Прохождение ик-излучения через атмосферу

Чтобы детально описать свойства атмосферы, которые влияют на возможности и диапазон действия инфракрасных отображающих систем, потребовалось бы написать целый том. Этот же раздел охватывает только основы, которые служат руководящими принципами для выбора технических факторов и предотвращения вероятности ложных результатов. Свойства атмосферы объясняют некоторые приемы, к которым вынужден прибегать фотограф и специалист по дистанционному зондированию. Для фотографа важно учесть влияние дымки и тумана. Работа специалиста по дистанционному зондированию зависит также от полос поглощения и областей пропускания газов, содержащихся в прозрачном воздухе.

Дымка и туман являются основной причиной рассеяния. При дымке рассеяние вызывается молекулами воды и воздуха, ионами загрязняющих веществ, центрами кристаллизации морской соли, мелкой пылью и мельчайшими водяными капельками. При тумане причиной рассеяния являются большие капли, облака и некоторые промышленные дымы (табл. 3.7).

Таблица 3.7

Примерные диаметры (в мкм) взвешенных в атмосфере частиц

Когда эти частицы имеют радиус, близкий к длине волны падающего излучения, то наблюдаемое явление можно объяснить законами рассеяния, которые были сформулированы Рэлеем для объяснения синевы неба. Количество рассеянного света изменяется обратно пропорционально четвертой степени длины волны. Синий свет рассеивается в большей степени, чем красный. Если частицы больше, то вступают в силу законы рассеяния, обоснованные Майем. Капельки воды в туманах, облаках и дожде относятся к этой категории. В этом случае зависимость величины рассеяния от длины волны невелика, и рассеяние оказывает заметное влияние на инфракрасное излучение. Кроме рассеяния, существуют другие факторы, которые влияют на качество изображения. Они вызываются явлениями поглощения, преломления, отражения и дифракции.

Излучение, падающее на взвешенные частицы, поглощается полностью или частично в зависимости от их природы. В результате этого излучение исчезает, обычно преобразуясь в тепло, что ведет к небольшому нагреву частиц. Непосредственно на фотографирование образовавшееся тепло не влияет. Однако при инфракрасном зондировании в области больших длин волн это явление вызывает тепловую дымку.

При преломлении излучение, проходящее через частицы, отклоняется в одну сторону и таким образом изменяет свое первоначальное направление.

При отражении излучение отклоняется поверхностью частиц.

При дифракции лучи огибают маленькие частицы. Явления дифракции иногда проявляются в виде ореола вокруг солнца или луны, когда в верхней атмосфере имеется тонкий слой облаков.

При рассеянии маленькие частицы фактически становятся новыми источниками, излучающими во всех направлениях.

При преломлении, отражении, дифракции и рассеянии излучение отклоняется и приобретает новое направление. Интенсивность переднего фронта излучения, таким образом, ослабляется, и эти явления могут быть классифицированы под общим названием «диффузия».

Диффузия смазывает детали отдаленных объектов и уменьшает видимость. Так как из всех явлений, классифицируемых как диффузия, только рассеяние заметно связано с определенными длинами волн излучения, то следует рассмотреть его детально в связи с инфракрасной фотографией.

Дымка

В условиях дымки закон рассеяния Рэлея остается в силе, так как инфракрасное излучение рассеивается гораздо слабее видимого. Рассеяние в основном проявляется в виде световой пелены между объектом и наблюдателем или камерой. При этом снижается видимая контрастность объекта.

В простейших условиях (допуская, что поглощение отсутствует) можно представить себе, рассматривая две зоны объекта, имеющие освещенность в 30 и 2 единицы и дымку в 1 единицу. Значение освещенности для более ярких участков возрастает на величину 31/30 из-за дымки. С другой стороны, яркость изображения теневой зоны увеличивается на 3/2. Фильтры, которые поглощают цвета, преобладающие в дымке, снижают этот эффект.

Расстояние, на котором объект можно увидеть, метеорологи обычно называют видимостью. Она определяется контрастом деталей. Это относится и к так называемой «фотографической видимости», т. е. расстоянию, на котором объект можно сфотографировать.

Для понимания сути видимости необходимо различать два ее типа. Первый тип представляется примером отдаленных огней, свет от которых направлен непосредственно в глаз.

Интенсивность (плотность потока) этого света уменьшится, если атмосфера содержит частицы, способные рассеивать излучение. Если потери достаточно велики, то контраст между огнями и освещенным фоном может быть настолько незначительным, что глаз не воспримет этот источник излучения (рис. 3.28). Второй тип представляется объектом, который сам по себе не испускает света, но является видимым, так как освещается другим источником света. Таким примером является отдаленный холм, видимый при дневном освещении благодаря солнечному свету, который он отражает. Если в атмосфере в пространстве между глазом и холмом имеется дымка, то интенсивность света, отраженного от холма, уменьшается, однако это уменьшение в какой-то степени компен