Коэффициенты излучения некоторых объектов

(инфракрасный диапазон 8 —14 мкм)

Объект	е	Объект	е
Вода чистая Лед Растительность Асфальт	0,99 0,98 0,97 0,96	Кварц (агат) Гранит Базальт Песок кварцевый	0,93 0,90 0,81 0,71

земных объектов резко возрастает с повышением их абсолютной температуры Т:

Р = εσT⁴

где σ— фундаментальная постоянная Стефана, значение которой точно известно; ε — коэффициент излучения конкретного объек­та, величина которого, различная для разных длин волн, опреде­ляется экспериментально.

При рассмотрении теплового излучения важны представления об идеальном излучателе (эталоне), за который принимается аб­солютно черное тело. Среди объектов с одинаковой температурой собственное излучение идеального излучателя будет наиболее ин­тенсивным. Поэтому если принять коэффициент излучения абсо­лютно черного тела при определенной длине волны равным еди­нице, то у остальных объектов он будет меньше (табл. 2).

выделение объектов и определение их характеристик. По темпера­турным контрастам удается выделять вулканы, течения в океане, обнаруживать зоны подземных пожаров, контролировать состоя­ние энергетических и ирригационных систем и т. д. У многих объек­тов утром и вечером наблюдается явление инверсии температур­ных контрастов. Например, поверхностные воды ночью теплее, а днем холоднее окружающей суши; в дневные часы хвойная расти­тельность холоднее лиственной, а в ночные — наоборот. Большое влияние на температурные контрасты оказывает влажность по­верхности в связи с ее охлаждением при испарении. Так, в утрен­ние часы хорошо выделяются холодные увлажненные участки местности. Одной из причин температурных контрастов является конвективный тепловой поток из недр Земли, который нередко связан с тектоническими нарушениями.

Радиотепловое излучение. Как уже отмечалось, нагретые объек­ты излучают энергию и в радиодиапазоне, хотя радиотепловое излучение по интенсивности значительно уступает тепловому из­лучению в инфракрасном диапазоне. Радиотепловое излучение, как и инфратепловое, формируется поверхностным излучательным слоем, так называемым скин-слоем, толщина которого тем больше, чем длиннее волна излучения. Интенсивность радиотеп­лового излучения характеризуется так называемой радиояркостной температурой Т_я - произведением абсолютной температуры и коэффициента излучения. Величина коэффициента излучения в радиодиапазоне значительно варьирует в зависимости от элект­рических свойств (а значит, от влажности и солености), кристал­лической структуры и характера поверхности объекта. Наиболь­шее его значение имеет растительность (0,9), затем следуют по­чвы (0,8), водные поверхности (0,3) и, наконец, металлические предметы. Таким образом, различия в радиояркостной температу­ре земных объектов определяются в основном их излучательной способностью, а не физической температурой. Так, наибольшую радиояркостную температуру летом имеет растительный покров (300 °К) и значительно меньшую — водные поверхности (100 °К). Однако самые «холодные» в радиодиапазоне — металлические предметы.

На радиояркостную температуру акваторий оказывает суще­ственное влияние волнение, так как пенистые гребни имеют бо­лее высокий коэффициент излучения, чем вода. Радиояркостная температура льда обычно на несколько десятков градусов выше, чем воды. Излучательная способность различна у однолетнего и многолетнего льда.

На радиационные характеристики почвенного покрова в мик­роволновом диапазоне наибольшее влияние оказывает влажность почв. Изменение интенсивности радиоизлучения сухой почвы и почвы в состоянии полной влагоемкости достигает 100К (рис.).

Рис. 7 Зависимость радиояркостной температуры почвы от влажности

Растительный покров в радиодиапазоне не обладает наиболее высокими излуча тельными свойствами, которые приближаются к свойствам идеального излучателя абсолютно черного тела. Его радиояркостная температура увеличивается про порционально высоте и густоте растений. Радиотепловое излучение почвенно-расти тельного покрова различных природных зон (тайга, тундра, степь, пустыня) заметно различается. Оно имеет также выраженный годовой ход с максимумом в летний период.

Опыт показывает, что радиотепловое излучение, регистрируе­мое при разных длинах волн, целесообразно использовать для ха­рактеристики вполне определенных объектов и явлений. Так, мил­лиметровые волны наиболее пригодны для изучения атмосфе­ры, сантиметровые — льдов, дециметровые — солености водо­емов и т.д.

Искусственное освещение местности. В аэрокосмических методах помимо естественного излучения используется и искусственное. Для искусственного облучения (ос­вещения) исследуемых объектов можно использовать электромаг­нитные волны всех диапазонов. Так, в ясные безоблачные ночи, которых значительно больше, чем ясных дней, выполняют разве­дывательную аэрофотосъемку, когда местность освещается фото­бомбой, спускаемой на парашюте. Применяется при аэросъемке и лазерная подсветка местности. Однако в настоящее время наи­большее значение имеет радиоизлучение СВЧ-диапазона, кото­рым освещается местность при активной радиолокационной съемке. На вариации интенсивности регистрируемого отраженного радио­излучения существенно влияют неровности отражающей поверх­ности и ее влажность, от которой зависит диэлектрическая по­стоянная. Если плоскость поляризации зондирующих радиоволн параллельна водной или земной поверхности, то отражение будет более интенсивным, нежели при перпендикулярной поляризации сигнала. Это свойство наиболее ярко проявляется при отражении от взволнованной водной поверхности: чем больше волнение, тем больше различие в интенсивности отраженных сигналов разной поляризации.

Весьма ценное свойство зондирующего радиоизлучения — про­никающая способность. Глубина проникновения излучения увеличивается пропорционально длине волны и зависит от физико-химических свойств облучаемого объекта. Например, миллимет­ровые радиоволны рассеиваются травянистой растительностью, а сантиметровые достигают почвенного покрова. Однако они, как и дециметровые радиоволны, рассеиваются пологом лесного покро­ва, сквозь который проникают лишь метровые волны. Проникно­вение радиоволн в воду, особенно морскую, значительно слабее, чем в грунт. Для глинистой влажной почвы глубина проникнове­ния дециметровых волн составляет миллиметры, а метровые вол­ны проникают в сухую песчаную почву на десятки метров. Отра­жение радиоволн меняется при наличии неоднородности в стро­ении зондируемого слоя, например глубинных разломов под чех­лом рыхлых отложений или водоносных слоев, интенсивно отра­жающих радиоволны, что используется для поиска линз грунто­вых вод. Радиозондирование с самолета помогло открыть громад­ное подледное озеро Восток в Антарктиде.

Влияние атмосферы на регистрируемое излучение. Земная атмосфера для аэрокосмических методов, с одной сто­роны, представляет собой важнейший объект самостоятельных исследований, с другой — является основным источником помех и искажений при изучении земной поверхности. Излучение, прежде чем попасть в регистрирующий прибор, расположенный на неко­торой высоте над земной поверхностью, должно пройти сквозь атмосферу — смесь газов, в которой взвешены твердые и жидкие частицы — от тонкого аэрозоля до плотных облаков со всеми про­межуточными стадиями. Основная масса атмосферы сосредоточе­на в нижних приземных слоях (до 10 км).

Влияние облачности. Статистика показывает, что в каждый мо­мент времени облачность закрывает более половины площади зем­ной поверхности, хотя над каждой ее точкой облака сохраняются обычно не более 5 дней. Даже маломощные облака блокируют все оптическое излучение. Только радиоволны длиной свыше 2 см беспрепятственно проходят сквозь облачный покров. При плани­ровании аэрокосмических съемок приходится учитывать простран­ственно-временные закономерности распространения облачнос­ти в течение суток и года. Географ должен отчетливо представ­лять, что на практике получить для исследований нужный сни­мок на заданную территорию для определенного времени года — задача непростая, прежде всего из-за облачности, которую неда­ром называют ахиллесовой пятой космического зондирования в оптическом диапазоне.

Но даже проходя сквозь безоблачную атмосферу, электромаг­нитное излучение испытывает рефракцию и ослабление.

Атмосферная рефракция (искривление лучей) связана с изме­нением коэффициента преломления в разных слоях атмосферы, что обусловлено их различной плотностью, температурой, влаж­ностью. Влияние рефракции — искажения направления лучей — составляет несколько угловых секунд и должно учитываться при точных фотограмметрических измерениях снимков.

Ослабление излучения в атмосфере, которое происходит вслед­ствие рассеяния и поглощения излучения, подчиняется экспо­ненциальному закону Бугера— Ламберта:

J=j₀10^-ki=j₀T

где J — интенсивность излучения, прошедшего слой атмосферы толщиной i; J₀ - интенсивность вступившего в атмосферу излуче­ния; k - суммарный коэффициент ослабления; T — коэффици­ент прозрачности атмосферы, который не одинаков для различ­ных спектральных лучей. Для территории нашей страны коэффи­циент Т в видимом диапазоне имеет среднее значение 0,74.

Ослабление излучения с увеличением длины пути быстро уси­ливается и тем значительнее, чем больше суммарный коэффици­ент ослабления, который определяется спектральным поглоще­нием и рассеянием.

При прохождении излучения сквозь атмосферу происходит его избирательное поглощение атмосферными компонентами, глав­ным образом водяным паром, озоном, углекислым газом, мета­ном. Экспериментально выявлены четко очерченные, но разные по ширине и глубине полосы поглощения (рис.). Спектры поглощения атмосферных газов имеют также тонкую структуру, т.е. много узких полос поглощения. Так, например, на участке 7 — 14 мкм их обнаружено около 400.

0,1 0,2 0,3 0,4 0,6 0,8 1 1,5 2 3 4 5 6 8 10 20 \, мкм

Рис.8 Поглощательная способность отдельных компонентов атмосферы

Характер рассеяния в значительной степени зависит от длины волны падающего излучения и замутненности атмосферы. Интен­сивность избирательного рассеяния молекулами атмосферных га­зов (так называемое рассеяние Релея) очень быстро возрастает с уменьшением длины волны излучения. Наиболее сильно молеку­лами рассеивается коротковолновое оптическое излучение (этим объясняется голубизна неба). Аэрозольное рассеяние (рассеяние Ми) при размерах частиц больше длины волны неизбирательно рассеивает все падающее излучение. Оно оказывает значительно большее влияние на результаты аэрокосмических съемок, чем мо­лекулярное.

Аэрозольное рассеяние излучения частицами влаги и пыли, прежде всего коротковолнового, при прохождении через слой ат­мосферы приводит к свечению слоя - воздушной дымке, яркость которой зависит от состояния атмосферы, высоты Солнца и на­правления визирования. Необходимо учитывать различия в локаль­ной задымленности атмосферы. Значительная дымка отмечается над промышленными и лесными районами. Она возрастает к ве­черу. Задымленность атмосферы летом больше, чем зимой. Для ослабления отрицательного влияния воздушной дымки при аэро­космических съемках применяют светофильтры, отсекающие фи­олетовые и синие лучи.

Спектральная прозрачность атмосферы. Атмосфера подобно фильтру пропускает лучи различных длин волн избирательно, се­лективно. Для ультрафиолетового излучения атмосфера непроз­рачна. По мере перехода в длинноволновую часть располагаются участки спектра — окна прозрачности, где коэффициент прозрач­ности атмосферы достаточно велик, хотя и не всегда равен еди­нице (рис. 2.12). Наибольшее практическое значение имеет окно прозрачности в видимом диапазоне с прилегающей частью ультра­фиолетовой зоны и ближней инфракрасной зоной (0,3-1,3 мкм), а также два окна в тепловом инфракрасном диапазоне (3 - 5 и 8 -14 мкм). Большое окно прозрачности в зоне 50 мкм в аэрокосми­ческом зондировании пока не используется из-за отсутствия при­емников излучения. В микроволновом диапазоне при длинах волн свыше 1 - 2 мм атмосфера опять становится прозрачной. Метро­вые радиоволны беспрепятственно проходят всю толщу атмосфе­ры. С дальнейшим увеличением длины радиоволн усиливается их отражение от ионизирующих слоев атмосферы и декаметровые волны с длиной волны свыше 10м уже не могут проникнуть сквозь ионосферу. Для радиоволн этих длин атмосфера полностью не­прозрачна.

Влияние атмосферы на оптические характеристики объектов. Регистрирующий прибор, находящийся над земной поверхнос­тью, фиксирует восходящее суммарное излучение, которое слага­ется из излучения исследуемого объекта, преобразованного ни­жележащим атмосферным слоем, и излучения этого слоя. Таким образом, оптические характеристики объектов, определенные сквозь толщу атмосферы, отличаются от характеристик, получен­ных в непосредственной близости от объектов. По мере отклоне­ния направления визирования от отвесного искажающее влияние атмосферы растет. Наблюдаемая сквозь толщу атмосферы яркость объекта В складывается из двух частей:

В = В_з Т + В_д,

где В_з - яркость объекта на земной поверхности; Т — коэффи­циент прозрачности атмосферы; В_д — яркость воздушной дымки.

При определенном соотношении этих величин дистанционно регистрируемые яркости объектов оказываются усиленными (для темных объектов) или ослабленными (для светлых), а относи­тельные контрасты сглаженными. Расчеты показывают, что под влиянием атмосферы контрасты могут снизиться в 3 - 5 раз. Это прежде всего ухудшает передачу деталей темных объектов, сни­жая качество снимков. Опыт показывает, что из-за отрицательно­го влияния атмосферы разрешение космических снимков может снизиться в 2 раза по сравнению с расчетным.

Эксперименты по космическому спектрометрированию, кото­рые сопровождались синхронными самолетными и наземными измерениями, показали, что атмосфера, увеличивая общую яр­кость объектов, искажает их спектральную отражательную спо­собность. В сине-зеленой части спектра отмечено существенное увеличение коэффициентов спектральной яркости, определенных из космоса. Это увеличение постепенно уменьшается к длинно­волновой части видимого спектра, где оно становится относительно небольшим. Кривая спектральной яркости объектов класса «горные породы и почвы» более полога; повышение в красной зоне спектра уменьшено. Отражательная способность вегетирующей растительности не имеет такого характерного «зеленого» мак­симума в зоне 0,55 мкм, как при наземных измерениях, из-за относительного увеличения яркости в голубой части спектра. У вод­ных объектов при общем увеличении яркости атмосфера не иска­жает характера спектральной отражательной способности. Яркость снежного покрова и облачности в целом понижается.

Для количественного учета влияния атмосферы на регистриру­емое излучение применяют ее теоретические модели. Однако надо иметь в виду, что атмосфера пространственно неоднородна и из­менчива, поэтому весьма трудно точно учесть ее влияние, осо­бенно если определяются количественные характеристики регис­трируемого излучения.

Проникновение солнечного излучения в воду. Закономерности поглощения и рассеяния света для воды подчиняются тому же закону, что и для атмосферы. Водная толща ослабляет яркость, контраст и четкость наблюдаемых подводных объектов. Интенсив­ность проникающего в воду солнечного излучения падает, а спек­тральный состав изменяется. Инфракрасное излучение полностью поглощается поверхностными слоями воды. Для прозрачных вод, когда практически отсутствуют взвеси и фитопланктон, красные лучи проникают на глубину до 10 м, желтые — до 20 м и только сине-голубые лучи достигают глубины 50 м. Интенсивность света здесь уменьшается в 100 раз. На больших глубинах дно солнечным светом практически не освещается. Однако этим фактам противо­речат многочисленные утверждения космонавтов о том, что с орбитальных высот удается рассмотреть крупные океанические хребты даже на километровых глубинах. Одно из объяснений это­го феноменального явления состоит в том, что из космоса наблю­дается не рельеф дна океана, а коррелирующие с ним постоян­ные зоны перемешивания теплых поверхностных и холодных глу­бинных вод, в которых меняются физические и биологические характеристики верхних слоев океана, шероховатость его поверх­ности. Такие крупномасштабные явления в океане и воспринима­ет глаз человека с космической орбиты.

Дата добавления: 2014-01-06