Взаємодія електромагнітного випромінювання з різними речовинами і середовищами на поверхні Землі

Колір порід або ґрунтів, що залежить від їх мінерального складу, і відповідно колір їх поверхонь визначають енергетичний спектр відбитого і поглиненого потоків енергії, ширину діапазону сигналу, що йде від об'єкта і його інтенсивність. 

Світлі породи або грунти відбивають світло сильніше темних. Вологість змінює їх відбивну здатність, ймовірно підвищуючи частку дифузного віддзеркалення хвиль видимого діапазону, внаслідок чого приймачами вловлюється тільки незначна частина відбитого потоку енергії. Тому, наприклад, піски після дощу здаються на панхроматичних знімках темнішими, ніж перед дощем. Практично всі зволожені породи і грунти темніші сухих, а випромінювання ближнього ІЧ-діапозону практично повністю поглинається вологими ґрунтами і породами.

Особливе значення серед всіх параметрів, що впливають на співвідношення між відбитим і поглинутим потоками енергії і на величину сигналу-імпульсу природного об'єкта, має розташування поверхні об'єкту відносно Сонця і її топографічне положення: в зоні прямої експозиції або на затіненій ділянці. При цьому найважливішим виявляється час прямої сонячної експозиції на той майданчик, для якого кількісно встановлені значення потоку сонячної радіації і, отже, спектральний діапазон і інтенсивність потоку падаючого випромінювання. Саме час експозиції визначає в основному кореляційні зв'язки між відображенням і поглинанням енергії.

Нарешті, не менш важливими виявляються зовнішні фактори впливу атмосфери на сигнали, що йдуть від розташованих на поверхні Землі об'єктів. Як уже згадувалося, освітленість місцевості залежить не тільки від прямої сонячної радіації, а й від розсіяного дифузного світіння неба. Напівтіньові ділянки висвітлюються тільки розсіяним світлом, тому однотипні об'єкти на освітлених і затінених ділянках мають різні спектральні яскравості. Це може привести до помилкових визначень, особливо в тих випадках, коли хвильові залежності в спектральних характеристик об'єктів виявлені недостатньо [31]. В першу чергу ця неоднозначність виявляється при класифікації природних об'єктів за їх спектральними характеристиками. Крім усього іншого на інтенсивність і широту діапазону реєстрованого сигналу впливають відстань до поверхні об'єкта і її нахил до напрямку на приймач. Всі тіла з температурою вище абсолютного нуля випромінюють в простір теплову енергію. Потужність або інтенсивність цього випромінювання залежить від температури поверхні тіла і випромінювальної здатності матеріалу. На цьому принципі засновані реєстрація об'єктів при зйомках в тепловому ІЧ-діапазоні (рис. 4) і їх класифікація. Різні об'єкти на поверхні Землі протягом дня по-різному нагріваються і по-різному віддають накопичене тепло в навколишній простір. Це залежить від їх речового складу, стану поверхні і багатьох інших властивостей. В цілому все ж сильніше нагріваються ті гірські породи та інші природні середовища і об'єкти, які переважно поглинають сонячну енергію вдень.

Рис. 4. Температури поверхонь різних матеріалів протягом доби

Кількість енергії, яку може акумулювати те чи інше середовище на поверхні Землі і протягом дня, і кількість, яку вона зможе емітувати (виділити в простір), в значній мірі залежить від кольору, мінерального складу, щільності, пористості, вологості гірської породи або грунту, гладкості поверхні, ступеня вегетації рослинного покриву на них і т. п. Для водойм це визначається щільністю води, її солоністю, глибиною, наявністю течій і рослинності, а також кількістю біомаси на одиницю об'єму води. З цих специфічних для кожного об'єкта властивостей складається ряд констант або ознак, характерних для того чи іншого типу об'єктів:

• альбедо як відношення інтенсивності падаючого потоку електромагнітного випромінювання до відбитого;
• коефіцієнт теплопровідності як міра тієї кількості тепла, яку тіло може виділити в простір за одиницю часу при певній температурі;
• теплоємність як міра накопичення цього тепла в певному обсязі;
• коефіцієнт теплопровідності і теплова інерція як міра часу, за який матеріал об'єкта реагує на зміну температури.

Як правило, всі ці дані отримують безпосередніми вимірами на об'єктах і за необхідності інтегруються для кореляції з даними дистанційного зондування. Деякі з вищеназваних параметрів можуть бути отримані розрахунковим шляхом, але тільки для найбільш простих середовищ, наприклад сезонного льоду. Узагальнення цих даних – найважливіших для дистанційного зондування – наведено нижче в табл. 1а і 1б (розд. 3.2.2).

До незалежних параметрів дистанційних зйомок відносять топографію місцевості, орієнтацію відбиваючої поверхні відносно прямого сонячного випромінювання, час зйомок, сезон і відповідно наявність або відсутність рослинності, а також щільність, потужність і зволоженість грунтово-рослинного покриву. До залежних від середовища параметрів зйомок в ІЧ-діапазоні відносять зазвичай стан її поверхні. Так, для гірських порід і грунтів найбільш важлива шорсткість. Грубо-текстурні поверхні (нерівні, порізані, тріщинуваті або пористі) мають більшу площу, ніж згладжені поверхні щільних дрібнозернистих грунтів і гірських порід, до того ж пористість і проникність грунтів і гірських порід збільшують коефіцієнт поглинання. Більші поверхні швидше нагріваються вдень і швидше остигають вночі, тому на аерокосмічних зображеннях пісковики, наприклад, темніші, ніж глини.

Колір і спектральна яскравість гірських порід і грунтів визначаються їх мінеральним складом. При цьому світлі породи відбивають, а темні поглинають більшу частину потоку сонячної енергії, що потрапляє на них. Ступінь нагріву і швидкість охолодження, крім того, залежать від мінерального складу і температурного коефіцієнта, а також від того, в який час доби порода нагрівалася сонячними променями і на яку глибину встигала прогрітися за день. Глибину прогрівання визначає температурний коефіцієнт гірської породи або грунту, ним же визначається температурне ослаблення, або зниження температури з глибиною.

Схематичне уявлення про найважливіші для дистанційного зондування процеси відбивання і поглинання сонячної енергії на поверхні Землі, а також про проходження потоку сонячної енергії до Землі через атмосферу в денний і нічний час доби дано на рис. 5а і 5б.

Рис. 5а. Схема процесів відбивання, розсіювання і поглинання сонячної енергії в атмосфері і на поверхні Землі

Рис. 5б. Схема розподілу потоків випромінюваної Сонцем енергії вдень і вночі на поверхні Землі і в атмосфері [13]

Величина температурного ослаблення великою мірою залежить від температурної або теплової інерції грунту або гірських порід. При високих температурних коефіцієнтах велика частина поглиненої сонячної енергії, відносно швидко пройде на ту чи іншу глибину всередину шару грунтово-рослинного покриву або гірської породи. Там вона буде накопичуватися і потім повільно випромінюватися після заходу сонця. При малих температурних коефіцієнтах поверхня породи або грунту нагріється швидше, але за день тепло пройде тільки на незначну глибину від її поверхні, і тому вони швидше будуть остигати вночі. Гюнтер [95] на прикладі показав різницю між гранітами і базальтами. Базальти поглинають більшу частину потрапила на них сонячної енергії, і тільки мала частка її проходить всередину породи. Більш світлі граніти днем ​​відбивають світло сильніше, ніж базальти, але й прогріваються за день більше, маючи більш високий коефіцієнт теплопровідності. З цього випливає, що вночі базальти охолонуть швидше гранітів і матимуть меншу температуру яскравості, ніж граніти, які на теплових зображеннях будуть виглядати світлішими.

Пористість, тобто загальний обсяг пор гірської породи, впливає на її температурні характеристики з багатьох причин. Пористість збільшує реакційну здатність поверхні породи і, отже, здатність породи до поглинання енергії електромагнітних хвиль і відповідно до віддачі її після заходу сонця. Заповнені повітрям пори діють як теплоізоляція. Вони знижують коефіцієнт теплопровідності породи. Пори ж, заповнені водою, підвищують температурну інерцію, що знижує коефіцієнт теплопровідності. Це пояснюється тим, що вода сама по собі має коефіцієнт випромінювання, близький до одиниці, і високу теплоємність. Тому температурні контрасти для перезволожених гірських порід і грунтів протягом дня більш вирівняні, ніж у однотипних з ними сухих ґрунтів. З цього випливає, що велика вологонасичення грунтів сприяє сильному поглинанню ними сонячної енергії днем ​​і сильному вторинному тепловому випромінюванню вночі.

З не пов'язаних з властивостями об'єкта параметрів виділимо по значущості положення на місцевості відбиваючого об'єкта (гірської породи, грунту, рослинності покриву або дзеркала водоймища). Навколишній ландшафт і позиція в ньому досліджуваного об'єкта мають вирішальний вплив: на денну зміну температури поверхні об'єкта, так званий хід температур, або температурний профіль; на співвідношення між процесами відбивання і поглинання сонячної енергії поверхнею і, отже, на виділення вторинного тепла в нічний час.

Кількість накопиченої сонячної енергії залежить від часу доби і тривалості прямої освітленості сонячними променями поверхні об'єкта, тобто сумарної величини прямого і дифузного освітлення. Величина падаючого (низхідного) потоку визначає співвідношення процесів відбивання і поглинання енергії на поверхні середовища і, отже, кількість акумульованої і виділеної в простір енергії. Це зумовлює різку відмінність температурного профілю – співвідношення вторинного випромінювання однотипних об'єктів на освітлених і затінених ділянках місцевості. Таким чином, контрастність рельєфу місцевості і положення в ландшафті визначають радіаційну температуру об'єкта. Наприклад, якщо знімати однотипні об'єкти в різних широтах на схилах північної і південної експозиції, то їх характеристики яскравості будуть відрізнятися дуже суттєво, що змушує залучати для їх ідентифікації (на знімках теплових зйомок) матеріали інших видів дистанційного зондування, як правило, візуалізовані дані сканерна або мультиспектральних зйомок.

До зовнішніх факторів, що впливають на добовий хід температур, або температурний профіль об'єктів, належить рослинний покрив. Вид рослинності, висота, потужність крон і густота рослинного покриву визначають ту кількість сонячної радіації, що досягає поверхні грунту або гірської породи днем, і яка кількість короткохвильової енергії може бути виділена нею вночі. Тільки на позбавлених рослинного покриву поверхнях гірських порід і грунтів радіаційна температура визначається їх речовим складом. Спектральні яскравості і радіаційні температури на ділянках з мізерною рослинністю або ж на ділянках, де покрив рослинності плямистий, залежать як від відбивання і поглинання рослинним покривом, так і від цих же властивостей субстрату. Зі збільшенням потужності і щільності рослинного покриву зростає його вплив на спектральні характеристики геологічних об'єктів. У більшості випадків групи або спільноти рослин на покритих ними площах утворюють свій мікроклімат, який спотворює або навіть повністю глушить сигнал субстрату. У будь-якому випадку рослинність вносить спотворення в частоту і силу сигналу.

Нарешті, вельми сильний вплив на спектральні характеристики об'єктів в температурному ІЧ-діапазоні чинять метеоумови. Тут істотні не тільки метеоумови під час безпосереднього проведення зйомки, а й погода протягом попередньої доби.

Розглянемо спочатку спотворючий вплив погоди. Наприклад, сильний вітер над районом проведення зйомок або дощ протягом попереднього дня можуть вирівняти і без того невеликі температурні контрасти гірських порід, так як нормальне теплове випромінювання від них порушується конвекцією повітря над поверхнею Землі і випаровуванням вологи. Крім того, існують температурні відмінності у величині спектральних сигналів однотипних гірських порід і грунтово-рослинного покриву, що знаходяться на різних ділянках місцевості – відкритих рівнинних або сильно посічених, де виникає вітрова тінь. Вітрову тінь можуть створювати і групи рослинності, наприклад окремі гаї дерев. Таким чином, різниця в положенні об'єкта на місцевості, відкритій вітру, або на ділянці, захищеній від вітру рельєфом або групою рослинності, зумовлює відмінності в його температурному зображенні і його спектральної характеристиці. Але ці труднощі, що виникають при інтерпретації теплових зображень (матеріалів теплових зйомок), можуть бути дозволені в кінцевому підсумку при обліку метеоумов найближчої доби, розчленованості і контрастності рельєфу. Необхідно брати до уваги і те, що скупчення холодних мас повітря в долинах може знижувати інтенсивність сигналів від гірських порід і грунтів, а виникаючі при цьому рухи холодних мас повітря можуть змазувати реальні межі об'єкта. Випари грунтової вологи (роса) також згладжують відмінності між об'єктами, близькими по спектральних характеристиках, і також спотворюють власну величину їх сигналів. Отже, при проведенні теплових зйомок необхідно вибирати найбільш оптимальний для них час, щоб звести до мінімуму спотворюючі фактори. Кліматичні дані – синоптичні умови зйомок – при плануванні досліджень можна не враховувати, так як вони вводяться в ЕОМ безпосередньо при обробці результатів теплових ІЧ-зйомок.

Процеси і їх параметри, існуючі на поверхні Землі, можна виразити рівнянням теплового балансу – рівнянням ентропії:

Вдень тепловий баланс R_n містить значну вирівнючу контрасти компоненту і енергетичні джерела інших процесів. Велика частина тепла вдень витрачається на евапотранспіраціі (транспірація рослин і випаровування з поверхні грунту) і на розігрів повітря. Тільки незначна частина його (близько 10-30%) йде на розігрів грунтів. Вночі енергетичний вплив рослин і атмосфери істотно зменшується. В цей час спрямований вгору тепловий потік можна розглядати як теплове випромінювання природних об'єктів на поверхні Землі і використовувати його для дистанційного зондування [245].

Ці важливі для дистанційного вивчення поверхні Землі процеси, співвідношення між процесами відбивання і поглинання на її поверхні, а також процеси проходження електромагнітних хвиль через атмосферу схематично показані на рис. 5а. На рис. 5б схематично зображено проходження потоку сонячної радіації вдень і вночі.