Поглощение и перенос излучения в атмосфере

При распространении электромагнитного излучения через атмосферу оно частично поглощается молекулами различных газов. Наибольшей способностью к поглощению солнечного излучения обладают озон (О₃), пары воды (Н₂О) и углекислый газ (С0₂). На рис. 1.4 показана кривая прозрачности атмосферы в диапазоне длин волн от 0 до 20 мкм.

Примерно половина спектрального диапазона является бесполезной с точки зрения дистанционного зондирования земной поверхности, поскольку соответствующее излучение не может пройти через атмосферу.

Рис. 1.4 – Окна прозрачности атмосферы

 

Для дистанционного зондирования используют только те диапазоны длин волн, которые лежат вне основных интервалов поглощения. Такие диапазоны называются окнами прозрачности атмосферы. К ним относятся окно прозрачности в видимом и инфракрасном диапазоне от 0,4 до 2,0 мкм. В этом диапазоне «работают» оптические сенсоры и человеческое зрение, а также три окна прозрачности в тепловом инфракрасном

диапазоне: два узких окна вблизи 3 и 5 мкм и одно относительно широкое в интервале приблизительно от 8 до 14 мкм. Из-за молекул воды в атмосфере наиболее сильное поглощение наблюдается при длинах волн в диапазоне от 33 мкм до 1 мм. Атмосфера почти не пропускает излучения. Еще одним более или менее прозрачным диапазоном является микроволновый диапазон, соответствующий длинам волн больше 1 мм.

 

Контрольные вопросы

1. Что составляет физическую основу ДЗЗ

2. Суть волновой модели электромагнитного излучения

3. Характеристики электромагнитного спектра

4. Взаимодействие излучения с атмосферой

Лекция 3

Тема 3. Типы взаимодействия излучения с атмосферой

1. Типы взаимодействия излучения с атмосферой. Рассеивание Релея. Рассеивание Ми. Неселективное рассеивание.

2. Особенности спектральных характеристик объектов. Растительный покров. Почвы. Водные поверхности.

Форма занятия: обзорная лекция.

Цель лекции: способствовать формированию системы знаний о типах взаимодействия излучения с атмосферой, особенностях спектральных характеристик объектов

Типы взаимодействия излучения с атмосферой

Рассеивание излучения

Причиной рассеивания является изменение направления распространения электромагнитных волн из-за их взаимодействия с молекулами газов и присутствующих в атмосфере частиц. Величина рассеивания зависит от длины волны электромагнитного излучения, количества частиц и концентрации атмосферных газов, а также от пути распространения через атмосферу. В диапазоне видимого света доля рассеянного излучения при регистрации сенсором составляет от 100% при сплошной облачности до 5% при абсолютно ясном небе. Выделяют три типа рассеивания в атмосфере: рассеивание Релея, рассеивание Ми и неселективное рассеивание.

Рассеивание Релея.

Преобладает при взаимодействии электромагнитного излучения с частицами, размер которых меньше длины волны падающего света. Примеры таких объектов: частицы пыли,

молекулы азота (N₂) и кислорода (О₂). Величина рассеивания Релея обратно пропорциональна длине волны (чем меньше длина волны, тем сильнее рассеивание). При дистанционном зондировании с помощью спутников основным видом рассеивания является рассеивания Релея. В отсутствие рассеивания небо было бы черным. В дневное время солнечные лучи проходят через атмосферу по кратчайшему пути.

Благодаря рассеиванию Релея человек видит синее небо, 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. Вызванное им искажение спектральных характеристик отраженного света по сравнению с измерениями вблизи земной поверхности приводит к тому, что интенсивность коротковолнового излучения оказывается завышенной.

Рассеивания Релея является причиной снижения контрастности снимков. Оно отрицательно влияет на возможность дешифрирования цифровых снимков, полученных с помощью сканирующих систем спутников, а также ограничивает возможности классификации объектов.

Рассеивание Ми.

Возникает, если длина волны падающего излучения сравнима с размерами частиц. 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 проявляется в нескольких спектральных диапазонах: от ближнего ультрафиолетового диапазона до ближнего инфракрасного диапазона.

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.