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

Взаємодія електромагнітних хвиль з атмосферою

Атмосфера являє собою суміш газів, в якій зависли тверді і рідкі частинки речовини – від тонкого аерозолю до щільних хмар з усіма можливими проміжними стадіями [31]. 

При проходженні через атмосферу електромагнітні хвилі взаємодіють з частинками пилу, диму, кристалами льоду, краплями води і т. п., що містяться у ній. При цьому процеси розсіювання і поглинання енергії зменшують інтенсивність сонячної радіації на поверхні Землі і змінюють спектр випромінювання. Це стає очевидним, якщо порівняти спектри випромінювання, виміряні поза атмосферою і біля поверхні Землі (рис. 2). Поряд із загальним зменшенням інтенсивності випромінювання нижня крива на малюнку має ряд мінімумів – широких і вузьких смуг поглинання. Це смуги поглинання сонячної енергії атмосферних озоном, водяною парою, вуглекислим газом і киснем. Поглинання залежить від довжини хвилі випромінювання. Електромагнітні хвилі довжиною менше 0,27 мкм повністю поглинаються озоном. Вони не проходять крізь атмосферу і не можуть бути використані для дистанційного зондування поверхні Землі. Більш довгохвильове випромінювання (в оптичному діапазоні 0,4-5,5 мкм) проходить через атмосферу, і якщо розсіювання і поглинання енергії в ній не дуже великі, то випромінювання відбивається від поверхні Землі і може бути зареєстровано сенсорними системами (приймачами), на борту носія – літака або супутника. Атмосфера прозора для теплового випромінювання тільки в двох вузьких зонах (рис. 1). Тому для дистанційного зондування використовують тільки два інтервали довжин хвиль: 3,5-5,0 і 8-14 мкм, – так як тільки в них може бути зареєстрований сканером потік емітерної енергії. Все інше теплове випромінювання Землі поглинається водяною парою, озоном, вуглекислим газом і метаном. Хвилі інших довжин інфрачервоного діапазону не досягають апаратури, встановленої на борту літака або супутника і не можуть бути зареєстровані. У міру збільшення довжини хвилі випромінювання вплив атмосфери зменшується, і вона стає практично прозорою для хвиль мікрохвильового діапазону (рис. 1). Це єдино можливий діапазон дії радарних методів зондування, які працюють з хвилями сантиметрової і дециметровому довжини. 

Розсіювання електромагнітних хвиль в атмосфері, так само як і їх поглинання, залежить від довжини хвилі. Розсіювання світлового потоку відбувається внаслідок різноспрямованого відбиття променів маленькими або великими частками: молекулами газу і центрами концентрації аерозолів (пилом, твердими частинками диму), а також краплями води. Вид та інтенсивність розсіювання залежать від співвідношення між довжиною хвилі випромінювання і розміром відбиваючої частки. Так, молекулами газів розсіюється короткохвильова частина випромінювання (розсіювання Релея), а аерозолями, розміри частинок в яких близькі до довжини хвилі, розсіюється довгохвильова частина оптичного випромінювання (розсіювання Мі). 

Атмосферний розсіювання світла зменшує пряму сонячну радіацію і підвищує розсіяне, дифузне, випромінювання атмосфери. В принципі розсіювання короткохвильової частини спектру сильніше, ніж в довгохвильової. Особливо сильно воно у блакитній і ультрафіолетовій частинах спектру, тому небо має блакитний колір. Розсіювання світла в цій частині спектру іноді називають небесним світлом або блакитним серпанком. Освітленість поверхні Землі визначається сукупністю прямої сонячної радіації і дифузного випромінювання атмосфери. Розсіяне світіння атмосфери грає дуже велику роль в освітленні затінених ділянок на поверхні Землі, які на кольорових плівках і в природі набувають блакитного кольору – так званий серпанок, або вуаль. Практично у всіх частинах земної кулі спостерігається цей ефект молекулярного розсіювання світла, так само як в промислових районах – сірий серпанок аерозольного розсіювання. 

Інтенсивність розсіювання сонячного випромінювання так само, як інтенсивність його поглинання, зростає з довжиною шляху променя в атмосфері. Цим визначається освітленість поверхні Землі, яка залежить від положення Сонця відносно площини екватору і, в першу чергу, від висоти Сонця над горизонтом. Положення, або стояння, Сонця визначає спектр та інтенсивність потоку сонячної радіації, який відбивається і поглинається елементами ландшафту. Загалом під час проведення аерокосмічних зйомок краще велика висота Сонця – близько 60-80 ° над горизонтом; при ній створюються кращі умови освітленості ландшафту, відмінності в кольорі і яскравості окремих його елементів стають чіткішими, а тіньові контури рельєфу зменшуються до мінімуму. У деяких випадках, навпаки, низьке стояння над горизонтом створює кращі умови для проведення спеціальних, тематичних, зйомок. Так, наприклад, при зйомках рівнинних територій для картування тектонічних структур, коли рельєф підкреслює морфологію структури і є важливим критерієм, краще малі висоти стояння Сонця. Тому вибір оптимальних умов аерокосмічних зйомок в значній мірі залежить від конкретних топографічних умов району, цілей зйомки, її методів, вирішуваних завдань і самих об'єктів дослідження. 

Інтенсивність розсіювання сонячного світла в ближньому інфрачервоному діапазоні незначна. При нормальній, ясній, атмосфері розсіювання не має жодного значення. Слабка задимленість приповерхневого шару атмосфери, також мало впливає на випромінювання ближнього інфрачервоного діапазону, якщо розміри твердих частинок диму в цілому не більшеі 1 мкм. Туман і хмари, навпаки, дуже сильно розсіюють ІЧ-випромінювання в цьому інтервалі довжин хвиль (0,75-1,1 мкм), так як розміри водяних крапель мають розмір близько 4 мкм. 

Поряд з вищеописаними процесами селективного розсіювання в атмосфері електромагнітних хвиль певної довжини (або частоти) відбувається інше, більш повне розсіювання світла в диму, тумані і хмарах, якщо розмір часток на його шляху приблизно на порядок перевищує довжину світлової хвилі. Частинки таких розмірів однаково розсіюють електромагнітні хвилі будь-якої довжини, чому і здаються хмари білими, хоча краплі води в них забарвлення не мають. В цьому полягая відновідь на запитання чому хмари білі.

Для дистанційного зондування вищеописані процеси дуже важливі. З одного боку, ними визначається ширина та інтенсивність спектру сонячного або штучного електромагнітного випромінювання, що досягає поверхні Землі. З іншого боку, ними ж визначаються спектральні діапазони та інтенсивність потоків відбитого і емітерного (вторинного теплового) випромінювання, що реєструються бортовою апаратурою носія. Тому залежність проходження електромагнітних хвиль крізь атмосферу від їх частотного діапазону повинна враховуватися як при проведенні аерокосмічних зйомок, так і при обробці їх результатів. 

Молекулярне або аерозольнае (а частіше комбіноване) розсіювання сонячного світла в атмосфері призводить до дифузного, розсіяного, випромінювання в ній, що має також різні частотні характеристики і викликає її світіння. Це світіння атмосфери, або, як прийнято називати, серпанок, або вуаль, при аерокосмічних зйомках реєструється разом з «корисним» випромінюванням (висхідним від поверхні Землі потоком енергії, що несе корисну інформацію), і створює перешкоди в прийомі корисних сигналів бортовою апаратурою. Це призводить до викривлення сигналів від досліджуваних об'єктів, зменшення контрастності і яскравості зображення ландшафту, погіршення роздільної здатності. Іншими словами, перешкоди знижують технічні можливості знімальної апаратури. Щоб позбутися від перешкод, дифузне світіння атмосфери фільтрують, наприклад, за допомогою світлофільтрів або заздалегідь вибирають такі спектральні діапазони для зйомки, в яких ці перешкоди будуть мінімальні. Так, при аерокосмічних фотосесіях засвічення атмосферним серпанком, яке відбувається через сильне розсіювання хвиль в ультрафіолетовій і блакитній частинах спектру, зменшують поставленим перед об'єктивом фотокамери жовтим або помаранчевим світлофільтром. Вони поглинають ультрафіолетові та блакитні промені, пропускаючи світлові хвилі з довжиною більше 0,5 мкм – відповідно 0,5-0,9 і 0,53-0,9 мкм. При зйомці на кольорову плівку з цією ж метою ставлять димчастий світлофільтр, який ще більше поглинає блакитні промені. 

Вплив атмосферного розсіювання світла на якість одержуваних при дистанційному зондуванні зображень стає більш зрозумілим, якщо порівняти прийняті з супутника «Landsat» зображення одного ландшафту в чотирьох спектральних діапазонах (див. рис. 81). Якщо ці знімки покласти поруч, то відразу кидаються в очі їх відмінності в контрастності, чіткості і детальності відображення сюжету в різних спектральних каналах. Особливо велика ця різниця в якості і інформативності зображень для знімків, зроблених в каналі 4 і каналі 7 багатозонального сканера супутника «Landsat». Зображення каналу 4, зроблені в зеленій зоні спектру від 0,5 до 0,6 мкм, набагато гірші за контрастністю, чіткостю і детальністю опрацювання, інакше кажучи, «менш різкі», фніж знімки в каналі 7. Відзнятий в каналі 4 сюжет виявляється сильно завуальованим. Очевидно, що розсіювання світла в цій спектральній зоні настільки велике, що інтенсивність атмосферного розсіювання і потоку випромінювання, відбитого від поверхні Землі, близькі за величиною. Іншими словами, в цьому спектральному діапазоні корисний сигнал майже повністю гаситься імпульсом дифузного випромінювання. У каналі 7 сканер реєструє довгохвильову частину світлового випромінювання, включаючи і ближній ІЧ-діапазон (0,8-1,1 мкм), що майже не розсіюється в атмосфері. Тому на знімку цього спектрального каналу так ясно передається сюжет, вища чіткість і контрастність образів, тобто вища інформативність знімку. В принципі інформативність знімків в каналі 7 вища, ніж в інших каналах – 4, 5, 6. 

Вплив атмосферних перешкод великий для хвиль з довжиною менше 0,8 мкм і менший в ближньому ІЧ-діапазоні. Дійсно, зображення каналу 7 повинні виходити найчіткішими, бо в нормальній атмосфері хвилі цієї довжини майже не розсіюються і відбитий від об'єктів на поверхні Землі потік випромінювання в ближньому ІЧ-діапазоні майже без спотворень досягає бортових сенсорів. Це ж випромінювання практично без спотворень проходить через атмосферу слабо задимлених районів, в той час як інша, короткохвильова, частина світлового потоку розсіюється твердими частинками диму. Отже, для того щоб отримати високоякісні знімки таких районів, аерозйомку над ними треба проводити з інфрачервоною чорно-білою плівкою і темно-червоним світлофільтром. Зональні чорно-білі ІЧ-плівки спеціально сенсибілізовані для діапазону хвиль 0,75-0,9 мкм, а темно-червоний фільтр не пропускає світло з довжиною хвилі менше 0,7 мкм. Тому на плівках такого типу реєструється тільки корисний сигнал-індикатор об'єкта, тобто відбите від об'єкта випромінювання в діапазоні 0,7-0,9 мкм. Тільки спектральною вибірковістю знімальної техніки і пояснюється те, що якість зображень в ближньому ІЧ-діапазоні завжди вища (детальнішаі і контрастніша), ніж аналогічні кадри, зняті в тих же умовах, але на чорно-білу панхроматическую плівку через жовтий світлофільтр. 

У багатьох районах Землі, прихованих під постійним або тимчасовим суцільним або розрідженим хмарним покровом, дистанційне зондування Землі становить велику проблему. Хмари непрозорі – краплі води поглинають і розсіюють всі електромагнітні хвилі менші 3 мкм. В таких районах можуть бути застосовані тільки активні методи дистанційного зондування, засновані на мікрохвильовому випромінюванні. Йдеться про радарні системи бокового огляду (РБО)Одна або дві антени радару посилають монохроматичні хвилі довжиною 0,86-100 см поперек напрямку польоту літака відповідно в одну або дві сторони від напрямку польоту. На поширення хвиль з довжиною більше 2 см не впливають ні хмари, ні туман, ні дощ. Відбитий від поверхні Землі сигнал повертається і приймається антеною радару. За допомогою ЕОМ ці сигнали можуть бути перетворені в радіолокаційне зображення місцевості, яке відрізняється від звичайних аерофотознімків, але з великим ступенем точності передаютьє рельєф місцевості, бо довгохвильові імпульси радарних систем практично без спотворень проходять через атмосферу. 

Всі розглянуті вище приклади способів отримання даних в найважливіших для дистанційного зондування діапазонах довжин хвиль показують, як впливають на отримання спектральної характеристики об'єктів ландшафту процеси розсіювання і поглинання променів у атмосфері в залежності від довжини хвилі. Тому при плануванні аерокосмічних зйомок необхідно враховувати не тільки частку відбитого, поглиненого і емітерного потоків енергії, висхідних від поверхні Землі, а й процеси взаємодії електромагнітних хвиль з атмосферою. 

Таким чином, для отримання якісних результатів дистанційних зйомок необхідно брати до уваги багато чинників: стан атмосфери, висоту Сонця і азимут на нього під час польоту, а також технічні параметри апаратури (спектральні, радіометричні, частотні, температурні і просторове розширення). При необхідності кількісної оцінки результатів зйомки в ряді випадків проводять не тільки геометричну корекцію зображення, а й радіометричну корекцію приймача. Вона заснована, з одного боку, на теоретичних математичних моделях процесів поширення електромагнітних хвиль, а з іншого – на практичних вимірах спектральних характеристик під час польоту. Для корекції найважливіших параметрів вимірюють вміст водяної пари, концентрацію пилу і аерозолів, визначають розміри частинок, вимірюють температурний профіль, а також враховують дані про зміни погоди (опади, вітер) [30]. Більшість цих даних на практиці отримують з метеорологічних супутників і при спеціальних наземних і повітряних вимірах в районі зйомок.

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