La Temperatura de la Superficie Terrestre (LST, por sus siglas en inglés) es uno de los productos de teledetección más demandados. A diferencia de la temperatura del aire, que se mide mediante estaciones meteorológicas, la LST muestra qué tan caliente está la superficie en sí: suelo, vegetación, agua, asfalto o edificios.

Hoy en día, los datos de temperatura de la superficie se utilizan en agricultura, ecología, estudios urbanos e investigación climática. Gracias a los datos de satélite abiertos, esta información está disponible de forma gratuita y sin necesidad de realizar mediciones de campo.

Diferentes tipos de superficies absorben y liberan el calor de manera diferente. El agua se calienta más lentamente que la tierra, la vegetación se enfría mediante la evaporación y las zonas urbanas con grandes cantidades de hormigón y asfalto a menudo forman las llamadas islas de calor.

¿Qué satélites miden la temperatura de la superficie?

Los satélites equipados con sensores infrarrojos térmicos se utilizan para determinar la temperatura de la superficie. Landsat 8 y Landsat 9 se encuentran entre las fuentes más populares. Proporcionan una resolución espacial de aproximadamente 100 metros para los canales térmicos y son adecuados para el análisis detallado de áreas individuales.

Portal de descarga de imágenes satelitales USGS EarthExplorer

Los datos MODIS de los satélites Terra y Aqua se utilizan ampliamente para el monitoreo global. Su ventaja es la actualización diaria de los datos, lo que permite realizar un seguimiento de los cambios de temperatura casi en tiempo real.

Otra fuente prometedora es la misión ECOSTRESS en la Estación Espacial Internacional. Proporciona datos de temperatura de la superficie de alta resolución y se utiliza para estudiar el estrés hídrico de las plantas y las islas de calor urbanas. Es importante señalar que el popular satélite Sentinel-2 no dispone de canales térmicos, por lo que es imposible realizar mediciones directas de la temperatura de la superficie a partir de sus datos.

Cómo los satélites determinan la temperatura

Cualquier objeto con una temperatura superior al cero absoluto emite energía infrarroja. Los sensores satelitales registran esta radiación térmica y la convierten en valores numéricos para cada píxel.

Sin embargo, lo que se mide no es la temperatura en sí, sino la intensidad de la radiación térmica. Para obtener la temperatura final, es necesario considerar las propiedades de la superficie, en particular su emisividad, es decir, su capacidad para emitir energía térmica.

Por ejemplo, el agua, el suelo, el hormigón y la vegetación tienen diferentes emisividades, por lo que objetos calentados de manera similar pueden aparecer de forma diferente en una imagen de satélite. Los algoritmos modernos de procesamiento de datos tienen en cuenta estas características y producen estimaciones bastante precisas de la temperatura de la superficie.

Esto da como resultado mapas donde cada píxel corresponde a un valor de temperatura específico.

Cómo obtener datos de temperatura de la superficie

Existen dos enfoques principales.

El primero es utilizar productos LST ya preparados. Muchas organizaciones ya realizan los cálculos necesarios y publican mapas de temperatura listos para usar. Por ejemplo, la NASA distribuye productos de Temperatura de la Superficie Terrestre de MODIS, y para Landsat están disponibles capas ya preparadas de Temperatura de la Superficie.

Si los productos ya preparados no son suficientes, la temperatura de la superficie se puede calcular de forma independiente utilizando los datos de la banda térmica del satélite Landsat con una calculadora ráster en cualquier programa SIG disponible, como QGIS o ArcGIS. Este enfoque permite obtener resultados para fechas, áreas y objetivos de investigación específicos.

En el método clásico, el cálculo se realiza en varias etapas. Primero, los valores digitales de los píxeles (DN) se convierten en radiación espectral.

Fórmula de cálculo de la radiación espectral

donde:

Lλ = radiación espectral TOA (Watts/(m2 * srad * μm))

ML = factor de reescalado multiplicativo específico de la banda a partir de los metadatos (RADIANCE_MULT_BAND_x, donde x es el número de la banda)

AL = factor de reescalado aditivo específico de la banda a partir de los metadatos (RADIANCE_ADD_BAND_x, donde x es el número de la banda)

Qcal  = valores de píxel del producto estándar cuantificados y calibrados (DN)

Luego se calcula la temperatura de brillo:

Fórmula de la temperatura de brillo

donde:

Lλ = radiación espectral TOA (Watts/(m2 * srad * μm))

K1 = constante de conversión térmica específica de la banda a partir de los metadatos (K1_CONSTANT_BAND_x, donde x es el número de la banda térmica)

K2 = constante de conversión térmica específica de la banda a partir de los metadatos (K2_CONSTANT_BAND_x, donde x es el número de la banda térmica)

En el paso final, se realiza una corrección de la emisividad de la superficie y se calcula la temperatura de la superficie (LST):

Fórmula de la Temperatura de la Superficie Terrestre

Donde:

ε = emisividad de la superficie;

λ = longitud de onda del canal térmico;

ρ = una constante física.

En la práctica, la mayoría de los usuarios rara vez realizan todos los cálculos manualmente. QGIS ofrece herramientas y complementos listos para esto:

Semi-Automatic Classification Plugin (SCP)

Uno de los complementos más populares para procesar datos de Landsat y Sentinel. Descarga datos automáticamente, realiza corrección atmosférica y calcula la temperatura de la superficie a partir de los datos de Landsat.

Adecuado para:

• calcular la LST;

• clasificar imágenes;

• calcular el NDVI y otros índices.

Google Earth Engine + QGIS

Para áreas extensas, a menudo se utiliza una combinación de Google Earth Engine y QGIS. Los cálculos de temperatura se realizan en la nube utilizando las colecciones Landsat Surface Temperature o MODIS LST, y los resultados se exportan a QGIS para su posterior análisis y visualización.

Para la mayoría de las tareas prácticas (islas de calor urbanas, análisis agrícola, monitoreo de sequías), ahora es más fácil utilizar productos terminados de Landsat Collection 2 Surface Temperature o MODIS LST en lugar de calcular la temperatura desde cero. Sin embargo, comprender los pasos básicos del cálculo ayuda a interpretar correctamente los resultados y evaluar su precisión.

Dónde se utiliza la temperatura de la superficie

Los mapas de temperatura se utilizan en muchas áreas.

In la agricultura, ayudan a identificar áreas con estrés hídrico y a evaluar la salud de los cultivos. Las temperaturas elevadas de la superficie a menudo indican estrés por falta de agua en las plantas y se pueden usar para tomar decisiones de riego.

En los estudios urbanos, los datos de LST ayudan a identificar islas de calor, áreas donde la temperatura es significativamente más alta que en los alrededores. Esto ayuda a planificar la forestación y el desarrollo de la infraestructura urbana. En la investigación ambiental, la temperatura de la superficie se utiliza para monitorizar sequías, la degradación de la tierra y los impactos del cambio climático.

Además, los datos de temperatura se utilizan en la detección de incendios forestales, el análisis de cuerpos de agua y las evaluaciones de la salud de los ecosistemas.

Ejemplo del Producto Científico de Temperatura de la Superficie de Landsat del Parque Nacional Yellowstone el 11 de septiembre de 2018. Fuente: USGS

Preguntas Frecuentes

¿En qué se diferencia la temperatura de la superficie de la temperatura del aire?

La temperatura de la superficie mide el calentamiento del suelo, la vegetación, el agua o las zonas urbanas, mientras que la temperatura del aire se mide a una altitud de aproximadamente 2 metros sobre el suelo.

¿Qué satélites se utilizan para determinar la temperatura de la superficie?

Los más comunes son Landsat 8/9, MODIS y ECOSTRESS, que están equipados con sensores infrarrojos térmicos.

¿Puedo obtener datos de temperatura de la superficie de forma gratuita?

Sí. Muchos datos satelitales y productos LST están disponibles de forma gratuita a través de catálogos abiertos y plataformas de análisis de datos.

Puntos Clave

La temperatura de la superficie se determina mediante la radiación infrarroja térmica registrada por los satélites.

Los datos de Landsat, MODIS y ECOSTRESS son los que más se utilizan para calcular la LST.

Los mapas de temperatura se utilizan en agricultura, estudios urbanos, ecología e investigación climática.