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

Спектральные характеристики вод в инфракрасном излучении

3.5.8. Спектральные характеристики вод в инфракрасном излучении

В длинноволновой части оптического излучения поглощение потока солнечной энергии водой относительно быстро увеличивается (рис. 52). Глубина проникновения солнечных лучей с увеличением длины волны излучения уменьшается. Уже в ближнем инфракрасном диапазоне чистые воды озер, рек и морей почти полностью поглощают световой поток, и поэтому поверхность водоемов на инфракрасных узкоканальных аэрофотоснимках в черно-белом варианте оказывается черной. На узкозональные черно-белые инфракрасные пленки съемку обычно ведут при красном светофильтре, чтобы отфильтровать коротковолновую часть излучения и зарегистрировать его в диапазоне 0,7-0,9 мкм. На узкозональных аэрокосмических снимках, особенно тех, которые сняты в строго ограниченном интервале длин волн только ближнего инфракрасного диапазона, например на изображениях в каналах 6 (0,7-0,8 мкм) и 7 (0,8-1,1 мкм), полученных с многозональных сканеров спутников «Лэндсат-1, -2 и -3», очень четко отделяются чистые или слабо замутненные воды озер, рек и прибрежных зон океанов (с черным цветом изображения) от более светлых, четко очерченных площадей, соответствующих участкам суши. Этот контраст изображения используется в картографии для уточнения конфигурации берегов рек, озер и морей, а также при съемках для определения размеров наводнений и паводков, слежения за ними и оценки возможных катастрофических последствий.

Рис. 52. Соотношение спектров поглощения чистых вод в инфракрасном диапазоне. (С разрешения издателя из [135].) (доступно только при скачивании полной версии)

Сильно мутные воды с большим количеством осадка могут отражать только инфракрасное излучение ближнего диапазона. При этом доля инфракрасного излучения в проникающем световом потоке настолько сильно уменьшается, что в сильно загрязненной минеральными (и неминеральными) примесями воде, вероятно, только верхний 5-см слой может формировать спектральный сигнал, как, например, на изображениях, полученных со спутников «Лэндсат» в каналах 6 и 7.
В тепловом инфракрасном диапазоне (8-14 мкм) поведение воды аналогично поведению абсолютно черного тела, которое поглощает всю энергию падающего на него потока излучения и выделяет ее в зависимости от собственной температуры. Здесь, в температурном диапазоне инфракрасного излучения, излучательная способность воды наиболее сильна. Отраженное, а также рассеянное излучение, как, например, свечение неба, формируют только коротковолновую (до 3,5 мкм) часть возвращенного от поверхности Земли потока энергии. Сканерные съемки или радиометрические измерения с самолетов и спутников регистрируют в интервале 8-14 мкм только эмиттерное излучение воды, интенсивность которого зависит от ее температуры. Эта связь между испускаемым излучением и температурой воды используется в дистанционном зондировании для определения температуры рек, озер, прибрежных и открытых вод океанов. При этом воды озер или морей ведут себя как серое тело, спектральная излучательная способность которого известна, так что измерения спектрального излучения в определенных интервалах длин волн можно использовать для коррекции данных о температуре поверхности участков акваторий, над которыми проводится съемка. Для того чтобы можно было представить результаты обработки таких тепловых сканерных съемок, синхронно со съемкой должны регистрироваться референц-данные, т. е. проводиться измерения калиброванного излучения. Кроме того, спектро- и радиометрические съемки могут сопровождаться синхронными подспутниковыми измерениями и калибровкой потока излучения с самолетов и судов. При обработке результатов измерений вторичного теплового излучения, полученных с помощью теплового сканера или радиометра, необходимо обратить внимание на то, что эти данные» относятся только к самому верхнему слою толщи воды, потому что глубина проникновения инфракрасного излучения в диапазоне 8-14 мкм ничтожно мала. Практически измеряется только температура поверхности воды. Этот самый верхний, тончайший слой воды прилегает к поверхности раздела (или граничной поверхности) вода-воздух и поэтому подвергается воздействию метеорологических условий. Они не всегда создают в нем одинаковую температуру. Температурные различия в этом тончайшем слое, радиационную температуру которого получают измерениями с судов, могут достигать значений 1-2 К, но обычно меньше, примерно 0,5-1,0 К. Это различие температур – результат многофакторного процесса обмена энергией, который происходит между пограничным слоем воды и прилежащим к нему атмосферным слоем. Теплообмен между ними осуществляется как конвекцией, так и излучением, а, кроме того, вследствие испарения происходит охлаждение этого пограничного слоя воды. Есть решение модели такого теплообмена между водой и воздухом [262]. Прилегающий к поверхности раздела вода - воздух температурный слой воды постоянно нарушается ламинарным и турбулентным движением воды и воздуха. Здесь скрыта потенциальная возможность использования тепловых сканерных съемок для понимания процессов движения и перемешивания в толще воды. Возможности применения тепловых съемок для сопоставления тематических карт прежде всего зависят от температурного разрешения аппаратуры. При съемках равнинных областей (для их картографирования) тепловые и многозональные сканеры регистрируют перепад температур в 0,1 К. Абсолютная точность радиометров составляет в настоящее время 0,5 К.
Излученный водой спектральный сигнал ослабляется (в том же тепловом диапазоне) взаимодействием потока излучения с атмосферой под влиянием атмосферной эмиссии (разд. 2.1). Это имеет особенное значение тогда, когда съемка или измерения в тепловом диапазоне проводятся со спутников. Здесь большую роль играет содержание паров воды в атмосфере. Одновременными измерениями вторичного теплового излучения в двух смежных каналах с приемом сигнала на общую антенну в окне прозрачности 10-13 мкм (например, со спутника NOAA 7 AVHRR) можно значительно улучшить атмосферную коррекцию.

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