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

Емиссия электромагнитных волн

Эмиссия возникает вследствие поглощения веществом падающего потока энергии. Нагревшееся в результате этого тело излучает вторичное тепло, т. е. обладает тепловым излучением.
Черный излучатель, черное или абсолютно черное тело – это такой излучатель теплового потока энергии, который поглощает все падающее на него излучение независимо от длины его волны, направления падения потока энергии и поляризации волн. Его специфическое спектральное излучение (в полупространстве) имеет для всех длин волн максимально возможное значение величины теплового излучения, которое описывается законом Планка [141]. Оно имеет собственное название: «равновесное тепловое излучение, не зависящее от природы вещества».
Закон Стефана-Больцмана выводится из обобщения закона Планка для всех длин волн. В нем излучение черного тела рассматривается как функция от температуры:

Формула (доступно только при скачивании полной версии)

Как показано на рис. 3, максимум излучения смещается с повышением температуры в сторону коротковолнового излучения (закон смещения Вина).
Коэффициент эмиссии в полупространстве е теплового излучения любого тела определяется в соответствии с законом Кирхгофа по отношению энергетического спектра тела (МE) к излучению абсолютно черного тела (МЕ=1):

Формула (доступно только при скачивании полной версии)

Абсолютно черное тело при сравнении со всеми другими источниками обладает максимумом энергии температурного излучения при той же температуре источника. Горные породы, почвы, растения, водоемы, искусственные и естественные предметы и материалы на поверхности Земли в первом приближении можно рассматривать как источники вторичного теплового излучения, соответствующие понятию «серое тело». Они поглощают только часть падающего на них потока энергии и соответственно отдают ее меньше, чем абсолютно черное тело при такой же температуре. Но на коэффициент эмиссии или радиационную (яркостную) температуру тела цвет объекта не влияет, если максимум его температурного излучения находится в инфракрасной области.
Для правильного использования возможностей выбранного диапазона электромагнитного излучения при дистанционном зондировании местности важно учитывать то, что вид и интенсивность взаимодействия между потоком солнечной радиации (или искусственного излучения) и средой, на которую он падает, зависят от длины волны излучения и вещества среды. Спектр излучения и атомный и молекулярный состав вещества на поверхности Земли определяют диапазоны, в которых электромагнитные волны будут отражаться, рассеиваться или поглощаться веществом на поверхности Земли, а также способность тела излучать вторичное тепло.
Представляющие интерес для геологического дистанционного изучения материалы – горные породы, почвы, растительность, водные поверхности и т. д. подчиняются ранее описанным закономерностям, и широта спектра их температурного излучения зависит от вещества. Большинство этих материалов имеет в области видимого, инфракрасного и микроволнового излучений свой особый, характеристический спектр отраженного, поглощенного и вторичного теплового излучения. Исходящий от них поток энергии регистрируется на борту носителя приемниками и может быть обработан в числовом или аналоговом виде, например в виде кодированного телевизионного или фотографического изображений, которые могут использоваться в геологии для изучения и картирования состояний поверхности Земли. Спектральные сигналы природных объектов различаются в зависимости от их класса по интенсивности и широте диапазона отраженного и температурного потоков излучения. Поэтому в качестве характеристики объекта принимают энергетическую величину идущего от него сигнала, т. е. плотность мощности энергетического потока. Она регистрируется специальными системами дистанционного зондирования, может быть измерена и систематизирована по классам природных объектов. Таким образом, спектральные характеристики объектов являются их опознавательным признаком при дистанционном зондировании. Особенно важное значение они имеют для числовой обработки данных дистанционного зондирования и автоматизации процесса дешифрирования материалов аэрокосмических съемок.
При тематических аэрокосмических съемках природных объектов следует исходить из того, что идущий поток энергии целесообразно регистрировать только в том диапазоне, который наиболее резко обособляет изучаемый объект. Условия съемки идеальны только в том случае, если спектральное, пространственное и радиометрическое (тепловое) разрешения приемника согласуются со спектральными характеристиками интересующих исследователя объектов. Например, при проведении аэрокосмического спектрометрирования учитывается то, что регистрируемое на борту носителя излучение наряду со спектральным сигналом или импульсом самого объекта, расположенного на поверхности Земли, включает также часть потока энергии, идущей от окружающих его объектов, и атмосферные помехи (см. выше), которые в основном снижают интенсивность сигнала, т.е. рассеивают его. Рассеянное излучение, которое проявляется прежде всего в коротковолновой части спектра, может существенно изменить и исказить величину спектрального импульса объекта на поверхности Земли. Но есть и другие, более неопределенные и изменяющиеся факторы, создающие помехи в приеме сигналов, например экспозиция объекта и его положение среди окружающих его объектов ландшафта на снимаемой местности. Степени антропогенного и природного изменений и т.п. рассмотрены ниже, но прежде вернемся еще раз к общим закономерностям взаимодействия падающего потока энергии с поверхностью Земли и их значению для дистанционного зондирования.
Все материалы или среды на поверхности Земли отражают поток прямой солнечной радиации, достигающей ее поверхности. Их отражательная способность определяется, как уже ранее упоминалось, молекулярным и атомным строением вещества, свойствами поверхности среды: ее выравненностью или шероховатостью, структурностью или скульптурностью и ориентировкой самой поверхности к направлению падения солнечных лучей, т. е. экспозицией. Если поток солнечного излучения падает на ровную поверхность, то отражение зеркально только тогда, когда неровности поверхности меньше длины волны цуга волн. Увеличение шероховатости вызывает диффузное отражение. В этом самом распространенном в природе случае поток электромагнитного излучения отражается во многих направлениях, которые не зависят от направления падения лучей потока. При переходе светового излучения из оптических чистых, прозрачных сред в оптически плотные среды, такие, как вода, горные породы, почвы, растительный покров, отражается только часть непрерывно падающего потока солнечной радиации. Материалы, которые в зависимости от длины волны поглощают или отражают остаток потока солнечной радиации, кажутся окрашенными. Для дистанционного зондирования важна ширина интервала длин волн видимого и ближнего ИК-диапазонов, в котором горные породы, почвы и т.д. наиболее интенсивно отражают или поглощают поток солнечной энергии. Для получения количественных характеристик спектральных яркостей природных объектов и выбора наиболее оптимальных для дистанционного зондирования спектральных диапазонов были проведены прежде всего более чем шестилетние обширные лабораторные и полевые измерения. Из данных лабораторных спектрометрических измерений были получены некоторые важнейшие константы, но перенесение этих результатов на условия натурных съемок оказалось достаточно проблематичным. Поэтому с помощью спектрометров были проведены измерения ряда спектральных яркостей естественных и искусственных поверхностей в видимом и ближнем ИК-диапазонах на тестовых участках в естественных природных условиях, где измерялось также температурное излучение. При этом выяснилось, какие параметры вторичного теплового излучения зависят, а какие не зависят от свойств природного или искусственного объекта. Одновременно проводились съемки с помощью мультиспектральных камер сначала с самолетов, а позднее и со спутников. Данные наземного и воздушного спектрометрирования коррелировались между собой. Были определены передаточная функция атмосферы и ее влияние на силу сигнала от объекта, а также установлены большие вариации в параметрах отражения и поглощения солнечной энергии природными и антропогенными объектами разных типов. Кроме того, был установлен ряд параметров, от которых зависит спектральная яркость объекта, связанная с его вещественным составом. Среди них для природных объектов, относимых к классу горных пород и почв, наиболее важными являются шероховатость поверхности объекта, его цвет, пористость, трещиноватость, степень цементации и степень выветрелости.
Наиболее важными свойствами поверхности горных пород и почв, определяющими их спектральные признаки, являются: вид неровностей поверхности, их размер и форма; скульптурность (текстура и структура горной породы или почвы); размер, степень связности и минеральный состав частиц, образующих массу горной породы. Эти свойства влияют на спектры отраженного и поглощенного потоков энергии, так как находятся в корреляционной зависимости с длиной волн в падающем потоке энергии. Но и из этих свойств наибольшее влияние на величину спектральной яркости объекта оказывают минеральный состав, степень цементации и величина кристаллов или зерен горной породы, ее пористость и микротрещиноватость. Так, невыветрелые, плотные и слабо трещиноватые породы имеют более высокий коэффициент спектральной яркости, чем трещиноватые или слабосцементированные породы того же состава, в которых большая часть падающего на них потока солнечной радиации, поглощаясь порами и трещинами, превращается в тепло и нагревает породу.

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