Инфракрасная отражательная способность листьев

Инфракрасная фотография в отраженном свете основана на использовании инфракрасного излучения, отраженного от листьев. Хлорофилл не дает такого излучения. Тем не менее оптические свойства хлорофилла крайне интересны для фотографа, поскольку они определяют метод воспроизведения зеленых листьев на снимках, выполненных с помощью излучения разных длин волн. Наибольший интерес представляют следующие свойства: сильное поглощение в красной области, высокая прозрачность в инфракрасной области, флуоресценция в видимой области и инфракрасная люминесценция. (См. следующий раздел, посвященный применению последнего явления.)

Одной из характерных особенностей фотографий ландшафта в инфракрасных лучах является то, что трава и листья деревьев выглядят светлыми, а на обычных фотографиях — темными [2.66, 2.68, 6.70, 6.71]. Этот факт иногда приписывают большой отражательной способности хлорофилла в инфракрасной области. Хотя это объяснение может быть в незначительной степени и верным, правильное объяснение состоит, несомненно, в том, что в результате крайней прозрачности хлорофилла в инфракрасной области излучение, отраженное тканью листа, не поглощается хлорофиллом, а выходит наружу. Ткани очень сильно отражают белый свет и инфракрасное излучение. Но в случае белого света хлорофилл поглощает большую часть его, поэтому на снимках листья выходят темными. В случае инфракрасного излучения такого поглощения нет, и листья воспроизводятся светлыми.

Мек и Болдуин [6.32], а также другие ученые выполнили инфракрасные фотографии около сотни листьев различных видов включая листья, изменившие окраску осенью. Во всех случая: при приближении к критической области длин волн 700—750 ни листья теряли свои характерные свойства, касающиеся различий в структуре и цвете, и выглядели одинаково светлыми на инфракрасных фотографиях.

Рис. 6.3.

а — ход лучей света в структуре листа [6.57]; б — микрофотография нериума листа.

Объяснение светлого воспроизведения будет ясно из рис. 6.3 взятого из работы [6.57], на котором показано, как свет отражается внутри листа. Свет проходит через эпидермис и удлиненные клетки полисадной ткани, однако он рассеивается днффузно и даже отражается назад в направлении своего источника в губчатой паренхиме, промежутки между которыми заполнены воздухом. Мек и Болдуин отметили сходство в поведении между листой и свежевыпавшим снегом, яркое отражение которого происходит из-за того, что между маленькими кристаллами льда имеется воздух. Если снег сдавить или утрамбовать, он становится темнее к прозрачнее. То же самое имеет место и в случае листа. Если удалить воздух, поместив лист в вакуум, а затем поместить его е воду, чтобы заполнить воздушные промежутки, то заметных различий в результатах не будет, так как именно хлорофилл отражает большую часть света. Однако в инфракрасной области, где хлорофилл прозрачен, яркое отражение листа почти полностью теряется, и лист становится оностительно прозрачным. Обатан [6.36] понимал, что высокое отражение в инфракрасной области не вызвано ни эпидермисом, ни кожицей. Дингер [6.15], который измерял отражение и пропускание листьев в ближней инфракрасной области, нашел их высокими в диапазоне 800—1300 нм и обнаружил, что полосы воды при 1500 и 2000 нм резко выражены как в отраженном, так и в проходящем излучении, указывая, что большая часть отраженного излучения исходит изнутри. Подобные результаты были получены в 1974 г. Гаусманом [6.95], который выполнил серию опытов с помощью микроспектрофотометра и получил кривые вплоть до 2500 нм.

Несколько относящихся к. данному вопросу наблюдений было выполнено Плотниковым [6.38] при изучении «рассеянного отражения». Они ясно показали, что хлорофилл в растворе не рассеивает инфракрасное излучение, тогда как ткань растений рассеивает его очень сильно и даже возвращает большую часть его в направлении источника.

Отраженный свет из-за флуоресценции хлорофилла должен сопровождаться излучением в ближней инфракрасной области. В 1935 г. Дере и Раффи [6.14] установили, что светлое воспроизведение листьев на инфракрасных фотографиях обусловлено в первую очередь флуоресценцией хлорофилла. Однако в статье [6.13]

было сделано заключение, что это, вероятно, важно только в области около 740 нм. За пределами этой области существенна именно высокая отражательная способность тканей, сопровождающаяся крайней прозрачностью хлорофилла. Очень маловероятно, что красная флуоресценция играет доминирующую роль даже при более коротких волнах. В самом деле, она имеет очень низкую интенсивность вне области 750 нм.

Мек и Болдуин [6.32] показали, что инфракрасная флуоресценция не является важной. Они освещали листья голубым светом, который возбуждал инфракрасную флуоресценцию в хлорофилле, однако не смогли получить фотографий через инфракрасный фильтр даже тогда, когда экспозиция была в 1000 раз больше обычной. Гибсон [6.99—6.101] нашел, что эта люминесценция требует в 20000 раз большей экспозиции по сравнению с обычной, чтобы быть заснятой.

То, что светлое воспроизведение листьев на инфракрасных фотографиях не обусловлено флуоресценцией при более длинных волнах, очевидно из того факта, что на фотографиях, сделанных в излучении с длиной волны, значительно большей длины волн, при которых хлорофилл флуоресцирует, листья также воспроизводятся очень светлыми. Это ясно из серии снимков, представленных на рис. 6.4. Бишоп [6.78]1 выполнил такую же серию опытов, однако главным образом с ландшафтами, представляющими художественную ценность.

Листья различных деревьев воспроизводятся на инфракрасных фотографиях по-разному. В общем случае листья лиственных деревьев имеют высокую отражающую способность, тогда как хвоя воспроизводится намного более темной. Этот факт используется при фотосъемке сельскохозяйственных и лесных угодий; более подробно он рассматривается в гл. 9. Это также важно при обнаружении маскировки в военное время, в особенности в связи со спектральной зависимостью отражательной способности красок. Данный вопрос обсуждается в гл. 3. Из подробной таблицы спектров отражения для листьев, опубликованной Гайтсом и Тан-трапорном [6.94], легко обнаружить, почему инфракрасные фотографии заметно отличаются. Например, отражение зеленой кроны клена составляет 12%, а зеленой кроны большинства хвойных — 4,5% (разница в контрасте 7,5%). С другой стороны, сравнительные цифры для инфракрасного излучения составляют 40 и 18%, а разница в контрасте 22%. (См. также работу [6.136].)

Другие работы могут представлять интерес для тех, кто занимается вопросами, связанными с жизнью растений. Обатан [6.37] открыл, что листья горных растений отражают на 100% больше инфракрасного излучения, чем равнинные растения. Кажется, что его выводы противоречат результатам, полученным Дадыкиным и Станко [6.83]'. Этот факт трудно объяснить, и он предлагает интригующие исследования по физиологии растений, чтобы обнаружить причину. Вильсон [9.449] нашел, что бурно разросшиеся вновь посаженные хвойные деревья можно отличить от кустов с помощью видоизмененного черно-белого ИК-метода.

Рис. 6.4. Снимки, выполненные в областях спектра с возрастающей длиной волны.

Были использованы следующие области спектра: а — 450—690 нм; 6 — 510—690 нм; в — 74Л— 850 нм; г —760—850 нм; 5 — 850—970 нм; е — 900—970 нм.

В более ранней работе Обатан [6.36] сообщил о техническом усовершенствовании инфракрасного фотографирования растений.

Он включал в поле зрения своей камеры эталон отражения. Им служила пластина, покрытая карбонатом магния.

Ивес [6.28] описал результаты экспериментов по применению инфракрасной фотографии для экологического обследования на расстоянии. Он определил, что жизнеспособные злаковые травы и некоторые виды кактусов находятся среди наилучших отражателей инфракрасного излучения до тех пор, пока не созреют, а сухие злаковые травы и нежизнеспособные кактусы являются плохими отражателями; листопадные растения отражают хорошо, тогда как вечнозеленые — хуже. Молодая хвоя является прекрасным отражателем и на инфракрасных фотографиях воспроизводится светлее, чем зрелая. Ивес считал, что 18 км являются пределом полезного обзора при экологических работах, за исключением случая, когда необходимо различать резкие изменения растительности; в этом случае расстояние может быть больше. Линию леса можно определить с расстояния 90 км в горных областях, однако участки осины на флангах в пихто-еловых лесах в подобных областях определить нельзя. Можно считать, что инфракрасная фотография оказывает неоценимую помощь при проведении экологических работ, но не заменяет их. Каждая географическая область представляет свою проблему.

В более поздней работе [6.95] Гаусман выполнил эксперименты Мека и Болдуина [6.32] на более высоком экспериментальном уровне с использованием вакуумной инфильтрации жидкостей, варьирующей показатель преломления, и инфракрасной микрофотографии через микроспектрофотометр. Он нашел два источника отражения ИК-излучения — границы между стенками клетки и окружающими их воздушными промежутками и (менее интенсивные) подклеточные структуры, например ядра хлоропласты и включения кристаллика. Он представил несколько кривых спектрального отражения и микрофотографии. Гаусман отметил, что, чем более компактен лист, тем меньше отражение ИК-излучения из-за уменьшения размеров воздушных ячеек. Факторами ответственности за компактность являются недозрелость, задержка роста, обусловленная солевым стрессом, и некоторые болезни. Ориентация листа также влияет на отражение (Книплинг [6.111]). При созревании, обезвоживании из-за болезней и засыхании обнажается внутренняя структура листа и, как следствие, увеличивается отражение ИК-излучения. Среди растений различных видов были обнаружены изменения, связанные со строением листа. Архитектура листьев также влияет на внешний вид растений [6.122]. Это может объяснить факты, обнаруженные Ивесом [6.28].

Гаусман с сотр. [6.96, 6.97] использовали вышеупомянутые методы для изучения гидропонного роста хлопка в растворах изменяющейся солености. Они отбирали листья с верхних частей растений, чтобы моделировать обстановку, которую можно зарегистрировать при аэрофотосъемке. Их результаты показывают, что субстрат соли увеличивает толщину листьев и межклеточные пространства и соответственно возрастает отражение ИК-излучения [6.96]. Очевидно, что концентрация была ниже стрессового уровня. Во второй работе они сообщили о воздействии опыления листьев цикоцелом в поле. Это вещество, регулирующее рост, увеличивает толщину листьев и создает пространство для хлорофилла, во много раз превышающее нормальное. В лабораторных условиях при фотографировании отдельных листьев было замечено увеличение отражения ИК-излучения. Однако аэрофотосъемка дала обратные результаты, которые были обусловлены группированием листьев друг над другом при наблюдении с воздуха. Тем не менее инфракрасная цветная фотография может обнаружить разницу между обработанными и необработанными участками.

Книплинг [6.111] обсуждал многие факторы, регулирующие отражение ИК-излучения от свода из листьев. Он отмечает, что, несмотря на то что группы листьев приводят к меньшему отражению по сравнению с отдельными листьями, они увеличивают отношение интенсивностей инфракрасного и видимого излучений, что приводит к тому, что инфракрасные снимки оказываются при правильной интерпретации более ценными.

В общем случае кажется, что пигменты растений, отличные от хлорофилла, имеют оптические свойства, схожие со свойствами анилиновых красителей, которые имеют характеристическое поглощение в видимой области спектра и практически полностью прозрачны в ближней инфракрасной области [6.52]. В результате этого цветы и фрукты, например апельсины, томаты и виноград, воспроизводятся на инфракрасных фотографиях так, как будто бы они были белыми. Однако утверждают, что естественные растительные пигменты индийского ореха (Semecarpus anacardium) и ягод китайского лакового дерева (Phytolocca clavigera) относительно непрозрачны для ИК-излучения. В самом деле, инфракрасные фотографии очень ясно показывают клетки пигментов в перикарпии ореха, когда он расколот пополам. Черный спороносный слой грибов является непрозрачным в ИК-области, и это приводит к их обычному воспроизведению на инфракрасных снимках [6.35].

Инфракрасные цветные изображения. Методы обнаружения в условиях маскировки, описанные в гл. 3, дают много ценных применений цветной фотографии в измененных цветах. В настоящее время имеются пленки не только для аэрофотосъемочной аппаратуры, что дает возможность выполнять работы в наземных и лабораторных условиях. В табл. 2.1 приведены некоторые ожидаемые цветопередачи листьев. Как будет видно в гл. 9, получаемые измененные цвета обеспечивают обследование лесных насаждений и раннее выявление болезней и стрессов. Подобные исследования небольших участков земли и отдельных растений можно выполнять и при съемках на расстоянии. Работа Фритца [6.92] дает хорошее введение в этот метод. Байт и Хэйс [6.135] обсуждают ценность стереоисследований при изучении роста растений и геологической среды.

Следует отметить эффект, который может искажать наземные фотоснимки (и иногда аэрофотоснимки). Дело в том, что при этом методе голубое небо воспроизводится почти в том же цвете, каким мы его обычно видим. Однако, когда голубое излучение зеркально отражается от мокрых, плавающих по поверхности воды листьев, листья и водоросли воспроизводятся голубыми вместо красных. По этой причине пасмурный день часто более благоприятен для проведения съемок.