Выделяют три типа рассеивания в атмосфере.

Рассеивание Релея.

Это рассеивание доминирует при условии, что ЭМИ взаимодействует с частицами, размер которых меньше длины волны падающего света. Примерами таких объектов могут служить частицы пыли, молекулы азота и кислорода. Величина релеевского рассеивания обратно пропорциональна длине волны, т.е., чем меньше длина волны, тем сильнее рассеивание.

Рассеивание Релея особенно сильно в голубой и ультрафиолетовой частях спектра, поэтому небо имеет голубой цвет. Рассеяние Релея повышает вторичное диффузное рассеянное излучение атмосферы (небесное свечение, или голубая дымка). Этим обусловлено и ночное свечение неба.

В отсутствие рассеивания небо было бы черным. В дневное время солнечные лучи проходят через атмосферу по кратчайшему пути. В этой ситуации релеевское рассеивание приводит к тому, что человек видит небо синим, поскольку синий свет обладает наименьшей длиной волны, которую может наблюдать человеческий глаз. На закате и восходе солнечные лучи проходят более длинный путь через атмосферу. Коротковолновая часть излучения успевает рассеяться, и поверхности Земли достигают только волны с относительно большой длиной волны. В результате небо окрашивается в оранжевый или красный цвет.

Рассеяние имеет большое значение в освещении затемненных участков на поверхности Земли. Которые на цветных пленках и в природе приобретают голубой цвет – дымка, или вуаль.

Релеевское рассеивание является причиной снижения контрастности снимков и отрицательно влияет на возможность их дешифрирования. Поэтому в современном дистанционном зондировании при съемке поверхности Земли голубой диапазон не используется, так как в синей, голубой зонах спектра (0,38-0,5 мкм) наиболее сильно проявляется атмосферная дымка, которая снижает контраст изображения и искажает цвет объектов.

 

Т. о., рассеивание Релея называют такое рассеивание, когда молекулы газов рассеивают коротковолновую часть излучения.

Наглядный пример: цвет неба днем голубой, поскольку в белом свете солнца сильнее рассеивается синий свет как свет с меньшей длиной волны. Однако вечером диск солнца приобретает красноватый оттенок, поскольку у горизонта толща воздуха увеличивается, а синий свет сильнее поглощается, увеличивая концентрацию света с более большими длинами волн.

Воздух прозрачный и бесцветный. Если бы он был голубым, то и все окружающие нас предметы казались бы голубоватыми. Дневной голубой цвет неба обусловлен рассеянием солнечного света в земной атмосфере. Еще в 1871 году английский ученый Джон Уильям Стретт, третий барон Рэлей, вывел закон, согласно которому рассеяние света определяется соотношением между интенсивностью рассеяния микрочастиц света и длиной волны. Из лучей, входящих в состав белого света, наименьшую длину имеют фиолетовые, синие и голубые волны, поэтому, когда свет от Солнца достигает земной атмосферы и начинает рассеиваться малыми частицами под большими углами, лучи сине-фиолетовой части спектра доминируют. В итоге результирующий цвет рассеянных лучей воспринимается как голубой.

Рассеяние Ми.

В том случае, когда аэрозоли (пыль, дым и т.д.) в соответствии с размерами частиц, рассеивают длинноволновую часть оптического излучения, такое рассеивание носит название – рассеяние Ми. Оно слабее, чем релеевское рассеивание. Т.о., рассеивание этого типа возникает, если длина волны падающего излучения сравнима с размерами частиц. Т.е., наиболее важной причиной рассеивания Ми являются аэрозоли, представляющие собой смесь газов, паров воды и частиц пыли. Как правило, рассеивание Ми возникает в нижних слоях атмосферы, где крупные частицы встречаются чаще, и доминирует в условиях сплошной облачности. Рассеивание этого типа проявляется в нескольких спектральных диапазонах: от ближнего ультафиолетового до ближнего инфракрасного. Например, в районах вулканической деятельности и в промышленных районах преобладает серая дымка аэрозольного рассеивания (рассеивание Ми).

Какие примеры проявления рассеяния Ми? Примеры: белые облака, небо голубое в зените, сереет к горизонту, ослабление света от солнца при заходе и восходе у горизонта.

Световые лучи, проходя через атмосферу, рассеиваются молекулами воздуха, водяного пара и частицами пыли, и мы видим голубое небо, красный закат, белые облака. Капли дождя и кристаллы льда также отражают и рассеивают лучи, в результате облака окрашиваются в характерный белый цвет.

В дистанционном зондировании рассеяние Ми обычно проявляется как общее ухудшение многоспектральных изображений во всем оптическом спектре при наличии в атмосфере густого тумана. При таких условиях капли воды в атмосфере значительно больше тех, о которых шла речь при рассмотрении рассеяния Релея.

 

Неселективное рассеивание.

Третий тип рассеивания называется неселективным. Неселективное рассеивание возникает при условии, что размер частиц существенно больше длины волны излучения. К таким частицам относятся капли воды и крупные частицы пыли. Неселективное рассеивание не зависит от длины волны и наиболее отчетливо проявляется при наличии облаков, содержащих водные капли. Поскольку излучение с разной длиной волны рассеивается одинаково, облака выглядят белыми. В условиях сплошной облачности излучение в оптическом диапазоне не проникает через атмосферу.

Рассеяние света на крупных частицах обусловливает ореолы, гало и другие явления, наблюдаемые в аэрозолях, туманах и т.д. Неселективное рассеяние обычно имеет место в сильно запыленной атмосфере и приводит к сильному ослаблению полученных данных. Однако наличие такого рассеяния часто указывает на существование больших твердых примесей в атмосфере над исследуемой сценой, что само по себе иногда представляет полезную информацию.

Интенсивность рассеивания и поглощения ЭМИ также зависит от длины пути луча в атмосфере. Для снижения влияния рассеянного излучения в ряде случаев используют светофильтры, которые отсекают спектры рассеянного излучения.

Освещенность конкретного участка поверхности Земли зависит от положения Солнца по отношению к плоскости экватора и конкретно от высоты Солнца над горизонтом. В большинстве случаев при аэрокосмических съемках предпочтительна большая высота Солнца (угол 60-80С). В этом случае обеспечивается максимальная освещенность, максимальный контраст в цвете и яркости, минимум теневых контуров рельефа.

В некоторых случаях низкое стояние Солнца над горизонтом создает лучшие условия при специальных и тематических съемках (на равнинных территориях рельеф подчеркивает тектонические структуры). Многие районы Земли постоянно скрыты сплошным или разреженным облачным покровом. Здесь поглощаются и рассеиваются все электромагнитные волны с длиной волны менее 3 мкм. В таких районах могут быть применены только активные методы дистанционного зондирования, основанные на микроволновом излучении. К ним относятся радарные системы бокового обзора. При использовании в ДМИ ЭМИ с λ более 2 см на исследования не влияют ни облака, ни туман, ни дождь. Получаемое радиолокационное изображение местности отличается от фотоснимков, но точно передают рельеф и другие характеристики поверхности Земли.

Таким образом, при планировании и проведении дистанционных методов исследований необходимо учитывать состояние атмосферы и положение Солнца (высоту Солнца и азимут на него).

В ряде случаев для коррекции важнейших параметров съемки измеряют содержание водяного пара (влажность), концентрацию пыли и аэрозолей, размеры частиц, температуру по профилю, изменения погоды (осадки, ветер).

 

 

Взаимодействие ЭМИ с различными веществами и средами на поверхности Земли.

Направленный на поверхность Земли поток (φ₁) ЭМИ (энергии) вступает во взаимодействие с веществами на поверхности Земли. Различают следующие типы взаимодействия падающего электромагнитного излучения с объектами на поверхности Земли: отражение, рассеивание, абсорбция, трансмиссия и эмиссия.

 

 

1. абсорбция, т.е. часть ЭМИ взаимодействует с носителями зарядов в веществе (атомы или молекулы) и поглощается ими (φ_абс);

Эмиссия возникает вследствие поглощения веществом падающего потока энергии. Нагревшееся в результате этого тело излучает вторичное тепло, т.е. обладает тепловым излучением.

Эффект вторичного теплового излучения и называется эмиссией. Очевидно, что этот эффект имеет смысл учитывать при исследованиях в тепловом диапазоне.

Абсолютно черное тело обладает максимально возможной величиной вторичного теплового излучения (эмиссией), так как поглощает всё падающее на него излучение, независимо от длины волны, направления и поляризации.

 

2. преломление, т.е. часть ЭМИ проникает внутрь вещества и там преломляется или отражается (φ_прел);

 

3. отражение, т.е. часть ЭМИ отражается или рассеивается при соприкосновении с веществом (φ_отр);

Космические датчики работают в основном с отраженной составляющей, но при этом, нельзя не учитывать и эмиссию.

Отражением называют возвращение электромагнитного излучения от поверхности среды без изменения частоты волн.

Различают:

· направленное (зеркальное) отражение (оно может быть описано законами линейной оптики). Зеркальное отражение наблюдается на плоской поверхности. При зеркальном отражении угол отражения равен углу падения;

· диффузное (рассеянное) отражение (полное диффузное отражение, равновеликое во всех направлениях, описывается законом Ламберта). Диффузное отражение возникает на неровной поверхности. При данном отражении падающее излучение отражается равномерно во всех направлениях.

В природе оба типа отражения происходят одновременно и такое отражение называют смешанным или комбинированным. На рисунке представлены различные виды отражения. Категория поверхности зависит от отношения размеров ее неровностей к длине волны падающего излучения. Например, в видимом диапазоне песчаный пляж является неровной поверхностью, но в более длинноволновой части электромагнитного спектра он ведет себя как плоская поверхность. Т.е., если длина волны падающего излучения намного меньше вариаций высоты поверхности или размеров слагающих ее частиц, то отражение будет диффузным.

2,7-31. Зеркальное и диффузное отражение (Чандра, 2006)

В отличие от зеркального отражения, спектр излучения, образованного при диффузном отражении, содержит информацию о цвете поверхности. Именно поэтому измерение диффузных отражательных характеристик различных территорий является важной составляющей дистанционного зондирования.

Это явление связано с тем, что отраженный свет делится на два вида: диффузный и зеркальный. Диффузное отражение присутствует в нормальных условиях, оно придает объекту его естественный цвет. Зеркальное отражение возникает на блестящих поверхностях и имеет цвет освещения. Таким образом, красный металлический шарик, освещенный белым цветом, порождает красные диффузные отражения и белое зеркальное отражение.

Вид зеркальных отражений зависит от отражающих свойств поверхности. На очень блестящей поверхности зеркальное отражение ограничивается малым углом, что приводит к появлению небольших, резко очерченных бликов. На менее блестящем объекте (например, на воздушном шарике) зеркальное отражение занимает больше места, но выглядит более тусклым.

Чтобы объект выглядел блестящим, можно сузить угол зеркального отражения; для имитации пластиковой поверхности следует расширить этот угол. На практике нам не приходится задавать конкретное значение угла. Вместо этого мы указываем степень, в которую должен возводиться косинус этого угла при вычислении интенсивности отраженного луча. Проще говоря, маленькое значение (скажем, 5) дает пластиковую поверхность, а высокое (например, 300) — металлическую.

Для некоторых поверхностей (например, цветных металлов) цвет зеркального отражения совпадает с цветом материала, а не источника света. Если вы посмотрите на полированное золотое кольцо под ярким светом, то увидите, что блики на кольце золотые, а не белые.

 

4. трансмиссия (пропускание), т.е. часть ЭМИ проникает внутрь вещества на глубину (φ_транс).

 

Соотношение, связывающее между собой эти компоненты излучения после его взаимодействия с поверхностью, можно получить из закона сохранения энергии. Учитывая, что все компоненты являются функциями длины волны, записывается это соотношение в следующем виде:

φ_{1 (энергия падающего излучения)}= φ_отр+ φ_прел + φ_абс + φ_транс

 

Для каждого из представленных типов (процессов) взаимодействия ЭМИ с веществом характерны свои константы, важнейшими из которых являются: альбедо, коэффициент поглощения, экстинкция, чистое пропускание.

· Отражение принято измерять величиной Альбедо.

АЛЬБЕДО (лат. albedo — белизна) — способность поверхностей или отдельных тел отражать солнечную радиацию, т.е. отношение отраженного от поверхности потока энергии к падающему на нее потоку. Определяется в долях (%) отраженной радиации от поступающей на поверхность. Самое большое альбедо у снега — 70-90%, что сильно задерживает его таяние, особенно в Заполярье. У песка до 35%, у травяного покрова 20-25%, у лесных крон от 5 до 20%. Наименьшее альбедо у воды — 5% и вспаханных почв (черноземы 5%, подзолы до 20%). Это самые теплоемкие поверхности. Общее альбедо земного шара около 40%.

 

· Рассеивание – это ослабление направленного потока излучения, вследствие отклонения направления его падения, но без поглощения энергии падающего излучения или перехода энергетического потока в другие формы энергии.

· Коэффициент поглощения (абсорбция, а) – показывает величину отношения поглощенного потока энергии (φ_а) к падающему потоку (φ₁):

а= φ_а/ φ₁

· Экстинкция – это ослабление потока энергии при прохождении его через среду в результате рассеяния или поглощения.

· Чистое пропускание– это отношение величины энергии, прошедшей через слой или среду, к энергии падающего потока излучения. Обозначает величину проницаемости (прозрачности) среды без потерь энергии волны на граничных плоскостях разных слоев среды. Рассчитывают для слоев определенной толщины (1 см, 1м).

 

Указанные характеристики являются важными параметрами атмосферы и воды.

Горные породы, почвы, растения, водоемы и другие материалы на поверхности Земли можно рассматривать как источники вторичного теплового излучения, соответствующие понятию «серое тело». Они поглощают только часть падающего потока и при той же температуре отдают меньше энергии в окружающее пространство, чем абсолютно черное тело.

При этом необходимо иметь ввиду, что все тела с температурой выше абсолютного нуля (0 К= -273 С) излучают в окружающее пространство тепловую энергию.

В тезисной форме отметим основные особенности и характеристики взаимодействия ЭМИ с веществами и средами на поверхности Земли, которые являются определяющими при ДМИ окружающей среды.

Виды и интенсивность взаимодействия между потоком ЭМИ и веществом зависят от длины волны излучения и от вещества (атомный и молекулярный состав и др.).

Все вещества на поверхности Земли по-разному отражают, рассеивают, поглощают ЭМИ Солнца и имеют характерное вторичное тепловое излучение. Это может быть использовано для излучения и картирования состояния поверхности Земли.

В качестве характеристики объекта принимают энергетическую величину идущего от него сигнала, которая может быть измерена и систематизирована по классам природных объектов.

Спектральные характеристики объектов являются их опознавательным признаком при ДМИ.

Идущий поток энергии целесообразно регистрировать только в том диапазоне, который наиболее резко обособляет изучаемый объект, т.е. там, где он обладает специфической спектральной яркостью.

Отражательная способность веществ определяется молекулярным и атомным строением, минеральным составом, свойствами поверхности: ее влажностью, выравненностью или шероховатостью, структурностью или скульптурностью, пористостью, трещиноватостью, степенью цементации и выветрелости, ориентировкой поверхности к направлению ЭМИ.

Материалы, которые в зависимости от длины волны поглощают или отражают остаток потока солнечной радиации в видимом диапазоне спектра, кажутся окрашенными.

Для ДМИ важна ширина интервала длин волн видимого и ближнего ИК-диапазонов, в котором горные породы, почвы, растительность и другие объекты наиболее интенсивно отражают или поглощают поток солнечной энергии.

Лабораторными и натурными экспериментами установлены большие вариации в параметрах отражения и поглощения солнечной энергии природными и антропогенными объектами разных типов.

Важнейшим является ориентировка поверхности объекта по отношению к Солнцу и ее топографическое положение (очень важным является и время экспозиции), что определяет количество отраженной и поглощенной энергии.

Разные объекты на поверхности Земли в течение дня по разному нагревают и по разному отдают накопленное тепло в окружающее пространство (рис. 2,5 стр 30). Сильнее нагреваются те объекты и вещества, которые поглощают солнечную энергию.

2,5-30. Температуры поверхностей различных материалов в течение суток (Lowe, 1969). 1 –вода в луже; 2 – гравий; 3 – скошенный газон; 4 – бетон; 5 – газон; 6 – крыша дома

Внутренние и поверхностные свойства объектов определяют рад констант или признаков, характерных для них. Это такие параметры как альбедо, теплоемкость, коэффициент теплопроводности и связанная с ним тепловая инерция.

Параметры дистанционного зондирования по условиям съемки и характеру изучаемых объектов условно делят на независимые и зависимые.

Независимые – это те параметры, которые не связаны со свойствами объекта: топография местности, ориентировка поверхности по отношению к прямому солнечному излучению, время, сезон съемок и др.

Зависимые – это те параметры, которые связаны со свойствами объекта и являются его диагностическими характеристиками: минеральный состав, состояние поверхности, шероховатость, текстурность, зернистость, пористость, трещиноватость, наличие растительности, обводненность.