Um espelho rotativo

(A) é utilizado para refletir a radiação oriunda do objeto (superfície do mar) - que pode ser refletida ou emitida - aos detectores (B) que são especialmente projetados para coletar a

energia radiante em diferentes bandas (faixas de comprimentos de ondas). Esses detectores

medem a energia para cada bandas, como sinal elétrico e, após, são convertidos em

dados digitais que são gravados a bordo dos satélites e/ou enviados a Terra, ao longo da

trajetória do satélite, para serem captados por antenas receptoras.

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SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE IMAGENS

Em sensores como o AVHRR e o SeaWiFS, o sinal elétrico detectado em cada um de seus canais, é convertido ainda a bordo do satélite, por um sistema analógico/digital, e a saída enviada para as estações de recepção via telemetria. As imagens destes sensores são amostradas com um número grande de pontos. Além disso, tais imagens têm a característica de serem multi-espectrais, no sentido de constituírem uma coleção de imagens de uma mesma cena, num mesmo instante, obtida por vários sensores com respostas espectrais diferentes.

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CARACTERÍSTICAS DO SENSOR REMOTO

Banda espectral é o intervalo entre dois comprimentos de onda, no espectro eletromagnéticoResolução espacial: mede a menor separação angular ou linear entre dois objetos. Por exemplo, uma resolução de 20 metros implica que objetos distanciados entre si a menos que 20 metros, em geral não serão discriminados pelo sistema

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CARACTERÍSTICAS DO SENSOR REMOTO

Resolução radiométrica: está associada à sensibilidade do sistema sensor em distinguir dois níveis de intensidade do sinal de retorno. Por exemplo, uma resolução de 10 bits (1024 níveis digitais) é melhor que uma de 8 bits (256 níveis digitais)Resolução espectral: é uma medida da largura das faixas espectrais do sistema sensor. Por exemplo, um sensor que opera na faixa de 0.4 a 0.45 m tem uma resolução espectral menor do que o sensor que opera na faixa de 0.4 a 0.5 um

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Imageamento por Imageamento por sens. fotográficos sens. de varredura

Resolução geométrica alta médiaResolução espectral média altaRepetitividade baixa altaVisão sinóptica baixa altaBase de dados analógica digital

Análise comparativa dos sensores fotográficos e imageamentos por varredura

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IMAGEM DIGITAL

Uma imagem digital pode ser definida por uma função bidimensional, da intensidade de luz refletida ou emitida por uma cena, na forma I(x,y); onde os valores de I representam, a cada coordenada espacial (x,y), a intensidade da imagem nesse ponto. Essa intensidade é representada por um valor inteiro, não-negativo e finito.

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IMAGEM DIGITAL

•A cada ponto imageado pelos sensores, corresponde a uma área mínima denominada "pixel" (picture cell), que deve estar geograficamente identificado, e para o qual são registrados valores digitais relacionados a intensidade de energia refletida em faixas (bandas) bem definidas do espectro eletromagnético •O processo de digitalização de uma imagem não-digital ("imagem contínua"), corresponde a uma discretização (ou amostragem) da cena em observação, através da superposição de uma malha hipotética, e uma atribuição de valores inteiros (os níveis de cinza) a cada ponto dessa malha (processo chamado de quantização)

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IMAGEM DIGITAL

(8-bit)

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•Um número finito de bits para

representar a radiância da cena para cada "pixel”

CARACTERÍSTICAS DA IMAGEM DIGITAL

Imagem de 2 bits

Imagem de 8 bits

28 = 256

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•Radiância é o fluxo radiante que provém de uma fonte, numa determinada direção, por unidade de área.• A quantificação da radiância contínua de uma cena é representada pelos níveis de cinza discretos na imagem digital, é dada por um número de bits por "pixel" para produzir um intervalo de radiância.• Os sensores da nova geração obtêm normalmente imagens em 8 ou 10 bits (equivalente a 256 ou 1024 níveis digitais).


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O nível de cinza é representado pela radiância média de uma área relativamente pequena em uma cena. Esta área é determinada pela altitude do sistema sensor a bordo do satélite e outros parâmetros como o IFOV (Instantaneous Field Of View), que é o ângulo formado pela projeção geométrica de um único elemento detetor sobre a superfície da Terra.No caso das imagens multiespectrais, a representação digital é mais complexa, porque para cada coordenada (x,y), haverá um conjunto de valores de nível de cinza. Representa-se então cada "pixel" por um vetor, com tantas dimensões quantas forem as bandas espectrais.


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Geometria de imageamentoNadir: ponto, sob a superfície da Terra, diretamente abaixo da posição do satélite

Ângulo de iluminação solar: ângulo entre o feixe de radiação emitido pelo sol e a visada do sensor

Ângulo de visada: ângulo entre a direção de visada do sensor e o nadir

Ângulo de incidência: ângulo entre a direção de visada e a perpendicular à superfície no ponto visado

Ângulo de depressão: ângulo entre a direção da trajetória do satélite e a visada do sensor

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Geometria do radiômetro óticoDA – área do detector, dispositivo foto sensível gerador do sinal que forma a imagem

A – abertura, área por onde penetra a radiação no sensor. Área da lente do sensor

1 e 2 – ângulo sólido de integração da radiação proveniente da reflexão difusa sobre os alvos.

3 ou IFOV – Instantaneos Field Of View, campo de visada instantâneo do sensor.

Pixel – Picture Element – Unidade elementar de uma imagem.

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Ao orbitar a Terra, o sensor capta energia radiante de certas regiões do planeta. A área total varrida é denominada swath. No caso dos sensores dos oceanos, o swath é da ordem de 1000 km de largura.

SISTEMA DE VARREDURA

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•Circular, para garantir que as imagens tomadas em diferentes regiões dos oceanos tivessem a mesma resolução e escala•Permitir o imageamento cíclico da superfície do mar, para garantir a observação periódica e repetitiva dos mesmos lugares •Ser síncrona com o Sol (heliossíncrono), para que as condições de iluminação da superfície marinha se mantivessem constantes•Horário da passagem do satélite deve atender às solicitações de diferentes áreas de aplicação em oceanografia

Características fundamentais das órbitas dos satélites para observações dos oceanos

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ÓRBITAS DOS SATÉLITES

•A trajetória seguida por uma satélite é denominada órbita. A seleção da órbita pode variar em termos de altitude (altura acima da superfície terrestre), sua orientação e rotação em relação ao planeta. Satélites que sempre imageam a mesma porção da Terra são denominados geoestacionários (sua velocidade angular é idêntica a do planeta) e se encontram a altitudes de aprox. 36000 km. Satélites de comuicação e de previsão do tempo possuem órbita do tipo geoestacionária.•A maioria das plataformas orbitais são projetadas para órbitas quasi-polares (inclinação da trajetória relativa a uma linha sul-norte), pois em conjunção com a rotação da Terra permite a cobertura do planeta sobre um certo período de tempo. Essas órbitas são geralmente heliossincrônicas, desta forma os sensores cobrem cada área ao redor do planeta a uma certa hora do dia - denominada hora local do sol (local sun time).

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•Heliossincrônicas: a trajetória dos satélites estão em sincronia com o movimento da Terra ao redor do Sol ao longo do ano. Observe que o plano formado pela órbita do satélite possue o mesmo ângulo em relação à posição do Sol.

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h – altura da órbita do satéliteb – semi-eixo menora – semi-eixo maiorApogeu – afastamento máximo da TerraPerigeu – afastamento mínimo da TerraF1 e F2 – focos da elípsee - excentricidade

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órbita geostacionária

órbita quasi-polar

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A maioria dos satélites estão em órbita quasi-polar. Portanto, quando o satélite dirige-se para o polo norte num lado da Terra, no outro lado vai para o polo sul. Essas órbitas são denominadas ascendente e descendente, respectivamente.

órbita quasi-polar

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A medida que o satélite orbita, de um polo ao outro, a Terra gira ao redor de sí mesma, dando o aparente movimento do satélite para oeste. Esse movimento relativo permite que o sensor cubra diferentes áreas a cada sucessiva trajetória. A combinação da rotação da Terra com o movimento do satélite permite que a cobertura do planeta possa ser feita.

órbita quasi-polar

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Os satélites em órbitas do tipo quasi-polar proverão maior número de imagens em áreas de altas latitudes

órbita quasi-polar

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Em 1966, a NASA (National Aeronautics and Space

Administration) lançou o satélite geoestacionário Applications Technology

Satellite (ATS-1) que passou a fornecer as imagens da

Terra a cada meia hora.Pela primeira vez, o desenvolvimento e

movimentos dos sistemas meteorológicos (frentes,

furacões, etc...) puderam ser monitorados pela

comunidade científica.


Imagem do ATS-1

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Os satélites da série GOES (Geostationary Operational

Environmental Satellite) é o sucessor a série ATS. Eles foram projetados pela

NASA para a National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA),

de forma a prover ao US National Weather Service imagens da Terra

para serem usadas pelos meteorologistas para monitoramento

e previsão do tempo. Esses satélites são parte do sistema

global de observações meteorológicas, cujos satélites encontram-se distantes

aproximadamente de 70° de longitude.


Imagem do GOES(Furacão Fran em setembro de 1996)

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órbita quasi-polar

Imagem SeaWiFS da região de quebra de plataforma das Ilhas Malvinas, mostrando alta concentração de cocolitoforideos

Imagem SeaWiFS

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