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

Взаимодействие электромагнитного излучения с различными веществами и средами на поверхности Земли

Цвет пород или почв, зависящий от их минерального состава, и соответственно цвет их поверхностей определяют энергетический спектр отраженного и поглощенного потоков энергии, ширину диапазона идущего от объекта сигнала и его интенсивность.
Светлые породы или почвы, например, отражают свет сильнее темных. Влажность изменяет их отражательную способность, вероятно повышая долю диффузного отражения волн видимого диапазона, вследствие чего приемниками улавливается только незначительная часть отраженного потока энергии. Поэтому, например, пески после дождя кажутся на панхроматических снимках более темными, чем до дождя. Практически все увлажненные породы и почвы темнее сухих, а излучение ближней ИК-области практически полностью поглощается влажными почвами и породами.
Особое значение среди всех параметров, влияющих на соотношение между отраженным и поглощенным потоками энергии и на величину сигнала-импульса природного объекта, имеет ориентировка поверхности объекта по отношению к Солнцу и ее топографическое положение: она может оказаться в зоне прямой экспозиции или на затененном участке. При этом важнейшим оказывается время прямой солнечной экспозиции на ту площадку, для которой количественно установлены значение потока солнечной радиации и, следовательно, спектральный диапазон и интенсивность потока падающего излучения. Именно время экспозиции определяет в основном корреляционные связи между отражением и поглощением энергии.
Наконец, не менее важными оказываются внешние факторы влияния атмосферы на сигналы, идущие от расположенных на поверхности Земли объектов. Как уже упоминалось, освещенность местности зависит не только от прямой солнечной радиации, но и от рассеянного диффузного свечения неба. Полутеневые участки освещаются только рассеянным светом, поэтому однотипные объекты на освещенных и затененных участках имеют разные спектральные яркости. Это может привести к ложным определениям, особенно в тех случаях, когда волновые зависимости в спектральных характеристиках объектов выявлены недостаточно [31]. В первую очередь эта неоднозначность выявляется при классификации природных и естественных объектов по их спектральным характеристикам. Кроме всего прочего на интенсивность и широту диапазона регистрируемого сигнала влияют расстояние до поверхности объекта и ее наклон и ориентировка по отношению к направлению на приемник. Все тела с температурой выше абсолютного нуля излучают в пространство тепловую энергию. Мощность или интенсивность этого излучения зависит от температуры поверхности тела и излучательной способности его материала. На этом принципе основаны регистрация объектов при съемках в тепловом ИК-диапазоне (рис. 4) и их классификация. Разные объекты на поверхности Земли в течение дня по-разному нагреваются и по-разному отдают накопленное тепло в окружающее пространство. Это зависит от их вещественного состава, состояния поверхности и многих других свойств. В целом все же сильнее нагреваются те горные породы и прочие естественные среды и объекты, которые преимущественно поглощают солнечную энергию днем.

Рис. 4. Температуры поверхностей различных материалов в течение суток (доступно только при скачивании полной версии)

Какое количество энергии может аккумулировать та или иная среда на поверхности Земли и в течение дня и какое ее количество она сможет эмитировать (выделить в пространство), в значительной мере зависит от цвета, минерального состава, плотности, пористости, влажности горной породы или почвы, гладкости поверхности, степени вегетации растительного покрова на них и т. п. Для водоемов это определяется плотностью воды, ее соленостью, глубиной бассейна, наличием течений и растительности, а также количеством биомассы на единицу объема воды. Из этих специфичных для каждого объекта свойств складывается ряд констант или признаков, характерных для того или иного типа объектов: альбедо как отношение интенсивности падающего потока электромагнитного излучения к отраженному; коэффициент теплопроводности как мера того количества тепла, которое тело может выделить в пространство за единицу времени при определенной температуре; теплоемкость как мера накопления этого тепла в определенном объеме; коэффициент теплопроводности и тепловая инерция как мера времени, за которое материал объекта реагирует на изменение температуры.
Как правило, все эти данные получаются непосредственными измерениями на объектах и при необходимости интегрируются для корреляции с данными дистанционного зондирования. Некоторые из вышеназванных параметров могут быть получены расчетным путем, но только для наиболее простых сред, например сезонного льда. Обобщение этих данных – важнейших для дистанционного зондирования – приведено ниже в табл. 1а и 1б (разд. 3.2.2).
К независимым параметрам дистанционных съемок относят топографию местности, ориентировку отражающей поверхности по отношению к прямому солнечному излучению, время съемок, сезон и соответственно наличие или отсутствие растительности, а также плотность, мощность и увлажненность почвенно-растительного покрова. К зависимым от среды параметрам для съемок в ИК-диапазоне относят обычно состояние ее поверхности. Так, для горных пород и почв наиболее важна шероховатость. Грубо-текстурные поверхности (неровные, изрезанные, трещиноватые или пористые) имеют большую площадь, чем сглаженные поверхности плотных микрозернистых почв и горных пород, к тому же пористость и проницаемость грунтов и горных пород увеличивают коэффициент поглощения. Большие поверхности быстрее нагреваются днем и быстрее остывают ночью, поэтому на аэрокосмических изображениях песчаники, например, темнее, чем глины.
Цвет и спектральная яркость горных пород и почв определяются их минеральным составом. При этом светлые породы отражают, а темные поглощают большую часть попадающего на них потока солнечной энергии. Степень нагрева и быстрота остывания, кроме того, зависят от минерального состава и температурного коэффициента, а также от того, в какое время суток порода нагревалась солнечными лучами и на какую глубину успевала прогреться за день. Глубину прогрева определяет температурный коэффициент горной породы или почвы, им же соответственно определяется температурное ослабление, или снижение температуры с глубиной.
Схематическое представление о важнейших для дистанционного зондирования процессах отражения и поглощения солнечной энергии на поверхности Земли, а также о прохождении потока солнечной энергии к Земле через атмосферу в дневное и ночное время суток дано на рис. 5а и 5б.

Рис. 5а. Схема процессов отражения, рассеяния и поглощения солнечной энергии в атмосфере и на поверхности Земли. (доступно только при скачивании полной версии)

Рис. 5б. Схема распределения потоков излученной Солнцем энергии днем и ночью на поверхности Земли и в атмосфере [13]. (доступно только при скачивании полной версии)

Величина температурного ослабления в большой мере зависит от температурной или тепловой инерции почвы или горных пород. При высоких температурных коэффициентах большая часть поглощенной солнечной энергии, т.е. соответственно тепла, относительно быстро пройдет на ту или иную глубину внутрь слоя почвенно-растительного покрова или горной породы. Там она будет накапливаться и затем медленно излучаться после захода солнца. При малых температурных коэффициентах поверхность породы или почвы нагреется быстрее, но за день тепло пройдет только на незначительную глубину от ее поверхности, и поэтому они быстрее будут остывать ночью. Гюнтер [95] на примере показал разницу между гранитами и базальтами. Базальты поглощают большую часть попавшей на них солнечной энергии, и только малая доля ее проходит внутрь породы. Более светлые граниты днем отражают свет сильнее, чем базальты, но и прогреваются за день больше, обладая более высоким коэффициентом теплопроводности. Из этого следует, что ночью базальты остынут быстрее гранитов и будут иметь меньшую яркостную температуру, чем граниты, которые на тепловых изображениях будут выглядеть светлее.
Пористость, т.е. общий объем пор горной породы, оказывает влияние на ее температурные характеристики по многим причинам. Пористость увеличивает реакционную способность поверхности породы и, следовательно, способность породы к поглощению энергии электромагнитных волн и соответственно к отдаче ее после захода солнца. Заполненные воздухом поры действуют как теплоизоляция. Они понижают коэффициент теплопроводности породы. Поры же, заполненные водой, повышают температурную инерцию, что снижает коэффициент теплопроводности. Это объясняется тем, что вода сама по себе имеет коэффициент излучения, близкий к единице, и высокую теплоемкость. Поэтому температурные контрасты для переувлажненных горных пород и почв в течение дня более выровнены, чем у однотипных с ними сухих грунтов. Из этого следует, что большая влагонасыщенность грунтов способствует сильному поглощению ими солнечной энергии днем и сильному вторичному тепловому излучению ночью.
Из не связанных со свойствами объекта параметров выделим по значимости положение на местности отражающей поверхности объекта (горной породы, почвы, растительности покрова или зеркала водоема). Окружающий ландшафт и позиция в нем исследуемого объекта оказывают решающее влияние: на дневное изменение температуры поверхности объекта, называемое ходом температур, или температурным профилем; на соотношение между процессами отражения и поглощения солнечной энергии поверхностью и, следовательно, на выделение вторичного тепла в ночное время.
Количество аккумулируемой солнечной энергии зависит от времени суток и продолжительности прямой освещенности солнечными лучами поверхности объекта, т. е. суммарной величины прямого и диффузного на затененных участках освещения. Величина падающего (нисходящего) потока определяет соотношение процессов отражения и поглощения энергии на поверхности среды и, следовательно, количество аккумулированной и выделяемой в пространство энергии. Это обусловливает резкое различие температурного профиля – соотношения вторичного излучения однотипных объектов на освещенных и затененных участках местности. Таким образом, контрастность рельефа местности и положение в ландшафте определяют радиационную температуру объекта. Например, если снимать однотипные объекты в разных широтах на склонах северной и южной экспозиции, то их яркостные характеристики будут различаться очень существенно, что заставляет привлекать для их идентификации (на снимках тепловых съемок) материалы других видов дистанционного зондирования, как правило, визуализированные данные сканерных или мультиспектральных съемок.
К внешним факторам, влияющим на суточный ход температур, или температурный профиль объектов, относится растительный покров. Вид растительности, высота, мощность крон и густота растительного покрова определяют то количество солнечной радиации, которое достигает поверхности почвы или горной породы днем, и какое количество коротковолновой энергии может быть выделено ею ночью. Только на лишенных растительного покрова поверхностях горных пород и почв радиационная температура определяется их вещественным составом. Спектральные яркости и радиационные температуры на участках со скудной растительностью или же на участках, где покров растительности пятнистый, зависят как от отражения и поглощения растительным покровом, так и от этих же свойств субстрата. С увеличением мощности и плотности растительного покрова возрастает его влияние на спектральные характеристики геологических объектов. В большинстве случаев группы или сообщества растений на покрытых ими площадях образуют свой микроклимат, который искажает или даже полностью глушит сигнал субстрата. В любом случае растительность вносит искажения в частоту и силу сигнала.
Наконец, весьма сильное влияние на спектральные характеристики объектов в температурном ИК-диапазоне оказывают метеоусловия. Здесь существенны не только метеоусловия во время непосредственного проведения съемки, но и погода в течение предыдущих суток.
Рассмотрим сначала искажающее влияние погоды. Например, сильный ветер над районом проведения съемок или дождь в течение предыдущего дня могут выровнять и без того небольшие температурные контрасты горных пород, так как нормальное тепловое излучение от них нарушается конвекцией воздуха над поверхностью Земли и испарением влаги. Кроме того, существуют температурные различия в величине спектральных сигналов однотипных горных пород и почвенно-растительного покрова, находящихся на разных участках местности – открытых равнинных или сильно пересеченных, где возникает ветровая тень. Ветровую тень могут создавать и группы растительности, например отдельные рощи деревьев. Таким образом, разница в положении объекта на местности, открытой ветру, или на участке, защищенном от ветра рельефом или группой растительности, обусловливает различия в его температурном изображении и его спектральной характеристике. Но эти трудности, возникающие при интерпретации тепловых изображений (материалов тепловых съемок), могут быть разрешены в конечном итоге при учете метеоусловий ближайших суток, расчлененности и контрастности рельефа. Необходимо, кроме того, принимать во внимание и то, что скопление холодных масс воздуха в долинах может снижать интенсивность сигналов от горных пород и почв, а возникающие при этом движения холодных масс воздуха могут смазывать реальные границы объекта. Испарения почвенной влаги (роса) также сглаживают различия между объектами, близкими по спектральным характеристикам, и также искажают собственную величину их сигналов. Следовательно, при проведении тепловых съемок необходимо выбирать наиболее оптимальное для них время, чтобы свести к минимуму искажающие влияния контрастов местности, растительности, рельефа и почвенных испарений. Климатические данные – синоптические условия съемок – при планировании исследований можно не учитывать, так как они вводятся в ЭВМ непосредственно при обработке результатов тепловых ИК-съемок.
Процессы и их параметры, существующие на поверхности Земли, можно выразить уравнением теплового баланса – уравнением энтропии

Формула (доступно только при скачивании полной версии)

где Rn характеризует баланс излучения, т.е. излучение, идущее от Солнца и атмосферы к поверхности Земли, без отраженного и эмиттерного (вторичного теплового) потоков от нее; LE- скрытый, латентный, поток тепла, который расходуется на испарение растений и их дыхание, а также на образование росы; Н – теплообмен между поверхностью Земли и пограничным с ней слоем воздуха; G — тепловой поток, идущий с глубины через почву к ее поверхности. Днем тепловой баланс Rn содержит значительную выравнивающую контрасты компоненту и энергетические источники других процессов. Большая часть тепла днем расходуется на эвапотранспирацию (транспирация растений и испарение с поверхности почвы) и на разогрев воздуха. Только незначительная часть его (около 10-30%) идет на разогрев почв. Ночью энергетическое влияние растений и атмосферы существенно уменьшается. В это время направленный вверх тепловой поток можно рассматривать как тепловое излучение природных объектов на поверхности Земли и использовать его для дистанционного зондирования [245].
Эти важные для дистанционного изучения поверхности Земли процессы, соотношения между процессами отражения и поглощения на ее поверхности, а также процессы прохождения электромагнитных волн через атмосферу схематически показаны на рис. 5а. На рис. 5б схематически изображено течение потока солнечной радиации днем и ночью.

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