Взаимодействие электромагнитного излучения с атмосферой

Излучение, регистрируемое приборами дистанционного зонди­рования, должно пройти через атмосферу Земли прежде, чем оно дос­тигнет спутника. Все компоненты атмосферы: атомы, молекулы, час­тицы и т.п.

Рассеяние происходит, когда аэрозольные частицы или газовые молекулы, которые присутствуют в атмосфере, взаимодействуют с распространяющимся излучением и вызывают его отклонение от пер­воначального пути, но длина волны остается при этом неизменной. Степень рассеяния излучения зависит от нескольких факторов. Наибо­лее важными из них являются: соотношение между длиной волны из­лучения и размером частицы, количество рассеивающих объектов на пути излучения и длина пути излучения через атмосферу. Мы можем разделить все процессы рассеяния на два различных типа, свойства которых рассматриваются ниже.

Релеевское рассеяние происходит, когда материальные частицы малы в сравнении с длиной волны излучения. Этот тип рассеяния обычно проявляется для излучения со сравнительно большой длиной волны. Рассеяние происходит на мелких аэрозольных частицах или, чаще, на флуктуациях молекул кислорода и азота, составляющих ат­мосферу. Релеевское рассеяние — доминирующий механизм рассеяния в верхних слоях атмосферы. Когда излучение проходит через атмосфе­ру, более короткие длины волн видимого диапазона спектра, которые воспринимается глазом как синие, рассеиваются сильнее, чем красные. Это обстоятельство обусловливает синий цвет дневного неба.

Рассеяние Ми встречается, когда материальные частицы имеют примерно тот же самый размер, как длина волны излучения.

Поглощение — другой основной механизм взаимодействия электромагнитного излучения с атмосферой. В отличие от рассеяния поглощение полностью обусловлено присутствием в атмосфере моле­кул, способных поглощать энергию в различных диапазонах спектра. В некоторых случаях поглощающие молекулы остаются практически неизменными после взаимодействия с излучением, но в других случа­ях молекулы меняются, теряя, например, часть своих атомов. Озон, кислород, углекислый газ и водяной пар — четыре компонента атмо­сферы, которые ответственны за поглощение излучения.

Рис. 3.4. Спектр пропускания атмосферы

На рис. 3.4 представлен спектр пропускания атмосферы в зави­симости от длины волны. Когда пропускание равно нулю, это означа­ет, что солнечное излучение с такой длиной волны не достигает по­верхности Земли, полностью поглощаясь в атмосфере.

Молекулы кислорода в верхних слоях атмосферы поглощают излучение в рентгеновской области спектра и коротковолновое (до 0,3 мкм) ультрафиолетовое излучение. Такое излучение является чрезвы­чайно вредным для жизни на планете, так как может воздействовать на клетки живых организмов, вызывая мутации и подобные нежелатель­ные явления. Молекулы кислорода в этом процессе распадаются на отдельные атомы кислорода. Этот процесс происходит в самых высо­ких слоях, которые при этом обогащаются активными атомами кисло­рода. В более низких слоях атмосферы, до которых жесткое коротко­волновое излучение доходит уже сильно ослабленным, отдельные атомы кислорода могут объединяться с молекулами кислорода и фор­мировать молекулы озона.

Озон поглощает излучение в средней части ультрафиолетовой области спектра, защищая нас от того вредного излучения, которое осталось не поглощенным молекулами кислорода в более высоких слоях атмосферы. После поглощения излучения молекула озона распа-

дается на атом кислорода и молекулу кислорода, но атом кислорода обычно повторно объединяется с другой молекулой кислорода, созда­вая при этом новую молекулу озона. Относительно недавно посредст­вом дистанционного зондирования были обнаружены резкие умень­шения концентрации озона (озоновые дыры). Поскольку озон погло­щает тоже достаточно вредную для живых существ часть электромаг­нитного излучения, уменьшение концентрации озона привлекло вни­мание общественности. Был создан ряд специальных датчиков дис­танционного зондирования для озоновых измерений и организовано постоянное наблюдение за изменениями концентрации атмосферного озона.

Углекислый газ часто упоминается как один из парниковых га­зов. Парниковые газы пропускают электромагнитное излучение в ви­димой области спектра, но интенсивно поглощают излучение в инфра­красной области, что, во-первых, приводит к некоторому повышению температуры атмосферы, а во-вторых, к возвращению части погло­щенного излучения обратно к поверхности Земли. Увеличение концен­трации углекислого газа рассматривается как возможная причина гло­бального потепления.

Водяной пар — атмосферный газ, который сильно поглощает излучение в инфракрасной области электромагнитного спектра (между 1 и 22 мкм). Наиболее высокая концентрация водяного пара наблюда­ется в нижних слоях атмосферы, причем эта концентрация сильно ме­няется от места к месту и от одного времени года к другому. Напри­мер, воздушная масса над пустыней содержит очень небольшое коли­чество водяного пара, в то время как в тропиках наблюдаются доста­точно высокие его концентрации.

Все упомянутые атмосферные газы поглощают электромагнит­ную энергию в определенных областях спектра, и это определяет, ка­кие части электромагнитного спектра мы можем использовать для це­лей дистанционного зондирования, а какие нет. Например, атмосфера почти непрозрачна к электромагнитному излучению в большей части инфракрасной области спектра. Те области, в которых поглощение не столь существенно, называются «окнами прозрачности». Большинство инструментов дистанционного зондирования измеряют излучение в одном или нескольких окнах прозрачности. Такие инструменты ориен­тированы на исследование подстилающей поверхности. Однако неко­торые приборы, особенно на метеорологических спутниках, измеряют поглощение газов, например озона. Такие приборы, наоборот, на­страиваются на такие длины волн, где поглощение изучаемых газов максимально.

3.3.