Introducción

Naturalmente, la superficie de la tierra absorbe gran parte de la radiación solar incidente en forma de onda corta y pasa a emitir radiación de onda larga que actúa directamente sobre los gases de la atmósfera, con lo cual regula su temperatura, ya que cualquier factor que transforme o altere las propiedades de las coberturas superficiales afecta las características atmosféricas del planeta (^{Bastiaanssen et ál. 1998}; ^{King et ál. 2015}). Las diversas acciones antrópicas, entre otras, la agricultura y expansión urbana, vienen promoviendo mudanzas en el uso y ocupación del suelo y cambiando las características naturales de la superficie, con modificaciones en los procesos de absorción y emisión de radiación (^{Cammalleri et ál. 2012}; ^{Faria y Schvarsberg 2011}). Por lo anterior, es de extrema importancia conocer la magnitud de la radiación de onda larga emitida por una superficie, considerando que el proceso de calentamiento global ocurre porque gases como el metano y dióxido de carbono, principales causantes del efecto invernadero, absorben este tipo de energía y elevan la temperatura de la biosfera (^{Donohoe et ál. 2014}). Además, porque analizar su comportamiento ayuda a comprender los efectos en el clima, dadas las alteraciones ambientales causadas al suelo, en la búsqueda de alcanzar un desarrollo sostenible con la gestión y planeación racional de los recursos naturales y de minimizar los impactos causados con su uso. Por esto, la presente investigación estimó la radiación de onda larga emitida en la superficie de la cuenca hidrográfica del río Una, utilizando imágenes digitales Landsat 8, con el fin de analizar su comportamiento e inferir la influencia que podrían tener en las condiciones del clima por las modificaciones del entorno natural que traen las edificaciones urbanas.

El área de estudio es la cuenca hidrográfica del río Una, localizada en el municipio de Ibiúna del estado de São Paulo, en Brasil (figura 1). La cuenca, con una extensión de 96,46 km², en su cobertura superficial presenta suelo expuesto, pastos, bosque atlántico, arbustos, edificaciones urbanas y agricultura de ciclo largo y corto. Predomina la cobertura de bosque atlántico, dispuesto en relictos forestales distribuidos geográficamente en toda la extensión del territorio, que vienen siendo eliminados por las ocupaciones urbanas.

Datos: elaborado a partir de archivos del Instituto Brasileiro de Geografia y Estatística (IBGE).

Figura 1 Cuenca del río Una. 

Para los análisis se utilizaron cuatro imágenes digitales Landsat 8, obtenidas gratuitamente en el portal de la United States Geological Survey, escogidas para representar cada estación. Así, para primavera fue seleccionada la imagen del 23 de septiembre de 2015, para el verano la del 8 de febrero de 2014, para el otoño la del 18 de abril de 2016 y para invierno la del 24 de agosto de 2016, capturadas en similar horario y en condiciones meteorológicas de cielo claro. En el procesamiento digital de las imágenes se usó el software ArcGIS 10.3. La radiación de onda larga emitida en la cuenca fue estimada por medio de la ley de Stefan-Boltzmann, con la ecuación 1:

Donde R _L es la radiación de onda longa emitida por la superficie (Wm^-2); σ la constante de Stefan-Boltzmann, con un valor de 5,67 x 10^-8 Wm^-2K^-4; ε la emisividad superficial (adimensional); y T la temperatura superficial (K). La emisividad de las diferentes coberturas de la cuenca fue estimada mediante la ecuación empírica 2, donde LAI representa el Índice de Área Foliar (^{Allen et ál. 2011}; ^{Silva et ál. 2015}):

Esta ecuación se utilizó en áreas de la cuenca donde el índice de vegetación por diferencia normalizada -en adelante, NDVI-, junto al índice de área foliar -en adelante, LAI-, fueron, respectivamente, mayor que cero (NDVI > 0) y menor que tres (LAI < 3). Para zonas con LAI mayor o igual a tres (LAI ≥ 3), la emisividad se define con un valor escalar de 0,98, y para el NDVI menor que cero (NDVI < 0), se especifica en 0,985 (^{Allen et ál. 2011}; ^{Silva et ál. 2015}).

El NDVI es un indicador numérico que se define entre -1 y +1, donde los valores próximos a +1 y superiores a 0,4, aproximadamente, significan presencia de cobertura vegetal en la superficie, y los valores próximos y/o menores que cero (0) indican su ausencia (^{Chien et ál. 2016}; ^{Lanorte et ál. 2014}). Este índice, para las imágenes digitales de satélite Landsat 8, fue obtenido a partir de la razón entre la diferencia de reflectancia planetaria de la banda 5 con la banda 4 y la suma de las mismas reflectancias, según la ecuación 3 (^{Chien et ál. 2016}; ^{Rouse et ál. 1974}):

Donde ρ5 y ρ4 representan la reflectancia planetaria en la superficie de la atmósfera de las bandas 4 y 5, respectivamente, obtenidas con la ecuación 4 (USGS 2016):

Siendo la reflectancia planetaria en la superficie de la atmósfera (Wm^-2sr^-1); el número digital del pixel en cada una de las bandas 4 y 5 de las imágenes digitales; el ángulo de elevación solar (^o) en el momento de la captura de la imagen por el satélite, disponibles en los encabezados de las mismas.

Por su parte, el índice de área foliar (LAI) fue determinado con la ecuación empírica 5 (^{Bastiaanssen et ál. 1998}; ^{Silva et ál. 2015}):

Donde, SAVI -en adelante, SAVI- es el índice de vegetación ajustado al suelo que se calculó también a partir de las reflectancias planetarias de las bandas 5 y 4, de acuerdo con la ecuación 6 (^{Fu et ál. 2017}; ^{Huete 1988}):

Siendo L el factor de corrección para SAVI, que varía entre 0 y 1. Definido en esta investigación en 0 para área de mata y 1 para la urbana, siendo de 0,5 para el resto de coberturas (^{Huete 1988}; ^{Papadavid et ál. 2013}; ^{Pŏças et ál. 2013}).

La temperatura superficial de las diferentes coberturas de la cuenca fue calculada con la ecuación 7 (USGS 2016):

Donde T es la temperatura superficial (K) y λ la radiancia espectral en la superficie de la atmósfera de la banda 10 (Wm^-2sr^-1) -de la imagen digital de satélite Landsat 8-, que fue obtenida del portal del United States Geological Survey en números digitales (Q _cal ), pudiendo ser redimensionados a radiancia conforme la ecuación 8 (^{USGS 2016}):

Siendo Q _cal el número digital para cada pixel de la banda 10.

Después de calcular la radiación de onda larga emitida por la superficie de la cuenca, con la intención de analizar los efectos causados por la urbanización del entorno natural en su comportamiento, se compararon los valores mínimos, medios y máximos de las áreas de bosques con los de las edificaciones urbanas, para cada estación, por medio de gráficas y mapas temáticos. También los valores obtenidos fueron confrontados con la literatura referente de otras investigaciones a fines.

Resultados y discusión

La figura 2 muestra la cuenca a color real derivada de las imágenes Landsat 8 para cada fecha en la cual se estima la radiación de onda larga emitida por la superficie; caracterizada con la distribución espacial de las coberturas de bosque atlántico y edificaciones urbanas, que en el transcurso de las estaciones permanecieron constantes en su área superficial.

Datos: composición RGB 432 de las imágenes Landsat 8.

Figura 2 Imágenes a color natural de la cuenca con la distribución del área urbana y boscosa, en las estaciones climáticas. 

La cuenca presenta fuerte intervención antrópica con una ocupación desordenada del paisaje por los distintos usos dados al suelo que modifican las características ambientales originales de bosque atlántico. El área urbana es la zona con mayor alteración, pues fue removida la vegetación con la deforestación previa en el transcurso de los años, sin tener en consideración la conservación de especies nativas ni espacios verdes de uso común. En efecto, se alteraron completamente las propiedades típicas del ecosistema autóctono.

Los valores de NDVI que discriminan la cobertura vegetal en la cuenca del río Una, en las fechas establecidas, se presentan en la figura 3, donde se observan los bosques con altos valores de NDVI -en coloración verde oscuro-, y la zona de edificaciones urbanas al norte de la cuenca con NDVI negativos y/o próximos a cero, en color rojo.

Datos: calculado a partir de las bandas 5 e 4 de las imágenes Landsat 8.

Figura 3 NDVI de la cuenca y distribución de las áreas boscosas y urbanas, en las estaciones climáticas. 

La figura 4 muestra un comparativo de los valores mínimos, medios y máximos de NDVI obtenidos en los pixeles de los fragmentos de bosques y edificaciones urbanas en cada estación climática.

Figura 4 Comparativo de NDVI en las áreas de bosque con las de edificaciones urbanas. 

En la figura 4 se visualizan los fragmentos de bosque que presentan un NDVI medio elevado, superior a los 0,70, lo que significa alta densidad y vigor de la cobertura vegetal; y las edificaciones urbanas, con bajo NDVI, en promedio, inferior a 0,2, por la ausencia de vegetación.

El NDVI en el área de bosque atlántico varía ligeramente y, según la secuencia estacional, arroja un aumento en verano con respeto a la primavera, mientras que disminuye de otoño a invierno. Estas variaciones se corresponden con el estiaje invernal (valores mínimos de NDVI), época de menores precipitaciones y escasez de agua para la vegetación, y con el periodo de abundancia de agua, con lluvias intensas en el verano (valores máximos de NDVI), quedando el otoño y la primavera como estaciones de transición, con reducción y retorno de las precipitaciones, respectivamente (^{IPMet 2017}).

Es evidente la diminución del vigor vegetal, relacionada directamente con la disponibilidad del agua, que incide en el crecimiento y la supervivencia biológica de la vegetación, que viene sufriendo estrés hídrico y disminuye su proceso de fotosíntesis y, por consiguiente, baja la absorción de dióxido de carbono de la atmósfera. En las edificaciones, el NDVI promedio presenta poca modificación de época a época, por no tener vegetación representativa en su cobertura superficial ni ejercer el estrés hídrico como factor de influencia. En la figura 3 se pueden observar, además de los bosques y las edificaciones, diversas zonas con otras coberturas, que presentan variaciones de NDVI asociadas a su uso en las diferentes temporadas climáticas.

La figura 5 muestra la distribución espacial de la temperatura superficial en la cuenca en las distintas estaciones.

Datos: calculado a partir de las bandas 10 de las imágenes Landsat 8.

Figura 5 Temperatura superficial de la cuenca con la distribución de áreas boscosas y urbanas, en las estaciones climáticas. 

El invierno es la época con rangos inferiores de temperatura en la superficie de la cuenca, seguido del otoño, mientras que el verano y la primavera exhiben los rangos de temperaturas más altos. Las temperaturas superficiales de las edificaciones urbanas son superiores frente a las del bosque en todas las épocas. La figura 6 representa las variaciones de los valores mínimos, medios y máximos de la temperatura en estas dos coberturas.

Figura 6 Comparativo de los valores de temperatura superficial en las áreas de bosque con las de edificaciones urbanas. 

El área urbana, al estar conformada por calles, avenidas, edificios, casas y demás construcciones, constituidas con materiales como asfalto, concreto, vidrio, metales, tejas, entre otros, y por carecer de vegetación, presenta pocos o nulos procesos de evapotranspiración y fotosintéticos que consuman la energía solar incidente -como normalmente ocurre en las áreas fragmentadas de bosque, donde la energía es consumida en los procesos naturales para su supervivencia-, que queda en las edificaciones para ser absorbida como energía térmica, con la consecuente elevación de su temperatura.

Por lo anterior, la influencia de la vegetación en la regulación de la temperatura superficial es de gran importancia en el condicionamiento térmico apropiado de la cuenca, pero las construcciones antrópicas modifican los padrones espaciales y temporales de temperatura, lo que repercute en las condiciones ambientales naturales.

En otros estudios, donde también se determinó la temperatura superficial con imágenes Landsat 8 en otoño, ^{Moreira y Amorim (2016)} observaron al noroeste del estado de São Paulo, municipio de Penápolis, que las temperaturas más elevadas están asociadas con áreas de alta concentración de edificaciones, y las más bajas con aquellas donde hay mayor densidad de vegetación. Así, en la malla urbana y el sector industrial se encontraron variaciones térmicas de 28-30 ^oC, y para el sector residencial, junto con el comercial, se hallaron temperaturas de 24-25 ^oC. Por contraste, en zonas de bosque atlántico nativo y plantaciones de eucalipto, la variación térmica determinada fue de 21-22 ^oC. Variaciones de temperatura que corresponden con las obtenidas en la cuenca del río Una para la misma época.

Por su parte, ^{Coelho y Correa (2013)}, para la época de invierno y utilizando imágenes digitales Landsat 8, identificaron en el municipio de Victoria, estado de Espíritu Santo, al sudeste de Brasil, una superficie urbana con temperaturas superiores que la de los bosques. Registraron en las edificaciones urbanas temperaturas por encima de 30,6 ^oC, siendo predominantes de 23,1-29 ^oC, mientras que en los bosques las temperaturas fueron menores de 25,1 ^oC. Valores que entran en los rangos establecidos para la misma época en la cuenca del río Una.

Situados más distantes de la cuenca del río Una, con imagen Landsat 5 del mes de agosto, ^{Silva (2015)}, trabajando en la micro cuenca de río Granjeiro, municipio de Crato, estado de Ceará, determinó temperaturas de 26-30 ^oC en áreas urbanizadas con poca arborización y mucho suelo desnudo, mientras que las menores temperaturas estaban en la cobertura vegetal de bosque en la Floresta Nacional de Araripe, de 20-22 ^oC. Tendencia semejante a las temperaturas determinadas en la cuenca de estudio.

También para la época de invierno, pero en el municipio de Goiânia, estado de Goiás, insertada en el bioma de Cerrado de la región centro-este de Brasil, ^{Sousa y Júnior (2012)} observaron a partir de imagen Landsat 7 del 15 de agosto de 2002, en general, que las áreas de vegetación densa a media presentaron temperaturas de 23-30 ^oC, mientras las edificaciones urbanas registraron valores de 34-36 ^oC. Estos valores son superiores a los de la cuenca del río Una, para la cobertura tanto vegetal como urbana; sin embargo, el área urbana también tuvo temperaturas más altas que las naturales, a pesar de ser otro ecosistema con menos densidad vegetal.

En otro estudio, ^{Coelho, Correa y Nascimento (2013)}, en el municipio de Vila Velha, estado de Espíritu Santo, con imagen Landsat 5 del día 30 de julio de 2011, constataron que las áreas urbana e industrial, caracterizadas por alta densidad de construcciones, se destacaron por presentar temperaturas de 24,1-26 ^oC o de hasta 27^oC, como máximo; y para áreas verdes, como bosque de manglar, pastos, silvicultura y campos agrícolas, predominaron temperaturas de 22,1-24 ^oC. Concluyeron los investigadores que existe gran influencia de la cobertura vegetal en aminorar la temperatura superficial.

Respecto a la temperatura superficial de la cuenca del río Una, se estimó la correspondiente radiación de onda larga emitida por las coberturas en dirección a la atmósfera (figura 7).

Datos: calculado a partir de imágenes Landsat 8.

Figura 7 Radiación de onda larga emitida por la cuenca con la distribución de áreas boscosas y urbanas, en las estaciones climáticas. 

En la figura 6 se puede observar que los mayores rangos de emisiones se presentan en el verano, seguidos por los de primavera, siendo menores en el invierno y el otoño. La emisión es más alta en verano y primavera, pues son las estaciones con las máximas temperaturas superficiales, debido a que el incremento de la energía emitida por una superficie es directamente proporcional a su temperatura superficial, conforme establece la ley física de Stefan-Boltzmann (ecuación 1).

Las edificaciones urbanas presentan mayor radiación emitida con referencia a las áreas boscosas (figura 8), por ser las que absorben mayor temperatura de superficie en las diferentes épocas. En la figura 8 también se puede visualizar que el rango entre la mínima y la máxima emisividad de radiación es mayor en las edificaciones, por presentar alta heterogeneidad en su entorno producto de sus diversos materiales constituyentes y características físicas distintivas; al contrario, las áreas de bosque tienen atributos homogéneos, propios del ecosistema de bosque atlántico predominante, que define su emisión.

Figura 8 Comparativo de los valores de radiación de onda larga emitida en las áreas de bosque con la de edificaciones urbanas. 

Evidentemente, las áreas ocupadas con construcciones urbanas están causando aumento en la cantidad de radiación de onda larga emitida en la cuenca. Por no existir procesos fotosintéticos y de transpiración, a falta de vegetación, acaba transfiriendo la radiación solar incidente a la superficie en forma energía térmica (calor), provocando un aumento superior de la temperatura con respecto a las áreas de bosque, por lo que emite más radiación a la atmósfera (^{Bruno et ál. 2007}; ^{Liberato y Cardoso 2010}).

El comportamiento inducido por intervención humana podría influenciar las condiciones del clima, considerando que la energía emitida a la atmosfera en forma de radiación es absorbida por gases de efecto invernadero, como gas carbónico (CO₂), metano (CH₄) y ozono (O₃), lo que contribuye al calentamiento global con el aumento de la temperatura media del aire en el planeta (^{Al-Kayssi y Mustafa 2016}; ^{Donohoe et ál. 2014}; ^{Koua et ál. 2003}; ^{Richter y Caillol 2011}).

Así, las alteraciones por la ocupación del suelo en la cuenca del río Una están generando cambios en los valores de emisividad de energía, creando características físicas desfavorables que pueden impactar directamente el equilibrio climático. La urbanización, por tener temperaturas superiores, termodinámicamente concentra en su superficie más calor con respecto a los bosques y puede, por transferencia térmica con la radiación emitida, calentar los gases atmosféricos por encima de los límites naturales y colaborar con el calentamiento climático. Por ello es importante la presencia vegetal, para atenuar la temperatura, tanto de la superficie terrestre como del aire en la atmosfera.

Considerando todas las estaciones, la radiación emitida en la cuenca oscila en 372,3-512,8 Wm^-2 (mínima en el invierno y máxima en verano, respetivamente), rango dentro de los límites establecidos por ^{Allen et ál. (2002)}, de 200-700 Wm^-2, en el cual consideró la variabilidad espacial en el planeta dependiendo del tipo de superficie, la época y la localización.

Referente a otro estudio en São Paulo, ^{Santos et ál. (2013)}, con metodología similar, pero empleando imágenes digitales MODIS del satélite TERRA, en el municipio de Santa Rita de Passa Quatro, puntualmente para una área de caña de azúcar, estimó en 455,5-458,3 Wm^-2 la radiación emitida por la superficie en dos fechas de primavera, y en 443-453 Wm^-2 en invierno; en 456,8-461,6 Wm^-2 en otoño y en 464-477 Wm^-2 en verano, valores que están dentro del intervalo estimado para la cobertura de bosque y urbana en la cuenca del río Una, exceptuando la época de invierno, que está por debajo.

^{Liberato y Cardoso (2010)}, a partir de mediciones de radiación emitida con torre micrometeorológica durante el periodo de sequía y de lluvias, en la reserva biológica de Jaru, en el Amazonas, concluyeron que la modificación de cobertura vegetal de bosque a pastos aumenta la emisión de radiación de la superficie, y establecieron que en el área de pastos el almacenamiento de calor por biomasa es despreciable con respecto al del bosque, donde ocurre una importante retención de energía solar. Conclusión que concuerda con los resultados obtenidos en la cuenca del río Una.

Conclusiones

El estudio evidenció el importante papel de la vegetación en la transferencia de energía entre la superficie de la tierra y la atmósfera. Al relacionar las áreas de bosque con las edificaciones urbanas, se vio que la radiación emitida en la superficie presenta significativas diferencias que demuestran alteraciones ambientales en la cuenca hidrográfica del río Una. En esta, la ocupación urbana del suelo aumenta la temperatura superficial, con la consecuente emisión de radiaciones, que son superiores a las del ecosistema nativo. Se constata así que los bosques de una cuenca hidrográfica cumplen la importante función de regular la temperatura del aire y del suelo mediante la retención de calor y la absorción de gas carbónico, efectuada con la fotosíntesis. Por el contrario, las edificaciones urbanas alteran significativamente la transferencia de carbono y energía entre la superficie de la Tierra y la atmosfera. De este modo, la deforestación generada por la urbanización del suelo de la cuenca favorece el calentamiento global e impacta en el equilibrio climático. Estudios con el enfoque aquí desarrollado deben colaborar con sectores de gestión pública y/o privada para generar directrices de mitigación de ese impacto que incluyan acciones de manejo y conservación de los bosques de las cuencas hidrográficas y el establecimiento de espacios verdes en las zonas urbanas.