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

Отражение, поглощение, пропускание электромагнитных волн

2.3. Взаимодействие электромагнитного излучения с различными веществами и средами на поверхности Земли

(Отражение, поглощение, пропускание, вторичное тепловое излучение электромагнитных волн веществами, излучательная способность разных веществ и сред, влияние физических параметров среды.)

Излучение, идущее от Солнца или искусственного источника в виде пучков или лучей электромагнитных волн (потока энергии), вступает во взаимодействие с веществом или средой на поверхности Земли. Одна часть этого падающего потока энергии в соответствии со свойствами поверхности вещества или среды или направленно отражается, или рассеивается. Другая часть излучения проникает внутрь среды и в ней преломляется или отражается на граничных поверхностях, т. е. на поверхностях раздела веществ, образующих среду. В той или иной мере электромагнитные волны взаимодействуют с носителями зарядов в веществе (атомами или молекулами) и поглощаются ими (абсорбция). Возникающий в результате такого поглощения разогрев вещества вызывает испускание им потока вторичного теплового излучения – эмиссию. Наконец, возможно проникновение волн определенной длины внутрь среды на некоторую глубину от поверхности, как бы ее просвечивание, – трансмиссия или пропускание.
В соответствии с законом сохранения энергии общая мощность отраженного, поглощенного, рассеянного и пропущенного потоков излучения должна быть равна мощности направленного на поверхность среды общего потока электромагнитных волн (суммарного потока), или (рис. 1):

Формула (доступно только при скачивании полной версии)

В методическом руководстве-справочнике Кастена и Рашке [141] даны определения и краткие описания процессов отражения, рассеяния, поглощения, пропускания и вторичного излучения (эмиссии) электромагнитных волн и приведены важнейшие константы этих процессов. Автор счел необходимым не только использовать эти краткие, но исчерпывающие данные, но и в некоторых случаях процитировать эту работу.

Отражением называют возвращение электромагнитного излучения от поверхности среды без изменения частоты монохроматических волн. Различают направленное, или зеркальное, отражение и диффузное, или рассеянное, отражение.
Направленное отражение – это отражение без рассеяния, например отражение луча света от зеркала, которое может быть описано законами линейной оптики. При полном диффузном отражении мощность или интенсивность потока отраженного излучения одинакова во всех направлениях, т. е. индикатриса вектора мощности потока равновелика во всех направлениях. (Мощность потока – величина излучения, проходящего через элементарную площадку.) Полное диффузное отражение, равновеликое во всех направлениях, определяется в соответствии с законом Ламберта как отражение от абсолютно однородной матовой поверхности, величина отражения которой принята за единицу. В природе обычно рассеянное и зеркальное отражения происходят одновременно. Такое отражение принято называть смешанным или комбинированным [41].
Коэффициент отражения, или отражательная способность, определяется количественным соотношением между отраженным (г) и падающим (г) потоками электромагнитных волн:

Формула (доступно только при скачивании полной версии)

При комбинированном отражении суммарный поток (р) определяется как сумма величин зеркального (р r) и диффузного (pd) потоков отраженной энергии:

Формула (доступно только при скачивании полной версии)

Для измерения отражательной способности поверхностей используется рефлектор Ламберта. Она обозначается индексом L вычисляется по формуле

Формула (доступно только при скачивании полной версии)

где фr – мощность потока излучения на единицу площади в полупространстве для выходящего потока, а ФrL – мощность потока излучения, отраженного от полностью матовой поверхности в том же полупространстве. Например, цинковые белила и окись магния, нанесенные на металл или другую поверхность, рассеивают падающий на них свет в соответствии с законом Ламберта и поэтому кажутся вблизи одинаково светлыми, с какого бы направления на них не смотреть.
Большинство естественных поверхностей не дает полного диффузного отражения. Поток отраженной от них энергии имеет, как правило, большую или меньшую зеркальную компоненту [144]. При этом величины падающего (фi) и отраженного (фr) потоков излучения зависят от косинуса угла падения потока энергии на поверхность среды. Естественное соотношение освещенностей зависит еще и от положения поверхности по отношению к Солнцу. На освещенность влияет не только зенитное стояние Солнца, но и азимут на него от поверхности природного объекта. Стояние Солнца и азимут на него определяют мощность светового потока и ширину спектра излучения, падающего на поверхность. В метеорологии отражение принято измерять величиной альбедо, т. е. отражением выровненных горизонтальных площадок, освещенных естественным светом. Иначе говоря, альбедо - это отношение отраженного от поверхности потока энергии к падающему на нее потоку. Измерение альбедо аналогично измерениям отражательной способности любой поверхности.

Рассеяние это ослабление направленного потока излучения вследствие отклонения направления его падения, но без поглощения энергии падающего излучения или перехода светового потока в другие формы энергии [141].

Коэффициентом поглощения, или абсорбции (а), называют отношение величины поглощенного потока энергии к величине падающего потока [141]:

Формула (доступно только при скачивании полной версии)

Ослабление потока энергии при прохождении его через среду в результате рассеяния или поглощения света называется экстинкцией. В явлениях пропускания или прохождения потока энергии через среду также различают направленное, рассеянное или диффузное и смешанное пропускание (трансмиссию), которое иногда называют комбинированным.
Коэффициент пропускания или поглощения энергии (т) определяется отношением между прошедшим через среду, т. е. вышедшим из нее, и падающим на ее поверхность потоками излучения:

Формула (доступно только при скачивании полной версии)

При комбинированном пропускании его величина определяется суммой величин диффузного и направленного потоков энергии, прошедших через среду, и выражается соответственно суммой диффузного и направленного коэффициентов пропускания:

Формула (доступно только при скачивании полной версии)

Под чистым пропусканием понимают отношение интенсивности потока излучения на поверхности среды, через которую он выходит, к интенсивности потока излучения на поверхности, через которую он попадает внутрь среды, иначе говоря, это – отношение величины энергии, прошедшей через слой или среду, к энергии падающего потока излучения. Таким образом, чистое пропускание (Tit) обозначает величину проницаемости среды без потерь энергии волны на граничных плоскостях разных слоев среды [141]. Чистое пропускание, или проницаемость, рассчитывают для слоев определенной толщины (например, для слоя 1 см) и называют проницаемостью или прозрачностью среды.
Прохождение волны через две заданные граничные поверхности описывается так же, как отражение на двух плоскостях – граничных поверхностях раздела двух оптически разных сред. Количественная характеристика проницаемости важна, например, для точных наблюдений за прозрачностью моря или другой водной поверхности, изучаемой дистанционными методами. Величина направленного пропускания определяется по отношению мощности параллельных лучей проникающего излучения к общей величине потока излучения, падающего на среду, Такое проходящее излучение образует параллельные пучки волн только на плоских поверхностях. Неровные поверхности водной глади, например волнующегося моря, напротив, изменяют углы падения пучков волн в потоке излучения [141].

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