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

Відбивання, поглинання, пропускання електромагнітних хвиль

Випромінювання

Випромінювання, що йде від Сонця або штучного джерела у вигляді пучків або променів електромагнітних хвиль (потоку енергії), вступає у взаємодію з речовиною або середовищем на поверхні Землі. Одна частина цього падаючого потоку енергії відповідно до властивостей поверхні речовини або середовища або направлено відбивається, або розсіюється. Інша частина випромінювання проникає всередину середовища і в ній заломлюється чи відбивається на граничних поверхнях, тобто на поверхнях поділу речовин, що утворюють середовище. В тій чи іншій мірі електромагнітні хвилі взаємодіють з носіями зарядів у речовині (атомами або молекулами) і поглинаються ними (абсорбція). Розігрів речовини, що виникає в результаті такого поглинання, викликає випускання ним потоку вторинного теплового випромінювання – емісію. Врешті, можливе проникнення хвиль певної довжини всередину середовища на деяку глибину від поверхні, ніби її просвічування, – трансмісія або пропускання. 

Відповідно до закону збереження енергії загальна потужність відбитого, поглиненого, розсіяного і пропущеного потоків випромінювання повинна дорівнювати потужності спрямованого на поверхню середовища загального потоку електромагнітних хвиль (сумарного потоку), або (рис. 1):

φabs + φrefl + φscatt + φtrans = φi

У методичному посібнику-довіднику Кастена і Рашке [141] дано визначення і стислий опис процесів відбивання, розсіювання, поглинання, пропускання та вторинного випромінювання (емісії) електромагнітних хвиль і наведені найважливіші константи цих процесів. Автор вважає за необхідне не тільки використовувати ці короткі, але вичерпні дані, але і, в деяких випадках, процитувати цю роботу.

Відбивання

Відбиванням називають повернення електромагнітного випромінювання від поверхні середовища без зміни частоти монохроматичних хвиль. Розрізняють відбивання:

  • спрямоване, або дзеркальне,
  • дифузне, або розсіяне. 

Спрямоване відбивання – це відбивання без розсіювання, наприклад відбивання променя світла від дзеркала, яке може бути описане законами лінійної оптики. При повному дифузному відбиванні потужність або інтенсивність потоку відбитого випромінювання однакова у всіх напрямках, тобто індикатриса вектора потужності потоку рівновелика у всіх напрямках. 

Потужність потоку - величина випромінювання, що проходить через елементарну площадку.

Повне дифузне відбивання, рівновелике у всіх напрямках, визначається відповідно до закону Ламберта як відбивання від абсолютно однорідної матової поверхні, величина відбивання якої прийнята за одиницю. У природі зазвичай розсіяне і дзеркальне відбивання відбуваються одночасно. Таке відбивання прийнято називати змішаним або комбінованим [41]. 

Коефіцієнт відбивання, або відбивна здатність, визначається кількісним співвідношенням між відбитим (r) і спрямованим (i) потоками електромагнітних хвиль:

ρ = φr / φi

При комбінованому відбиванні сумарний потік (ρ) визначається як сума величин дзеркального (ρr) і дифузного (ρd) потоків відбитої енергії:

ρ = ρrρd

Для вимірювання відбивної здатності поверхонь використовується величина рефлектор Ламберта. Вона позначається індексом L обчислюється за формулою

ρL = φr / φrL

де φr  потужність потоку випромінювання на одиницю площі в півпросторі для виходить потоку,
а φrL  потужність потоку випромінювання, відбитого від повністю матової поверхні в тому ж півпросторі.

Наприклад, цинкові білила і оксид магнію, нанесені на метал або іншу поверхню, розсіюють падаюче на них світло відповідно до закону Ламберта і тому здаються поблизу однаково світлими, з якої б сторони на них не дивитися. 

Більшість природних поверхонь не дає повного дифузного віддзеркалення. Потік відбитої від них енергії має, як правило, більшу або меншу дзеркальну компоненту [144]. При цьому величини падаючого (φi) і відбитого (φr) потоків випромінювання залежать від косинуса кута падіння потоку енергії на поверхню середовища. Природне співвідношення освітленості залежить ще й від положення поверхні відносно Сонця. На освітленість впливає не тільки зенітне стояння Сонця, а й азимут на нього від поверхні природного об'єкта. Стояння Сонця і азимут на нього визначають потужність світлового потоку і ширину спектру випромінювання, що падає на поверхню. У метеорології відображення прийнято вимірювати величиною альбедо, тобто віддзеркаленням вирівняних горизонтальних майданчиків, освітлених природним світлом. Інакше кажучи, альбедо – це співвідношення відбитого від поверхні потоку енергії до падаючого на неї потоку. Вимірювання альбедо аналогічно до вимірювань відбивної здатності будь-якої поверхні.

Розсіювання

Розсіювання це ослаблення спрямованого потоку випромінювання внаслідок відхилення напрямків його падіння, але без поглинання енергії падаючого випромінювання або переходу світлового потоку в інші форми енергії [141].

Коефіцієнтом поглинання, або абсорбції (α), називають відношення величини поглиненого потоку енергії до величини падаючого потоку [141]:

α = φα / φi

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