O teorie a producției de entropie maximă și aplicarea acesteia la teledetecția cu microunde

Sursa: Wang, J., Cho, K., Negron‐Juarez, R. I., Colliander, A., Caravasi, E. C., & Revilla, N. S. (2024). A theory of maximum entropy production and its application to microwave remote sensing—Simultaneous retrieval of soil moisture and vegetation water content. Earth and Space Science, 11, e2023EA003119. https://doi.org/10.1029/2023EA003119 (Rezumat)

Articolul lui J. Wang și colaboratorii propune o nouă teorie a producției maxime de entropie, aplicată propagării undelor electromagnetice în materiale dielectrice, și o folosește pentru teledetecția cu microunde a umidității solului și a conținutului de apă al vegetației. Problema de plecare este una importantă pentru sateliții SMOS și SMAP: estimarea umidității solului devine dificilă în zonele acoperite de vegetație densă, deoarece apa din frunze, trunchiuri și coronament atenuează semnalul de microunde provenit de la sol. Autorii arată că aproximativ 30% din suprafața terestră este acoperită de păduri dense, pentru care produsele actuale SMAP/SMOS au incertitudini mari, mai ales când conținutul de apă al vegetației depășește 5 kg/m².

Noutatea teoretică a studiului constă în extinderea principiului MEP — maximum entropy production — la transferul radiativ în medii dielectrice. Autorii pornesc de la analogia cu legea lui Ohm și cu principiul disipării minime: un sistem aflat în neechilibru tinde să distribuie fluxurile de energie astfel încât să respecte conservarea energiei și să minimizeze o funcție de disipare. În acest cadru, radiația de microunde care trece prin vegetație și sol este împărțită în două componente: una provenită din coronament și alta provenită din sol. În loc să rezolve explicit ecuațiile Maxwell sau ecuațiile clasice de transfer radiativ, algoritmul MEP estimează direct două mărimi-cheie: emisivitatea solului și transmisivitatea coronamentului. Din acestea se obțin apoi simultan umiditatea solului și conținutul de apă al vegetației.

Pentru a formula algoritmul, autorii introduc doi parametri fizici noi: „difuzivitatea radiativă” și „inerția radiativă”. Aceștia sunt definiți prin analogie cu difuzivitatea și inerția termică, dar sunt calculați din proprietăți electromagnetice și termice ale apei lichide, solului uscat și vegetației uscate: constanta dielectrică complexă, adâncimea de penetrare a undei, densitatea și căldura specifică. Astfel, modelul încearcă să reducă dependența de parametri empirici, precum coeficientul folosit în relația dintre adâncimea optică a vegetației și conținutul de apă al vegetației. Această mutare este importantă deoarece algoritmii operaționali actuali depind de tabele și calibrări legate de tipul de acoperire a terenului, ceea ce poate introduce erori în păduri dense sau în regiuni slab validate.

Validarea este realizată ca analiză de tip „proof of concept”, folosind date SMAP de temperatură de strălucire în banda L, date auxiliare de temperatură a suprafeței și observații in situ ale umidității solului. Testele principale sunt făcute în păduri dense din Amazon, Missouri și New Hampshire, iar testele suplimentare la trei situri de validare SMAP cu vegetație mai redusă: Little Washita, TxSON și Little River. Pentru conținutul de apă al vegetației nu există măsurători directe la toate siturile, astfel că autorii compară rezultatele cu indicatori indirecți, precum EVI, și cu date auxiliare SMAP.

Rezultatele sunt promițătoare. În Amazon, produsul SMAP standard indică adesea umiditate a solului aproape saturată, în dezacord cu măsurătorile locale, în timp ce estimarea MEP este mult mai apropiată de observațiile de teren și surprinde chiar scăderea umidității din 2021 asociată unei secete legate de La Niña. Pentru Tambopata, eroarea absolută medie a MEP față de observații este 0,04, față de 0,30 pentru SMAP, iar în New Hampshire MEP obține de asemenea rezultate mai bune decât SMAP. La Missouri, rezultatele SMAP și MEP sunt mai apropiate între ele, dar MEP menține o corelație bună cu datele in situ. Tabelul statistic arată că algoritmul MEP produce rezultate competitive și în siturile cu vegetație redusă, cu corelații ridicate, între 0,74 și 0,91.

În privința conținutului de apă al vegetației, MEP estimează valori realiste pentru pădurile dense: aproximativ 12 kg/m² în Amazon și 10–11 kg/m² în pădurile temperate analizate. Algoritmul pare capabil să detecteze și variațiile sezoniere ale vegetației, mai ales în pădurile decidue, unde valorile MEP urmăresc mai bine dinamica EVI decât climatologiile statice folosite în unele date auxiliare. Autorii subliniază însă că validarea cantitativă completă a VWC va necesita măsurători directe de teren, încă indisponibile pentru aceste situri.

Concluzia principală este că teoria MEP oferă un cadru fizic nou pentru teledetecția cu microunde, capabil să recupereze simultan umiditatea solului și conținutul de apă al vegetației chiar și sub coronamente dense, acolo unde metodele SMAP/SMOS sunt limitate. Algoritmul are avantajul că folosește puține variabile de intrare — temperatura de strălucire și temperatura solului/coronamentului — și parametri fizici, nu empirici. Totuși, autorii admit că aplicarea operațională va necesita estimări mai precise ale densității, căldurii specifice și constantelor dielectrice ale solului și vegetației. În perspectivă, teoria nu este limitată la banda L, ci ar putea fi extinsă la alte frecvențe și la alte aplicații de teledetecție ale sistemului Pământului.