Влияние происходящих в атмосфере процессов и высоты стояния Солнца на спектральный сигнал толщи воды

3.5.2. Влияние происходящих в атмосфере процессов и высоты стояния Солнца на спектральный сигнал толщи воды

Спектр достигшего водной поверхности прямого солнечного излучения уже рассматривался нами в разд. 2.2, где описывалось влияние атмосферы при прохождении потока солнечной энергии. Отмечалось, что весьма существенным оказался размер частиц аэрозоля. Частицы сильно изменяют вид и концентрацию аэрозолей в атмосфере. Общий состав и составные части «морского» аэрозоля (над океанами) очень отличаются от типов «континентальных» атмосферных аэрозолей (над континентами), Аэрозоли над большими водными пространствами морей и океанов в принципе состоят только из двух компонентов: из капель воды и частиц соли, которые попадают в атмосферу благодаря испарению капель соленой воды, а также капель, включающих примешанные мелкие твердые частицы, которые перемешиваются вследствие атмосферной циркуляции между океаном и континентом, откуда и приносятся пылевые частицы. Эти капли похожи на те, которые образуются над сушей, с той только разницей, что в них отсутствуют крупные частицы, которые выпадают с осадками. В прибрежных областях практически нет возможности разделить при количественной обработке данных типы аэрозолей на континентальные и океанические [15].
Решающее влияние имеют метеоусловия времени съемки. Они оказываются благоприятными тогда, когда отсутствует облачность и нет или почти нет) паров в атмосфере. В этом случае прозрачность атмосферы максимальна. С увеличением содержания паров усиливаются процессы рассеяния солнечного света, прежде всего в коротковолновой части светового потока. Рассеянное излучение искажает и часто скрывает спектральный сигнал, идущий от воды. Нарушающие сигнал помехи возникают прежде всего в голубой и зеленой зонах спектра, т. е. в таких спектральных диапазонах, которые наиболее важны для изучения цвета и глубины вод, содержания в них планктона, вида и концентрации растворов или суспензий органических и неорганических примесей. Способы корректировки сигнала можно применить только тогда, когда многоспектральная съемка вод проводится в очень узких спектральных каналах, а используемые для этого чувствительные элементы приемника излучения обладают не только соответствующим спектральным разрешением, но и не менее высоким радиометрическим.
Количество энергии, попадающей на поверхность воды, меняется в зависимости от высоты стояния Солнца. Стояние Солнца и пары в атмосфере определяют (вместе со спектром наклона поверхностных волн воды и изменениями по вертикали концентрации рассеивающих частиц в толще воды) геометрическую составляющую проникшего в толщу воды светового потока. Это оказывает важнейшее влияние на процессы рассеяния и поглощения в толще воды и тем самым на результирующий спектральный сигнал [58]. Крутой угол падения солнечных лучей более благоприятен для их проникновения в глубь воды. На спектральный сигнал, кроме того, влияют высота съемочного полета и угол измерения (съемки). Рассеянное излучение атмосферы уменьшает спектральный сигнал с увеличением высоты съемки. Для точного расчета интенсивности спектрального отражения толщи воды используются методы корреляции, которые обсуждаются в двух работах [91, 243].
Сканирование обычно осуществляется при угле измерения более широком, чем угол зрения объектива. При этом значительные различия угла сканирования и длины пути лучей сквозь атмосферу могут привести к ошибкам обработки вдоль направления сканирования. Здесь прежде всего при количественной обработке данных съемки, проведенной самолетным сканером, зависящее от длины волны излучения отражение, описывающееся законом Френеля, на поверхности раздела вода-воздух может быть оценено с очень большими ошибками, так как интенсивность отраженного излучения на граничной поверхности сильно зависит от угла измерения. При многозональной сканерной съемке со спутников эти эффекты искажения незначительны из-за малого угла сканирования (речь идет только о спутниках серии «Лэнд-сат» и съемках вне тропической зоны при высоком стоянии Солнца).

3.5.3. Влияние оптических процессов, происходящих на поверхности раздела вода-воздух, на спектральные характеристики толщи воды

Из-за различных показателей преломления воды и воздуха часть светового потока на границе вода-воздух отражается в соответствии с законом Френеля [135] и преломляется (рис. 44). Интенсивность отражения на поверхности воды зависит от угла падения солнечных лучей, от атмосферной дымки и спектра наклона волн на поверхности воды, в значительной мере определяемого направлением и силой ветра.
Максимальная величина отражения (100%) бывает при заходе и восходе солнца при штилевой, безветренной погоде и гладкой водной поверхности; при высоте Солнца более 60° отражение уменьшается до 2,5%. Положением Солнца определяются сильно поляризованное рассеянное свечение атмосферной дымки и разное отражение на поверхности воды. Различный наклон волн при определенном угле может привести к отражению. В таком случае на воде возникают поля бликов, которые при измерениях следует безусловно исключать [58]. Локальные, не равномерно распределенные поля бликов встречаются и на изображениях с «Лэндсат», но только при очень большой высоте Солнца, например в тропиках. Благодаря вышеупомянутым эффектам на поверхности воды, воспроизводимые светлыми, яркими пятнами на сканерных изображениях водоемов и акваторий площади способны изменять обобщенный, интегральный, спектральный сигнал, идущий из толщи воды.