Suplemento 2.19: El Sensor Láser Fluorescente (3/5)

Medición del Espesor de Película de los Derrames de Petróleo

Muchas sustancias que están presentes en aguas limpias exhiben señales características cuando se irradian con luz láser. Una de estas sustancias es la Clorofila-a, que se encuentra en forma de pigmentos en pequeñas algas, las llamadas fitoplancton. Emite parte de la luz absorbida en forma de fluorescencia a una longitud de onda de 685 nm. Las proteínas unidas a bacterias y algas emiten fluorescencia en el ultravioleta. Las sustancias húmicas solubles en agua, que se producen al degradar las plantas en la tierra, son transportadas por el agua de los ríos al mar; también se producen en el mar degradando las algas. Las sustancias húmicas absorben la luz en los rayos ultravioleta y el azul, por lo que aparecen amarillentas a la luz del día y se denominan sustancias amarillas en las ciencias marinas. Su fluorescencia cubre todo el espectro visible.

Las moléculas de agua dispersan la luz. Además de la dispersión de Rayleigh, que causa el color azul de las aguas limpias a la luz del sol, también existe otro efecto llamado dispersión Raman. El efecto Raman se caracteriza por un cambio de emisión a longitudes de onda que son más altas que la longitud de onda de la luz que ilumina. Por lo tanto, la iluminación del agua con luz láser monocromática produce un espectro de emisión que muestra un pico característico de dispersión Raman, como se muestra en el gráfico siguiente.

Espectro de emisión de una muestra de agua del Mar del Norte iluminada con luz ultravioleta a una longitud de onda de 270 nm. El pico estrecho a 300 nm es la dispersión Raman de moléculas de agua. La fluorescencia de las sustancias en el agua es espectralmente mucho más amplia. A 340 nm, se puede observar la fluorescencia de proteínas unidas a algas y bacterias; a 685 nm, la fluorescencia del pigmento de algas Clorofila-a; y un espectro mucho más amplio con un máximo de alrededor de 450 nm, la fluorescencia de sustancias amarillas que están formadas por moléculas húmicas orgánicas disueltas.

Dependiendo de la concentración de algas y sustancias húmicas, estas señales se observan al iluminar la superficie del mar con luz láser utilizando un sensor láser fluorescente a bordo de un avión. Si hay petróleo en la superficie del agua y la película no es demasiado espesa, la intensidad de las señales del agua se reduce mediante la absorción parcial en la capa de aceite. Las señales se desvanecen si las películas de aceite son tan espesas que la luz láser se absorbe por completo en ellas.

Como se muestra en el gráfico de la izquierda, la dispersión Raman de agua produce un pico estrecho característico. Medir su altura permite calcular el espesor de la película de aceite en la superficie del agua. Debido a la alta absorbancia de la radiación ultravioleta en el aceite, se pueden analizar películas con un espesor micrométrico, como se muestra en el gráfico siguiente.

Dispersión Raman de agua purificada (es decir, no fluorescente) en ausencia de aceite (0 μm) tras la iluminación desde arriba con radiación láser que tiene una longitud de onda de 308 nm, como con láser fluorosensible sobre el mar. La intensidad Raman disminuye con el aumento de espesor de una película de aceite (expresada en μm) en la superficie del agua. Al mismo tiempo, aumenta la fluorescencia del petróleo. No se puede ver más señal Raman de agua con una película de aceite de 8 μm de espesor; esto prueba que la luz láser ya no penetra en la película de aceite.

Aprenderás más sobre las propiedades moleculares de la dispersión Raman en el suplemento 3 del módulo 7 del tutorial Teledetección Láser.

La teoría de las señales lidar de estructuras estratificadas, como películas de aceite en el agua, se da en el suplemento 1 del módulo 7 del tutorial Teledetección Láser.