Кронберг П.
Дистанційне вивчення Землі: Основи і методи дистанційних досліджень в геології

Електромагнітне випромінювання, електромагнітний спектр, джерела випромінювання

Поширення енергії в просторі у вигляді хвиль або прямолінійного потоку світлових частинок-фотонів – називають електромагнітним випромінюваннямВідповідно до цього воно може бути описано або специфічними хвильовими параметрами – швидкістю поширення, довжиною хвилі і частотою, – або в поняттях корпускулярної теорії як потік світлових квантів чи фотонів, коли мова йде про світлове випромінювання. Двоїстість природи електромагнітного випромінювання стає очевидною на прикладі сонячного світла. Доказом його хвильової природи служить явище інтерференції; наприклад, загальновідомі райдужні інтерференційні картини на тонких плівках мильної бульбашки або розлитого по поверхні води масла. Корпускулярна природа світла проявляється в фотоелектронній емісії; наприклад, при попаданні світла на фотоелемент в ньому виникає електричний імпульс, який за величиною пропорційний кількості квантів світла, чи фотонів, які потрапили на нього. 

Характер всіх електромагнітних хвиль однаковий. Вони поширюються у вакуумі зі швидкістю світла і відрізняються один від одного своєю частотою, довжиною хвилі та енергією, займаючи відповідне положення в електромагнітному спектрі. Довжина хвилі X (фемтометри – кілометри) визначається відстанню між двома сусідніми точками хвильової фази, наприклад між двома найближчими мінімумами або максимумами коливання. Частота хвилі ν (герци) обернено пропорційна довжині хвилі і за визначенням дорівнює числу повних коливань в секунду. Загальний спектр електромагнітного випромінювання, що зустрічається в природі, охоплює хвилі довжиною від фемтометрів до кілометрів або десятків кілометрів. Він безперервний і ділиться на кілька груп випромінювання – зон або діапазонів. Межі між ними умовні. Для дистанційного зондування використовують такі групи випромінювання, або діапазони хвиль:

  • ультрафіолетовий – від 0,27 до 0,4 мкм; 
  • видимий, або світловий, – від 0,4 до 0,78 мкм; 
  • ближній, або фотографічний, інфрачервоний (ІК), – від 0,7 до 0,9 мкм; 
  • теплової інфрачервоний – від 3,5 до 5,0 мкм і від 8,0 до 14 мкм; 
  • мікрохвильової – від 0,3 до 10 см (рис. 1).
Спектр електромагнітної енергії (а), прозорість атмосфери (б) і використовувані в дистанційному зондуванні діапазони електромагнітних хвиль (в)
Рис.1. Спектр електромагнітної енергії (а), прозорість атмосфери (б) і використовувані в дистанційному зондуванні діапазони електромагнітних хвиль (в)

Аерокосмічні зйомки у видимому і ближньому ІЧ-діапазонах (0,4-0,9 мкм) проводять зазвичай трьома методами: фотографічним, телевізійним і сканерним. Методи оптико-механічного сканування в даний час є головними методами дистанційного зондування, і їх значення постійно зростає у зв'язку з необхідністю отримання інформації в тепловому діапазоні (0,9-14 мкм). Оптико-механічний сканер – радіометр, який вимірює амплітуду електромагнітного випромінювання, відбитого малими і великими елементами ландшафту на поверхні Землі або іншої планети, і формує кодовану за величиною і розгорнуту по рядках запис відзнятого сюжету. 

Фотографічні, телевізійні та сканерні способи аерокосмічних зйомок вважають пасивними, так як в них використовується природне відбите або вторинне теплове випромінювання об'єктів, обумовлене сонячною радіацією. Їм протиставляють радарні методи, які називають активними, так як вони працюють у мікрохвильовій області випромінювання, що створюється штучним джерелом направленої дії. 

У природі головне джерело електромагнітної енергії – Сонце. При температурі поверхні близько 6000 К воно випромінює величезну кількість енергії безперервного спектра – від ультрафіолетового до інфрачервоного діапазонів (рис. 2). Максимум сонячного випромінювання при довжині хвилі 0,47 мкм; в ультрафіолетовій частині його кількість різко зменшується, а в інфрачервоній реєструється у вигляді широкої і пологої кривої. Сонячна енергія, або сонячна радіація, що досягла поверхні Землі, проникнувши через її атмосферу, частково відбивається, а частково поглинається поверхнею планети і розташованими на ній об'єктами. Для дистанційного зондування дуже важливі відбивні і поглинаючі властивості різних матеріалів на поверхні планети і навіть одного і того ж матеріалу, але в різних станах: наприклад, здатність у вологому або сухому стані по-різному відображати і поглинати сонячну енергію.

Енергетичний спектр Сонця і смуги поглинання атмосфери Землі
Рис. 2. Енергетичний спектр Сонця і смуги поглинання атмосфери Землі (точки)

Днем поверхня Землі поглинає енергію сонячних променів, яка перетворюється речовиною або матеріалом освітлюваних об'єктів в тепло. Гірські породи, грунти і поверхневі води нагріваються і віддають тепло в так званому тепловому діапазоні інфрачервоного (ІЧ) випромінювання у вигляді емітерного (вторинного теплового) випромінювання. При цьому енергія і спектр емітерного випромінювання, його інтенсивність і широта діапазону залежать від температури випромінюючого тепло об'єкта. Іноді його називають температурним випромінюванням об'єктів. Для дистанційного зондування важливо те, що різні об'єкти на поверхні Землі нагріваються по-різному і по-різному віддають своє тепло, тобто мають різну емісію. Середня температура поверхні Землі близька до 290 К (17 ° С). Максимум її вторинного теплового випромінювання, графік якого має вигляд широкої і пологої кривої, що охоплює діапазон 3,0-15 мкм, доводиться на 9,7 мкм (рис. 3). У важливому для дистанційного зондування інтервалі температур від 275 до 325 К його положення істотно не змінюється, але потужність потоку вторинного теплового випромінювання значно менша потужності відбитого від поверхні Землі потоку енергії. Однак це теплове випромінювання з інтервалом довжин хвиль 3,0-15 мкм може бути зареєстровано сканерами (тепловими чи багатозональними), встановленими на борту носія – літака або супутника. Але так як через атмосферу проходить теплове випромінювання тільки двох вузьких діапазонів – так звані вікна пропускання емітерного потоку, то й тепловий сканер реєструє випромінювання також тільки в цих двох вузьких зонах спектру: 3,5-5 і 8-12 мкм (рис. 1). Реєстровані детекторами теплового сканера сигнали перетворюються ними в електричні імпульси, які в свою чергу можуть бути перетворені в так звані теплові, або температурні (інакше радіаційні), зображення, або знімки, місцевості. На них різні за температурою випромінювання об'єкти відображені різною щільністю тону – так званими ступенями сірого тону. Теплові зйомки проводять, як правило, вночі або рано вранці, до сходу сонця, так як температура об'єктів і відповідно кількість випромінюваної ними енергії сильно залежать від зовнішніх умов. Вночі нерівномірність денного нагрівання сонцем гірських порід, грунтів, поверхні водойм і рослинності зменшується, тому збільшується контраст температур самих об'єктів.

Спектральна щільність потоків енергії, що випромінюються Сонцем і Землею
Рис. 3. Спектральна щільність потоків енергії, що випромінюються Сонцем і Землею [336]. Максимум сонячної радіації при 0,5 мкм

Біля кожної смуги поглинання вказані поглинаючі гази [65].

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