фізичні основи

Фізичні основи дистанційного зондування Землі в тепловому інфрачервоному діапазоні

Властивості теплового випромінювання

У всіх об'єктах навколишнього світу, що мають температуру вище абсолютного нуля (0 K або -273 ° С), відбувається безладний рух частинок речовини - молекул. Енергія молекул в хаотичному русі називається кінетичної енергією. Коли молекули соударяются, вони змінюють своє енергетичне стан і випускають електромагнітне випромінювання. Це випромінювання називають тепловим.

Термоядерний синтез, що відбувається на Сонці, виробляє потужний потік випромінювання в широкому спектрі, що складається в тому числі з короткохвильового видимого випромінювання. Частина цього короткохвильового випромінювання проходить через атмосферу і поглинається поверхнею Землі, перетворюючись в кінетичну енергію земних об'єктів, тобто нагріває їх. Це, а також різні техногенні (промислове виробництво, комунальне господарство) і природні процеси (сейсмічна активність, процеси мінералогенеза) в сукупності створюють умови для формування потоку власного електромагнітного випромінювання об'єктів. Таким чином, всі земні об'єкти, що випромінюють теплову енергію, можна розділити на дві групи - мають внутрішнє джерело тепла і нагріваються під дією безупинно мінливого потоку сонячної радіації. Об'єкти, що характеризуються інтенсивністю теплового випромінювання, що істотно відрізняється від інтенсивності теплового випромінювання навколишньої території, навколишніх об'єктів (як в більшу, так і в меншу сторону), прийнято називати тепловими аномаліями. Сукупність теплових аномалій утворює геотемпературное поле місцевості.

Електромагнітне випромінювання, що випускається земними об'єктами різної температури, є в більшості випадків довгохвильовим (до 1 мм). Частина такого випускається довгохвильового випромінювання проходить через атмосферу і може бути зафіксована інфрачервоними тепловими датчиками (інша частина затримується в атмосфері). Саме така довгохвильова радіація, що реєструється сенсорами, і надає інформацію про теплових характеристиках земної поверхні і об'єктів на ній.

Всі об'єкти на поверхні Землі, природні або антропогенні, випромінюють теплові інфрачервоні хвилі, що обумовлює можливість їх дистанційного зондування в тепловому діапазоні. Тепловий інфрачервоний діапазон розташований за видимою, ближньої та середньої інфрачервоної частинами електромагнітного спектра (3-1000 мкм). У дистанційному зондуванні Землі з космосу теплової діапазон розуміється вужче, оскільки атмосфера затримує велику частину випромінювання, і тому прийом теплового випромінювання ведеться тільки в ділянках спектра, відповідних вікнам прозорості атмосфери (див. Рис. 1). Використовуються діапазони 3,0-5,0 мкм і 8,0-14,0 мкм.

Мал. 1 Вікна прозорості атмосфери

В діапазоні 8,0-14,0 мкм озоновий шар земної атмосфери (O3) поглинає велику кількість теплового випромінювання з довжиною хвилі від 9,2 мкм до 10,2 мкм. Тому супутникові системи інфрачервоного теплового зондування реєструють дані тільки в проміжках 8,0-9,2 мкм і 10,5-12,5 мкм для виключення цієї ділянки поглинання електромагнітних хвиль. Наприклад, перші три теплових каналу радіометра ASTER (10-12) охоплюють діапазон від 8,125 до 9,275 мкм, а 13 і 14 канали - від 10,25 до 11,65 мкм.

фізичні закони

Для пояснення законів теплового випромінювання ще в XIX столітті було введено поняття абсолютно чорного тіла. під яким розуміється ідеалізована модель випромінює тіла. Абсолютно чорне тіло (АЧТ) поглинає все випромінювання, всю енергію, що приходить на його поверхню незалежно від довжини хвилі для будь-якої заданої температури, нічого не відбиваючи. При цьому АЧТ може випромінювати хвилі будь-якої частоти. В теорії теплового випромінювання поняття абсолютно чорного тіла використовується для порівняльної оцінки радіаційних властивостей всіх реальних тіл. Однією з основних відносних показників, які визначають співвідношення між тепловими характеристиками АЧТ і реальних тіл, і що дозволяють оцінити здатність реального тіла випромінювати, є випромінювальна здатність. Випромінювальна здатність - це відношення потоку енергії, що випромінюється даним тілом, до потоку енергії, що випромінюється абсолютно чорним тілом при тій же температурі.

Теплове випромінювання навіть при одній і тій же температурі складається з «набору» випромінювань з різними довжинами хвиль. Ступінь участі різних довжин хвиль в потоці теплового випромінювання тіла, нагрітого до певної температури, описується законом Планка:

де u - випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла, з - швидкість світла, λ - довжина хвилі, Т - температура.

Сформульований в 1900 році закон Планка враховує квантову природу світла, з цієї закономірності можна вивести і відкриті раніше закони Стефана-Больцмана, Вина, Кирхгофа і ін.

Основна частота випускається випромінювання збільшується з підвищенням температури. Наприклад, нагріте до червоного кольору об'єкт більше випромінює в довгохвильовій частині видимої ділянки спектра, чому і здається червоним. Якщо об'єкт нагрівається ще сильніше, основна частота випромінювання зміщується до середини видимої ділянки спектру, яку випромінює частота дає сприйняття нагрітого об'єкта як білого. Цю закономірність добре ілюструє стійкий вираз «нагріти до сказу». Залежність довжини хвилі, що відповідає максимальному випромінювання, тобто основній частоті випускається випромінювання, від абсолютної температури, описується законом зміщення Віна.

Мал. 2 Закон зміщення Віна

На Рис.2 значення максимуму для кожної кривої переміщається вліво в короткохвильову область при збільшенні температури. Знаходження переважної довжини хвилі дає цінну інформацію про те діапазоні інфрачервоної теплової частини спектра, яку слід використовувати для вивчення необхідного об'єкта. Так, для вогнищ загоряння в лісах з температурою близько 800 K, відповідно до закону Вина, переважаючою довжиною хвилі буде 3,62 мкм, і тоді найбільш підходящим діапазоном для зондування буде 3-5 мкм. Якщо ж ми зацікавлені у вивченні грунту, води, гірських порід (температура яких близько 300 K з переважаючою довжиною хвилі 9,67 мкм), тоді найбільш підходящим діапазоном для дослідження буде діапазон від 8 до 15 мкм.

Загальна кількість випромінювання всіх частот збільшується дуже швидко при підвищенні температури. Енергія спектрального випромінювання, що випускається одиницею поверхні АЧТ, пропорційна четвертого ступеня його температури. Наприклад, об'єкт, що має температуру кухонної духовки (яка в 2 рази вище кімнатної температури в шкалі абсолютних температур - 600 K проти 300 K) випромінює в 16 разів більше енергії з одиниці площі. Ця закономірність носить назву закону Стефана-Больцмана. P = εσT 4. де σ - постійна, T - абсолютна температура, ε - випромінювальна здатність. Таким чином, відповідно до закону Стефана-Больцмана, в реальних умовах відмінності в випромінюванні об'єктів земної поверхні пов'язані з відмінностями в значеннях не тільки їх температури, але і випромінювальної здатності. Тому, при роботі з даними дистанційного зондування в тепловому інфрачервоному діапазоні, говорять не про температурні, а про теплових (рідше - радіаційних) контрастах.

Співвідношення між поглощательной і випромінювальною здатністю об'єктів описує закон Кірхгофа. Г.Кірхгоф довів, що відношення іспускательной і поглощательной здібностей не залежить від природи тіла і є для всіх тіл однією і тією ж функцією частоти (довжини хвилі) випромінювання і температури: відповідно до закону випромінювання Кірхгофа, тіло, яке при даній температурі сильніше поглинає, повинне інтенсивніше випромінювати.

Випромінювальні властивості земних об'єктів

Дуже важливим параметром, що враховуються при дистанційному вивченні поверхні, є випромінювальна здатність ь об'єктів. Об'єкти навколишнього світу - гірські породи, грунту, рослини, води і т.д. - мають деякі властивості, які визначають різну інтенсивність випромінювання різних об'єктів при однаковій температурі. Ці відмінності закладені в основу поняття випромінювальної здатності. Відмінності в випромінювальної здатності об'єктів є причиною неможливості безпосереднього визначення температури об'єктів по тепловим знімкам. Якщо ми повернемося до закону Стефана-Больцмана, ми побачимо, що інтенсивність теплового випромінювання, що відображається на теплових інфрачервоних знімках (величина P в формулі), пов'язана з температурою через константу (яка визначається через закон Планка для випромінювання) і через величину випромінювальної здатності, яка, в загальному випадку, є невідомою.

Таким чином, два об'єкти земної поверхні можуть мати абсолютно однакові кінетичні температури, але при цьому характеризуватися різною інтенсивністю теплового випромінювання, що фіксується методами дистанційного зондування, в силу відмінностей значень їх випромінювальної здатності. Випромінювальна здатність об'єктів, певна по знімках, може залежати від певного набору факторів, що відносяться як до властивостей об'єктів, так і до особливостей отримання даних:

Колір. Об'єкти, що мають більш темний колір, краще поглинають і випромінюють електромагнітну енергію (тобто вони характеризуються більшою випромінювальною здатністю), ніж більш світлі об'єкти, що відображають більшість приходить на їх поверхню енергії.

Шорсткість поверхні. Чим більшу шорсткість має поверхню об'єкта в порівнянні з довжиною падаючої на нього хвилі, тим більший потенціал має дана поверхню для поглинання і випромінювання енергії.

Спрессованность матеріалу. Випромінювальна здатність грунту, наприклад, залежить від ступеня спресованості (конгломерірованності): більш пухкі матеріали мають менший потенціал акумуляції теплової енергії.

Просторовий охоплення і дозвіл зйомки. Випромінювальна здатність більш дрібних об'єктів і складаються з них більших об'єктів при зйомці з різним дозволом різниться. Так, наприклад, випромінювальна здатність одного листа, виміряна за допомогою теплового радіометра з високою роздільною здатністю, буде інший, ніж вся крона дерева, видна при використанні радіометрів більш низької роздільної здатності. Це властивість враховується при зйомці не тільки в тепловому діапазоні, але також і у видимому і ближньому ІЧ-діапазоні.

Довжина хвилі. Випромінювальна здатність залежить від довжини хвилі випромінювання самого об'єкта. Різні об'єкти випромінюють хвилі кілька різної довжини. Відмінності в спектральної випромінювальної здатності об'єктів в тепловому інфрачервоному діапазоні використовується для їх поділу на багатозональних знімках.

Кут огляду. Випромінювальна здатність об'єкта може змінюватися в залежності від кута, під яким його фіксує датчик.

Випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла приймається за одиницю, а для всіх реальних об'єктів вона лежить в межах між 0 і 1. Особливо низькими значеннями випромінювальної здатності відрізняються метали і скло, що призводить до появи на знімках в тепловому інфрачервоному діапазоні характерних темних плям на місці будівель і споруд зі скляними або відполірованими металевими дахами.

Випромінювальна здатність деяких матеріалів приведена в таблиці.