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

Емісія електромагнітних хвиль. Абсолютно чорне тіло

Емісія виникає внаслідок поглинання речовиною падаючого потоку енергії. Нагрівшись в результаті цього тіло випромінює вторинне тепло.

Чорний випромінювач, чорне або абсолютно чорне тіло – це такий випромінювач теплового потоку енергії, який поглинає все падаюче на нього випромінювання незалежно від довжини його хвилі, напрямку падіння потоку енергії і поляризації хвиль. Його специфічне спектральне випромінювання (у напівпросторі) має для всіх довжин хвиль максимально можливе значення величини теплового випромінювання, яке описується законом Планка [141]. Воно має власну назву: «рівноважне теплове випромінювання, яке не залежить від природи речовини».

Закон Стефана-Больцмана виводиться з узагальнення закону Планка для всіх довжин хвиль. У ньому випромінювання чорного тіла розглядається як функція від температури:

M (T) = σT4,
де σ = 5,6 · 10-8 Вт/(м2 · К).

Як показано на рис. 3, максимум випромінювання зміщується з підвищенням температури в бік короткохвильового випромінювання (закон зміщення Віна).

Коефіцієнт емісії у напівпросторі ε теплового випромінювання будь-якого тіла визначається відповідно до закону Кірхгофа як відношення енергетичного спектру тіла (МE) до випромінювання абсолютно чорного тіла (МЕ=1):

ε = МE / МЕ=1.

Абсолютно чорне тіло при порівнянні з усіма іншими джерелами володіє максимумом енергії температурного випромінювання при тій же температурі джерела. Гірські породи, грунти, рослини, водойми, штучні і природні предмети та матеріали на поверхні Землі в першому наближенні можна розглядати як джерела вторинного теплового випромінювання, відповідні поняттю «сіре тіло». Вони поглинають тільки частину падаючого на них потоку енергії і відповідно віддають її менше, ніж абсолютно чорне тіло при такій же температурі. Але на коефіцієнт емісії або радіаційну (світлову) температуру тіла колір об'єкта не впливає, якщо максимум його температурного випромінювання знаходиться в інфрачервоній ділянці.

Для правильного використання можливостей обраного діапазону електромагнітного випромінювання при дистанційному зондуванні місцевості важливо враховувати те, що вид та інтенсивність взаємодії між потоком сонячної радіації (або штучного випромінювання) і середовищем, на яке він падає, залежать від довжини хвилі випромінювання і речовини середовища. Спектр випромінювання і атомний і молекулярний склад речовини на поверхні Землі визначають діапазони, в яких електромагнітні хвилі будуть відображатися, розсіюватися або поглинатися речовиною на поверхні Землі, а також здатність тіла випромінювати вторинне тепло.

Матеріали, що представляють інтерес для геологічного дистанційного вивчення – гірські породи, грунти, рослинність, водні поверхні і т. д. підкоряються раніше описаним закономірностям, і ширина спектру їх температурного випромінювання залежить від речовини. Більшість цих матеріалів має в області видимого, інфрачервоного і мікрохвильового випромінювання свій особливий, характеристичний спектр відбитого, поглиненого і вторинного теплового випромінювання. Вихідний від них потік енергії реєструється на борту носія приймачами і може бути оброблений в числовому або аналоговому вигляді, наприклад у вигляді кодованих телевізійних або фотографічних зображень, які можуть використовуватися в геології для вивчення і картування станів поверхні Землі. Спектральні сигнали природних об'єктів різняться в залежності від їх класу за інтенсивністю і шириною діапазону відбитого і температурного потоків випромінювання. Тому в якості характеристики об'єкта приймають енергетичну величину сигналу, що йде від нього, тобто щільність потужності енергетичного потоку. Вона реєструється спеціальними системами дистанційного зондування, може бути виміряна і систематизована за класами природних об'єктів. Таким чином, спектральні характеристики об'єктів є їх розпізнавальними ознаками при дистанційному зондуванні. Особливо важливе значення вони мають для числової обробки даних дистанційного зондування і автоматизації процесу дешифрування матеріалів аерокосмічних зйомок. 

При тематичних аерокосмічних зйомках природних об'єктів слід виходити з того, що потік енергії доцільно реєструвати тільки в тому діапазоні, який найбільш різко відокремлює досліджуваний об'єкт. Умови зйомки ідеальні тільки в тому випадку, якщо спектральне, просторове і радіометричне (теплове) розширення приймача узгоджуються зі спектральними характеристиками об'єктів, цікавлять дослідника. Наприклад, при проведенні аерокосмічного спектрометрування враховується те, що випромінювання, що реєструється на борту носія поряд зі спектральним сигналом або імпульсом самого об'єкта, розташованого на поверхні Землі, включає також частину потоку енергії, що йде від оточуючих його об'єктів, і атмосферні перешкоди, які в основному знижують інтенсивність сигналу, тобто розсіюють його. Розсіяне випромінювання, яке проявляється насамперед у короткохвильової частини спектру, може істотно змінити і спотворити величину спектрального імпульсу об'єкту на поверхні Землі. Але є й інші, більш невизначені і змінні чинники, що створюють перешкоди в прийомі сигналів, наприклад експозиція об'єкту і його положення серед оточуючих об'єктів ландшафту місцевості. Ступеня антропогенного і природного змін і т.п. розглянуті нижче, але перш за повернемося ще раз до загальним закономірностям взаємодії падаючого потоку енергії з поверхнею Землі і їх значенням для дистанційного зондування. наприклад експозиція об'єкта і його положення серед оточуючих його об'єктів ландшафту на знімається місцевості. Ступені антропогенних і природних змін і т.п. розглянуті нижче, але перш за повернемося ще раз до загальних закономірностей взаємодії падаючого потоку енергії з поверхнею Землі і їх значенням для дистанційного зондування.

Всі матеріали або середовища на поверхні Землі відбивають потік прямої сонячної радіації, що досягає її поверхні. Їх відбивна здатність визначається, як уже раніше згадувалося, молекулярною і атомною будовою речовини, властивостями поверхні середовища: її гладкістю або шорсткістю, структурністю або скульптурністю і орієнтуванням самої поверхні до напрямку падіння сонячних променів, тобто експозицією. Якщо потік сонячного випромінювання падає на рівну поверхню, то відображення дзеркально тільки тоді, коли нерівності поверхні менші довжини хвилі цуга хвиль. Збільшення шорсткості викликає дифузне відбивання. У цьому найпоширенішому в природі випадку потік електромагнітного випромінювання відбивається в багатьох напрямках, що не залежать від напрямку падіння променів потоку. При переході світлового випромінювання з оптичних чистих, прозорих середовищ в оптично щільні середовища, такі, як вода, гірські породи, грунти, рослинний покрив, відбивається тільки частина безперервно падаючого потоку сонячної радіації. Матеріали, які в залежності від довжини хвилі поглинають або відбивають залишок потоку сонячної радіації, здаються пофарбованими. Для дистанційного зондування важлива ширина інтервалу довжин хвиль видимого та ближнього інфрачервоного діапазонів, в якому гірські породи, грунти і т.д. найінтенсивніше відображають або поглинають потік сонячної енергії. Для отримання кількісних характеристик спектральних яскравостей природних об'єктів і вибору найбільш оптимальних для дистанційного зондування спектральних діапазонів були проведені насамперед більш ніж шестирічні великі лабораторні та польові виміри. З даних лабораторних спектрометричних вимірювань були отримані деякі найважливіші константи, але перенесення цих результатів на умови натурних зйомок виявилося досить проблематичним. Тому за допомогою спектрометрів були проведені вимірювання ряду спектральних яскравостей природних і штучних поверхонь у видимому і ближньому ІЧ діапазонах на тестових ділянках в природних умовах, де вимірювалося також температурне випромінювання. При цьому з'ясувалося, які параметри вторинного теплового випромінювання залежать, а які не залежать від властивостей природного або штучного об'єкта. Одночасно проводилися зйомки за допомогою мультиспектральних камер спочатку з літаків, а пізніше і зі супутників. Дані наземного і повітряного спектрометрування корелювали між собою. Були визначені передавальна функція атмосфери і її вплив на силу сигналу від об'єкту, а також встановлені великі варіації в параметрах відображення і поглинання сонячної енергії природними та антропогенними об'єктами різних типів. Крім того, було встановлено ряд параметрів, від яких залежить спектральна яскравість об'єкта, пов'язана з його складом. Серед них для природних об'єктів, що відносяться до класу гірських порід і грунтів, найбільш важливими є шорсткість поверхні об'єкта, його колір, пористість, тріщинуватість, ступінь цементації і ступінь звітрілості.

Найбільш важливими властивостями поверхні гірських порід і грунтів, що визначають їх спектральні ознаки, є:

  • вид нерівностей поверхні, їх розмір і форма;
  • скульптурність (текстура і структура гірської породи або грунту);
  • розмір, ступінь зв'язності і мінеральний склад частинок, що утворюють масу гірської породи.

Ці властивості впливають на спектри відбитого і поглиненого потоків енергії, бо знаходяться в кореляційної залежності з довжиною хвиль в падаючому потоці енергії. Але і з цих властивостей найбільший вплив на величину спектральної яскравості об'єкта надають мінеральний склад, ступінь цементації і величина кристалів або зерен гірської породи, її пористість і мікротріщинуватість. Так, невивітрілі, щільні і слабо тріщинуваті породи мають більш високий коефіцієнт спектральної яскравості, ніж тріщинуваті або слабосцементірованние породи того ж складу, в яких велика частина падаючого на них потоку сонячної радіації, поглинаючись порами і тріщинами, перетворюється в тепло і нагріває породу.

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