Відбивання, поглинання, пропускання електромагнітних хвиль

Випромінювання

Випромінювання, що йде від Сонця або штучного джерела у вигляді пучків або променів електромагнітних хвиль (потоку енергії), вступає у взаємодію з речовиною або середовищем на поверхні Землі. Одна частина цього падаючого потоку енергії відповідно до властивостей поверхні речовини або середовища або направлено відбивається, або розсіюється. Інша частина випромінювання проникає всередину середовища і в ній заломлюється чи відбивається на граничних поверхнях, тобто на поверхнях поділу речовин, що утворюють середовище. В тій чи іншій мірі електромагнітні хвилі взаємодіють з носіями зарядів у речовині (атомами або молекулами) і поглинаються ними (абсорбція). Розігрів речовини, що виникає в результаті такого поглинання, викликає випускання ним потоку вторинного теплового випромінювання – емісію. Врешті, можливе проникнення хвиль певної довжини всередину середовища на деяку глибину від поверхні, ніби її просвічування, – трансмісія або пропускання. 

Відповідно до закону збереження енергії загальна потужність відбитого, поглиненого, розсіяного і пропущеного потоків випромінювання повинна дорівнювати потужності спрямованого на поверхню середовища загального потоку електромагнітних хвиль (сумарного потоку), або (рис. 1):

У методичному посібнику-довіднику Кастена і Рашке [141] дано визначення і стислий опис процесів відбивання, розсіювання, поглинання, пропускання та вторинного випромінювання (емісії) електромагнітних хвиль і наведені найважливіші константи цих процесів. Автор вважає за необхідне не тільки використовувати ці короткі, але вичерпні дані, але і, в деяких випадках, процитувати цю роботу.

Відбивання

Відбиванням називають повернення електромагнітного випромінювання від поверхні середовища без зміни частоти монохроматичних хвиль. Розрізняють відбивання:

• спрямоване, або дзеркальне,
• дифузне, або розсіяне. 

Спрямоване відбивання – це відбивання без розсіювання, наприклад відбивання променя світла від дзеркала, яке може бути описане законами лінійної оптики. При повному дифузному відбиванні потужність або інтенсивність потоку відбитого випромінювання однакова у всіх напрямках, тобто індикатриса вектора потужності потоку рівновелика у всіх напрямках. 

Потужність потоку - величина випромінювання, що проходить через елементарну площадку.

Повне дифузне відбивання, рівновелике у всіх напрямках, визначається відповідно до закону Ламберта як відбивання від абсолютно однорідної матової поверхні, величина відбивання якої прийнята за одиницю. У природі зазвичай розсіяне і дзеркальне відбивання відбуваються одночасно. Таке відбивання прийнято називати змішаним або комбінованим [41]. 

Коефіцієнт відбивання, або відбивна здатність, визначається кількісним співвідношенням між відбитим (r) і спрямованим (i) потоками електромагнітних хвиль:

При комбінованому відбиванні сумарний потік (ρ) визначається як сума величин дзеркального (ρ_r) і дифузного (ρ_d) потоків відбитої енергії:

Для вимірювання відбивної здатності поверхонь використовується величина рефлектор Ламберта. Вона позначається індексом L обчислюється за формулою

Наприклад, цинкові білила і оксид магнію, нанесені на метал або іншу поверхню, розсіюють падаюче на них світло відповідно до закону Ламберта і тому здаються поблизу однаково світлими, з якої б сторони на них не дивитися. 

Більшість природних поверхонь не дає повного дифузного віддзеркалення. Потік відбитої від них енергії має, як правило, більшу або меншу дзеркальну компоненту [144]. При цьому величини падаючого (φ_i) і відбитого (φ_r) потоків випромінювання залежать від косинуса кута падіння потоку енергії на поверхню середовища. Природне співвідношення освітленості залежить ще й від положення поверхні відносно Сонця. На освітленість впливає не тільки зенітне стояння Сонця, а й азимут на нього від поверхні природного об'єкта. Стояння Сонця і азимут на нього визначають потужність світлового потоку і ширину спектру випромінювання, що падає на поверхню. У метеорології відображення прийнято вимірювати величиною альбедо, тобто віддзеркаленням вирівняних горизонтальних майданчиків, освітлених природним світлом. Інакше кажучи, альбедо – це співвідношення відбитого від поверхні потоку енергії до падаючого на неї потоку. Вимірювання альбедо аналогічно до вимірювань відбивної здатності будь-якої поверхні.

Розсіювання

Розсіювання це ослаблення спрямованого потоку випромінювання внаслідок відхилення напрямків його падіння, але без поглинання енергії падаючого випромінювання або переходу світлового потоку в інші форми енергії [141].

Коефіцієнтом поглинання, або абсорбції (α), називають відношення величини поглиненого потоку енергії до величини падаючого потоку [141]:

Пропускання та поглинання

Ослаблення потоку енергії при його проходженні через середовище в результаті розсіювання або поглинання світла називається екстинкція. У явищах пропускання або проходження потоку енергії через середовище також розрізняють спрямоване, розсіяне або дифузне і змішане пропускання (трансмісію), яке іноді називають комбінованим.

Коефіцієнт пропускання або поглинання енергії (τ) визначається відношенням між потоком випромінювання, що пройшов через середовище, тобто вийшов з нього, і потоком, падаючим на його поверхню:

При комбінованому пропусканні його величина визначається сумою величин дифузного і спрямованого потоків енергії, які пройшли через середовище, і виражається відповідно сумою дифузного і спрямованого коефіцієнтів пропускання:

Під чистим пропусканням розуміють відношення інтенсивності потоку випромінювання на поверхні середовища, через яку він проходить, до інтенсивності потоку випромінювання на поверхні, через яку він потрапляє всередину середовища, інакше кажучи, це – відношення величини енергії, що пройшла через шар або вередовище, до енергії падаючого потоку випромінювання. Таким чином, чисте пропускання (τ_it) позначає величину проникності середовища без втрат енергії хвилі на граничних площинах різних шарів середовища [141]. Чисте пропускання, або проникність, розраховують для шарів певної товщини (наприклад, для шару 1 см) і називають проникністю або прозорістю середовища.

Проходження хвилі через дві задані граничні поверхні описується так само, як відображення на двох площинах – граничних поверхнях поділу двох оптично різних середовищ. Кількісна характеристика проникності важлива, наприклад, для точних спостережень за прозорістю моря або іншої водної поверхні, що вивчається дистанційними методами. Величина спрямованого пропускання визначається за відношенням потужності паралельних променів проникаючого випромінювання до загальної величини потоку випромінювання, падаючого на середовищеу. Таке випромінювання утворює паралельні пучки хвиль тільки на плоских поверхнях. Нерівні поверхні водної гладі, наприклад моря, що хвилюється, навпаки, змінюють кути падіння пучків хвиль у потоці випромінювання [141].