Отражательные, поглотительные и пропускающие свойства листвы

3.4.2. Отражательные, поглотительные и пропускающие свойства листвы

Спектральные характеристики растений определяются в основном способностью их листвы отражать, поглощать и пропускать солнечную энергию. Поверхность листа почти прозрачна для солнечного излучения в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Только пренебрежимо малая часть потока солнечной энергии отражается от поверхности листьев. Солнечные лучи проходят через кутикулу и эпидермис внутрь листа (рис. 32). Здесь в мякоти листа (мезофилле) внутри основной ее ткани – паренхимы – на границе клеток двух ее слоев: многослойной плотной паренхимы, содержащей хлорофилл (так называемой хлоренхимы), и губчатой паренхимы, содержащей вакуоли воздуха (так называемой аэренхимы), – происходит такое взаимодействие потока солнечной энергии с тканью листа, которое определяет отражательные и абсорбционные (поглощательные) свойства листа того или иного вида растений. Обогащенная хлоропластами (несущими окраску) многослойная паренхима состоит из одного или более слоев перпендикулярных к поверхности листа клеток-ячеек. Это собственно ассимилирующая ткань листа. К ней присоединяется (примыкает) губчатая паренхима, которая характеризуется неравномерными, бедными хлоропластами клетками неправильной формы и большими межклетниками (пространство между клетками), заполненными воздухом. Нижняя сторона листа ограничена эпидермисом, в котором рассеяны многочисленные раскрывающиеся устьичные щели, которые сообщаются с межклетниками мезофилла. Благодаря этим щелевидным клеткам-каналам осуществляются испарение растений, их дыхание и питание, т.е. поглощение кислорода и выделение углекислого газа при дыхании, и поглощение двуокиси углерода при питании.

Рис. 32. Отражательная, поглотительная и пропускающая способности живого листа для падающего потока излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазонов [4].

У листьев некоторых растений такие устьичные щели находятся и на верхней стороне листа. В общем листья разных растений различаются размерами, формой, свойствами своей поверхности и структурой мезофилла.
Отражение, поглощение и пропускание падающих солнечных лучей зависят от длины волны света. Определенная часть падающего потока излучения поглощается листом, другая отражается, а часть проходит сквозь него.
Рассмотрим типичный энергетический спектр здоровых зеленых листьев в диапазоне излучения 0,4-2,6 мкм (рис. 33). В интервале длин волн 0,4-0,7 мкм световой поток проходит в мезофилл листа и в содержащую пигмент хлоренхиму, в которой поглощается (рис. 32). Поглощение солнечных лучей длиной около 0,45 мкм дает необходимую для фотосинтеза энергию. В первую очередь процесс фотосинтеза обеспечивается хлорофиллом и другими пигментами, содержащимися в мезофилле. Хлорофилл составляет в высших растениях наряду с каротином и ксантофиллом большую часть пигмента листа (до 65%). Он концентрируется в верхней части мякоти листа в многослойной паренхиме. В расположенной ниже губчатой паренхиме его содержание незначительно. Хлорофиллом поглощаются солнечные лучи в основном голубой (0,4-0,48 мкм) и красной (0,6-0,7 мкм) частей спектра. Зеленые лучи, наоборот, отражаются. Это оптическое взаимодействие обусловливает зеленый цвет свежей здоровой листвы и небольшой максимум в энергетическом спектре (см. кривую отражения на рис. 33).

Рис. 33. Спектральная отражательная способность здоровых зеленых листьев и спектральная поглотительная способность воды [112].

В интервале длин волн 0,7-1,3 мкм большая часть потока солнечной энергии отражается от листа. В этом диапазоне отражение растениями наиболее сильно, величина его в зависимости от вида растительности составляет от 30 до 70% всей энергии падающего потока излучения [13]. В той части спектра, где кривая отражения имеет постоянно высокое положение, пигментарная система растения теряет свою способность поглощать фотоны. Поверхность листа и хлорофилл его мякоти прозрачны для инфракрасных лучей. В ближнем инфракрасном диапазоне отражательная способность листа определяется внутренней клеточной структурой его мягкой ткани. Важны число или количество, размер и форма клеток в мякоти листа, так как этими параметрами определяется число поверхностей и соответственно общая площадь, на которой совершаются процессы отражения и поглощения. При вхождении в мезофилл и при пропускании им инфракрасного излучения с длиной волны от 0,7 до 1,3 мкм стенки клеток мягкой ткани листа отражают и рассеивают поток излучения. Этот процесс совершается благодаря изменениям коэффициента преломления на мембранах, стенках клеток и фотоплазме (хлоропластах). Уже многослойная паренхима имеет огромную площадь клеточных стенок, на которых происходит внутреннее отражение и рассеянные лучи могут вновь отражаться и преломляться. Процесс многократного отражения, преломления и поглощения энергии светового луча намного сильнее в губчатой паренхиме (аэренхиме), где коэффициенты преломления у заполненных воздухом межклеточных промежутков (1,0) и у собственно клеток целлюлозы, содержащих воду (1,4), заметно различаются. Подчеркнем, что именно количество, точнее общая площадь, граничных поверхностей воздух-стенка клетки, а не объем воздушного межклеточного пространства является важнейшим параметром отражательной способности листа в ближнем инфракрасном диапазоне [143]. При этом многослойная паренхима влияет на внутреннее рассеяние инфракрасного излучения точно так же, как губчатая. Расположение воздушных межклетников не играет значительной роли, так как проникающее излучение после прохождения кутикулы, эпидермиса и хлоренхимы уже имеет диффузный характер. Многократно повторенные отражение и рассеяние света в мякоти листа являются причиной сильного отражения солнечного излучения в ближнем инфракрасном диапазоне.
В более длинноволновой части инфракрасного диапазона 1,3-2,5 мкм кривая спектрального отражения здоровой зеленой листвы снова снижается (рис. 33). В этой части спектра поток солнечной энергии поглощается содержащей воду мягкой тканью листа. Кривая имеет два характерных минимума-полосы поглощения около 1,45 и 1,96 мкм. Сравнение спектральных характеристик [112] здоровой зеленой листвы и воды показало, что полосы поглощения спектра листа и чистой воды совпадают. Графики спектров листьев в этом интервале длин волн конформны графикам слоя воды такой же толщины (см. рис. 41). Изучение зависимости между содержанием воды и спектральным отражением на примере листьев маиса (рис. 34), показало, что падающий поток энергии при незначительной влажности листьев (в первую очередь в среднем отраженном диапазоне инфракрасного излучения) отражается наиболее сильно [115].

Рис. 34. Спектральная отражательная способность листьев с различным содержанием воды (кукурузные листья) [115]: 1 – <40%; 2 – 40-54%; 3 – 54-66%; 4 – >66%.

Рис. 35. Спектральная отражательная способность сосны, дуба и березы (по Бакстрёму и Виландеру, см. [40].)

Выше рассмотренные закономерности распределения потока солнечной энергии в спектре растения проявляются как в отдельно взятом листе, так и в листве различных видов растений и спектральных характеристиках растительного покрова в целом. И для съемки, и для обработки спектральных данных дистанционного зондирования существенно то, что графики спектрального отражения отдельных типов растительности и различных растительных сообществ имеют свои особенности в определенном интервале длин волн как в положении пика спектра, так и в конфигурации кривой спектрального отражения (рис. 35). Эти характерные особенности спектрального отражения позволяют проводить дешифрирование разных видов растительности по данным дистанционного зондирования и в наиболее благоприятных случаях совместно с другими критериями (например, с текстурными особенностями изображения) отождествлять фотообразы растительности с тем или иным ее видом. Здесь, безусловно, необходимо напомнить, что составление карт землепользования, как правило, проводится на аэрофотоснимках крупного масштаба с высоким разрешением (предпочтительно на цветных инфракрасных спектрозональных фотоматериалах). Критериями для обработки в этом случае служат среди прочих кронообразование и высота произрастания разных видов растений.