Электромагнитное излучение и его трансформации

Обычно источником электромагнитного излучения в дистанци­онном зондировании является Солнце или подстилающая поверхность (рис. 3.1). Излучение Солнца рассеивается и поглощается атмосферой Земли, а также отражается от земной поверхности и частично погло­щается ею.

Рис. 3.1. Трансформации электромагнитного излучения в дистанционном зондировании

В действительности происходящие процессы неизмеримо слож­нее. Во-первых, солнечное излучение рассеивается и поглощается ат­мосферой как на пути к земной поверхности, так и после взаимодейст­вия с интересующим нас объектом, находящимся на поверхности Зем­ли, на пути излучения от объекта до приемного устройства спутника. Во-вторых, рассеянное в атмосфере излучение (не взаимодействовав­шее с интересующим нас объектом) также собирается приемной сис­темой в случае, когда излучение рассеяно в направлении визирования спутника. Таким образом, мы имеем помехи двух видов — ослабление (поглощение и рассеяние) излучения, взаимодействовавшего с нашим объектом, в атмосфере и прием излучения, никак с объектом не взаи­модействовавшего.

Описанные проблемы целиком относятся лишь к дистанцион­ному зондированию в видимой области спектра. Вклад рассеяния в искажение излучения в инфракрасной области спектра незначителен, там основную роль играет поглощение. Кроме того, источником излу­чения в инфракрасной области спектра является земная поверхность и излучение искажается лишь на пути следования от поверхности до приемного устройства спутника.

длиной волны (2) и частотой (V). Связь между этими величинами оп­ределяется формулой

2 = с/ v,

где c — скорость света в вакууме.

Если известна одна из этих величин, другая может быть легко рассчитана. Чем короче длина волны, тем больше частота и наоборот, чем меньше частота, тем больше длина волны. Длины волн в диапазо­не, используемом для дистанционного зондирования, обычно измеря­ются в нанометрах (нм), в микрометрах (мкм) или в сантиметрах (см). Частота измеряется в герцах (Гц). Обычно, сравнительно короткие длины волн (меньше сантиметра) характеризуют длиной волны, а бо­лее длинные — частотой.

Электромагнитное излучение всех возможных длин волн приня­то называть электромагнитным спектром. В этом спектре выделяются следующие диапазоны (рис. 3.2): гамма-диапазон, рентгеновский, ультрофиолетовый, видимый, инфракрасный, радиодиапазон. Некото­рые из этих диапазонов в свою очередь подразделяются на поддиапа­зоны. Наш глаз может воспринимать очень малую часть электромаг­нитного излучения, которую принято называть видимым диапазоном электромагнитного спектра. Глаз может воспринимать различные дли­ны волн в пределах видимого диапазона, а также интенсивность (яр­кость) излучения в этом диапазоне. Это позволяет получать около 90 % всей информации, обрабатываемой мозгом человека. Большая часть электромагнитного спектра человеческим глазом не воспринимается, но иногда излучение, не видимое глазом, может ощущаться другими органами чувств человека. Например, инфракрасное излучение вос­принимается нашей кожей как тепло.

Приборы дистанционного зондирования (сенсоры) могут при­нимать излучение в существенно более широком диапазоне электро­магнитного спектра (рис. 3.2) и, таким образом, предоставлять колос­сальные объемы информации о состоянии окружающей среды.

Рис. 3.2. Спектральные диапазоны спутниковых сенсоров

Спектр излучения Солнца достаточно хорошо моделируется спектром излучения абсолютно черного тела при температуре около 5,780°K. Представление об этом спектре можно получить из рис. 3.3 (буквой В обозначен видимый диапазон электромагнитного спектра). Поверхность Земли излучает большую часть электромагнитной энер­гии в диапазоне длин волн от 3,0 до 1000 мкм и спектр этого излуче­ния приблизительно совпадает со спектром абсолютно черного тела при температуре 255°K (рис. 3.3).

В действительности соотношение энергий, обусловленных Солнцем и Землей, в спектре излучения, принимаемом спутниковыми приборами, отлично от изображенного на рис. 3.3. Это связано с раз­ными расстояниями от спутника до Земли и Солнца. Поэтому начиная с длин волн порядка 3-4 мкм излучение Земли приходится учитывать в принимаемом сигнале, а при больших длинах волн принимаемые сиг­налы пассивных спутниковых приборов в основном обусловливаются излучением поверхности Земли. Электромагнитное излучение с раз­ными длинами волн по-разному взаимодействует с атмосферой и с подстилающей поверхностью. Приборы, установленные на спутниках, принимают электромагнитное излучение в четырех диапазонах спек­тра — ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и микроволновом. Границы этих диапазонов представлены в табл. 3.3.

Рассмотрим кратко особенности этих диапазонов.

летовая часть спектра включает наиболее короткие длины волн, ис­пользуемые в дистанционном зондировании. Ультрафиолетовое излу­чение генерируется Солнцем, и оно было бы весьма опасно для живых существ, если бы большая часть его не поглощалась земной атмосфе­рой — кислородом и озоном. В ультрафиолетовом диапазоне спектра традиционно выделяют 3 поддиапазона (A, B и C): A — от 320 до 400 нм, B — от 295 до 320 нм и C — короче 295 нм.

Рис. 3.3. Излучение абсолютно черного тела при температуре 6000°K и 300°K

Большая часть ультрафиолетового излучения из поддиапазона A не поглощается ни кислородом, ни озоном атмосферы и достигает по­верхности Земли. Ультрафиолетовое излучение из поддиапазона B по­глощается озоном и то, какая его часть достигнет поверхности, зави­сит от содержания озона в атмосфере. И, наконец, ультрафиолетовое излучение из поддиапазона C поглощается и озоном, и кислородом атмосферы и поверхности Земли достигает очень малая часть излуче­ния из этого поддиапазона.

Свет, который может воспринимать наш глаз, принадлежит к видимой части электромагнитного спектра. В этой же части спектра (от 0,4 до 0,7 мкм) Солнце излучает максимальное количество энергии. Наиболее длинные волны из видимой части электромагнитного спек­тра воспринимаются как красный свет, а наиболее короткие — как

фиолетовый. То, что мы видим окружающие нас предметы окрашен­ными в разные цвета, определяется различными коэффициентами по­глощения и отражения для квантов различной длины волны. Особен­ности поглощения и рассеяния излучения в видимой части электро­магнитного спектра будут рассмотрены в следующем разделе.

Таблица 3.3

Диапазоны спектра

Следующий спектральный диапазон, представляющий интерес для дистанционного зондирования, называется инфракрасным (ИК) и простирается от 0,7 мкм до 1000 мкм.

Еще более длинноволновое излучение называется микроволно­вым и занимает диапазон от 0,1 см до 1 м. Излучение этого типа еще меньше рассеивается в атмосфере, и оно может даже проникать сквозь сравнительно мощную облачность, туман. Это позволяет исследовать поверхность Земли в любую погоду — днем и ночью. Так же, как для теплового ИК излучения, источником микроволнового излучения яв­ляются различные объекты на поверхности земли и моря, а также ат­мосфера.

3.2.2.