Кронберг П.
Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии

Электромагнитное излучение, электромагнитный спектр, источники излучения

2. Физические основы дистанционного зондирования

2.1. Электромагнитное излучение, электромагнитный спектр, источники излучения

Распространение энергии в пространстве в виде волн или прямолинейного потока световых частиц-фотонов – называют электромагнитным излучением. В соответствии с этим оно может быть описано или специфическими волновыми параметрами – скоростью распространения, длиной волны и частотой, – или в понятиях корпускулярной теории как поток световых квантов или фотонов, когда речь идет о световом излучении. Двойственность природы электромагнитного излучения становится очевидной на примере солнечного света. Доказательством его волновой природы служит явление интерференции; например, общеизвестны радужные интерференционные картины на тонких пленках мыльного пузыря или разлитого по поверхности воды масла. Корпускулярная природа света проявляется в фотоэлектронной эмиссии; например, при попадании света на фотоэлемент в нем возникает электрический импульс, который по величине пропорционален числу попавших на него квантов света, или фотонов.
Характер всех электромагнитных волн одинаков. Они распространяются в вакууме со скоростью света и отличаются друг от друга собственной частотой, длиной волны и энергией, занимая соответствующее положение в электромагнитном спектре. Длина волны X (фемтометры – километры) определяется расстоянием между двумя соседними точками волнового цуга, например между двумя ближайшими минимумами или максимумами колебания. Частота v (герцы) обратно пропорциональна длине волны и по определению равна числу полных колебаний в секунду. Общий спектр встречающегося в природе электромагнитного излучения охватывает волны длиной от фемтометров до километров или десятков километров. Он непрерывен и делится на несколько областей, или групп, излучения, иначе называемых зонами или диапазонами. Границы между ними условны. Для дистанционного зондирования используют следующие группы излучения, или диапазоны волн: ультрафиолетовый – от 0,27 до 0,4 мкм; видимый, или световой, – от 0,4 до 0,78 мкм; ближний, или фотографический, инфракрасный (ИК), – от 0,7 до 0,9 мкм; тепловой инфракрасный – от 3,5 до 5,0 мкм и от 8,0 до 14 мкм; микроволновой – от 0,3 до 10 см (рис. 1).

Параметры излучения важны и в повседневной жизни. Так для декоративного освещения сейчас активно используются светильники точечные. Обычно в них используются галогеновые или диодные лампы, которые экономят энергию и могут давать свет разных оттенков.

Рис. 1. Спектр электромагнитной энергии (а), прозрачность атмосферы (б) и используемые в дистанционном зондировании диапазоны электромагнитных волн (в). (доступно только при скачивании полной версии)

Аэрокосмические съемки в видимом и ближнем ИК-диапазонах (0,4-0,9 мкм) проводят обычно тремя методами: фотографическим, телевизионным и сканерным. Методы оптико-механического сканирования в настоящее время являются главными методами дистанционного зондирования, и их значение постоянно возрастает в связи с необходимостью получения информации в тепловом диапазоне (0,9-14 мкм). Оптико-механический сканер – радиометр, который измеряет амплитуду электромагнитного излучения, восходящего от малых и больших элементов ландшафта на поверхности Земли или другой планеты, и формирует кодированную по величине и развернутую по строкам запись отснятого сюжета.
Фотографические, телевизионные и сканерные способы аэрокосмических съемок считают пассивными, так как в них используется естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов, обусловленное солнечной радиацией. Им противопоставляют радарные методы, которые называют активными, так как они работают в микроволновой области излучения, создаваемого искусственным источником направленного действия.
В природе главный источник электромагнитной энергии-Солнце. При температуре поверхности около 6000 К оно излучает огромное количество энергии непрерывного спектра – от ультрафиолетового до инфракрасного диапазонов (рис. 2). Максимум солнечного излучения приходится на 0,47 мкм; в ультрафиолетовой части оно резко убывает, а в инфракрасной регистрируется в виде широкой и пологой кривой. Солнечная энергия, или солнечная радиация, достигшая поверхности Земли, проникнув через ее атмосферу, частично отражается, а частично поглощается поверхностью планеты и расположенными на ней объектами. Для дистанционного зондирования очень важны отражательные и поглощающие свойства разных материалов на поверхности планеты и даже одного и того же материала, но в разных состояниях: например, способность во влажном или сухом состоянии по-разному отражать и поглощать солнечную энергию.

Рис. 2. Энергетический спектр Солнца и полосы поглощения атмосферы Земли (точки). (доступно только при скачивании полной версии)

Днем поверхность Земли поглощает энергию солнечных лучей, которая преобразуется веществом или материалом освещаемых объектов в тепло. Горные породы, почвы и поверхностные воды нагреваются и отдают тепло в так называемом тепловом диапазоне инфракрасного (ИК) излучения в виде эмиттерного (вторичного теплового) излучения. При этом энергия и спектр эмиттерного излучения, его интенсивность и широта диапазона зависят от температуры излучающего тепло объекта. Иногда его называют температурным излучением объектов. Для дистанционного зондирования важно то, что разные объекты на поверхности Земли нагреваются по-разному и по-разному отдают свое тепло, т.е. имеют разную эмиссию. Средняя температура поверхности Земли близка к 290 К (17°С). Максимум ее вторичного теплового излучения, график которого имеет вид широкой и пологой кривой, охватывающей диапазон 3,0-15 мкм, приходится на 9,7 мкм (рис. 3). В представляющем интерес для дистанционного зондирования интервале температур от 275 до 325 К его положение существенно не меняется, но мощность потока вторичного теплового излучения значительно меньше мощности отраженного от поверхности Земли потока энергии. Однако это тепловое излучение с интервалом длин волн 3,0-15 мкм может быть зарегистрировано сканерами (тепловыми или многозональными), установленными на борту носителя – самолета или спутника. Но так как через атмосферу проходит тепловое излучение только двух узких диапазонов – так называемые окна пропускания эмиттерного потока, то и тепловой сканер регистрирует излучение также только в этих двух узких зонах спектра: 3,5-5 и 8-12 мкм (рис. 1). Регистрируемые детекторами теплового сканера сигналы преобразуются ими в электрические импульсы, которые в свою очередь могут быть преобразованы в так называемые тепловые, или температурные (иначе радиационные), изображения, или снимки, местности. На них разные по температуре излучения объекты отражены разной плотностью тона – так называемыми ступенями серого тона. Тепловые съемки проводят, как правило, ночью или рано утром, до восхода солнца, так как температура объектов и соответственно количество излучаемой ими энергии сильно зависят от внешних условий. Ночью неравномерность дневного нагрева солнцем горных пород, почв, поверхности водоемов и растительности уменьшается, поэтому увеличивается контраст температур самих объектов.

Рис. 3. Спектральная плотность потоков энергии, излучаемых Солнцем и Землей [336]. Максимум солнечной радиации при 0,5 мкм. (доступно только при скачивании полной версии)

Около каждой полосы поглощения указаны поглощающие газы [65].

Скачати повну версію книжки (з малюнками, картами, схемами і таблицями) одним файлом