Солнечное излучение и его отражение объектами земной поверхности

Земля, удаленная от Солнца на 150 млн. км, получает менее одной пятидесятимиллионной части всей излучаемой Солнцем энергии, эта энергия имеет значение не только для большинства методов дистанционных наблюдений, но и поддерживает жизнь на Земле.

Солнце посылает на Землю очень широкий спектр электромагнитных волн, но земная атмосфера пропускает только некоторые из них в спектральном интервале от 0,3 мкм до 20 м. Основная энергия приходится на излучение с длинами волн 0,3-3 мкм, причем максимум энергии – на волны длиной 0,5 мкм.

Излучение, падающее на какой-либо объект, определенным образом взаимодействует с ним: некоторая часть излучения отражается, другая – поглощается и рассеивается внутри объекта, третья – пропускается. Доли отраженного, поглощенного, рассеянного и пропущенного лучистых потоков оцениваются соответствующими коэффициентами, которые по закону сохранения энергии в сумме всегда составляют единицу.

Для объектов суши наиболее важным является отраженное излучение. Из оптических характеристик объектов земной поверхности для получения снимков наибольший интерес представляют коэффициент интегральной яр­кости, яркостный контраст, индикатриса отражения и особенно коэффициент спектральной яркости.

Коэффициент интегральной ярко­сти τ_я, характеризующий величину отраженного потока излуче­ния в заданном направлении по сравнению с упавшим потоком, опре­деляется как отношение яркости объекта В_я к яркости идеального рассеивателя (эталона) В_яо: τ_я = .

Яркость объектов является функцией их освещенности, которая складывается из освещенности прямым солнечным светом, рассеянным све­том небосвода и светом, отраженным от соседних объектов. Каждому объекту соответствует определенный коэффициент интегральной яркости. Например, для снега свежевыпавшего он составляет 1,0, для чернозема – 0,03, песка кварцевого – 0,20, луг суходольный – 0,07 и т.д. в пределах одного ландшафта и даже фации наблюдается существенное варьирование коэффициентов яркости. Но по мере продвижения с севера (от зоны тундры) на юг (до зоны пустынь) коэффициент яркости изменяется от 0,05 до 0,25. Среднее значение коэффициента интегральной яркости в целом принимают равным 0,15 (летом) и 0,50 (зимой).

Яркостный контраст является распространен­ной характеристикой различия двух яркостей объектов В_Я1 и В_Я2 (В_Я1 < В_Я2). Применяют несколько взаимосвязанных выражений для контраста. Среди них наиболее употребительны относительный кон­траст К₀: .

Контраст между наиболее светлыми В_{Я max} и темными В_{Я min} объ­ектами характеризует интервал яркостей аэрокосмического ландшафта U:

Индикатриса отражения (рассеяния) характеризует величину яркости объекта в зависимости от направления наблюдения. Ее изображают графически в виде полярной диаграммы, показывающей коэффициенты яркости объекта по разным направлениям. Различают три основных формы индикатрис отражения (рис.3).

Наи­большую яркость при наблюдении против Солнца имеют объекты с глад­кой (зеркальной) поверхностью. Характерным представителем этой группы является спокойная водная поверхность, ледяной покров, такыры. Матовые (слабо шероховатые) поверхности отражают свет равномерно во все стороны. Такую, так называемую ламбертовскую, индикатрису должен иметь рассеиватель, принимаемый в качестве эталона.

В природе к нему приближаются плоские песчаные поверхности. Объекты с расчлененной (сильно шероховатой) поверхностью имеют индикатрису отражения, вытянутую к источнику света, т.е. противоположную зеркальной поверхности. Максимальная яркость таких объектов (вспаханные почвы, растительный покров) наблюдается со стороны падающих лучей. Асимметрия их индикатрис возрастает с увеличением расчлененности (иссеченности) поверхности.

Коэффициент спектральной яркости характеризует величину отраженного потока излучения в заданном направлении по сравнению с упавшим потоком для определенного узкого диапазона спектра. Так как объекты земной поверхности имеют определенную окраску, их яркость в разных спектральных зонах неодинакова, то и характеризуются они различными коэффициентами спектральной яркости. Графически коэффициенты спектральной яркости представляют в виде так называемой кривой спектральной яркости τ_λ. Значения коэффициентов спектральной яркости хроматических объектов обнаруживают определенный спектральный ход.

Спектральная яркость объектов определяется в основном экспе­риментальным путем. Коэффициенты спектральной яркости измеряют главным образом с помощью фотоэлектрических приборов (спектро­метров) путем сравнения двух отраженных лучистых потоков - от исследуемого объекта и от эталона. Точность определения коэффициен­тов спектральной яркости характеризуется относительной погрешно­стью в 5-10 % при спектральном разрешении 10-20 нм. Спектральную отражательную способность изучают лабораторно, в поле, с самоле­тов и космических аппаратов. В лабораторных условиях на отдельных образцах определяют зависимость коэффициентов яркости от некоторых свойств объектов, например почв - от их влажности, содержания гу­муса, минералогического состава и т.д. При наземном спектрометрировании в полевых условиях изучается суточный ход коэффициентов спектральной яркости, их зависимость от фенологической фазы развития растительности. При аэрокосмическом спектрометрировании, которое является основным видом определения коэффициентов спект­ральной яркости, охватываются значительные площади, а получаемые оптические параметры характеризуют крупные разнородные объекты. Синхронные спектрометрические измерения на земле, с самолета и космического аппарата проводятся для оценки влияния атмосферы на оптические характеристики объектов. Надо учитывать, что отражатель­ная способность, например, отдельного древесного листа (лаборатор­ные измерения) отличается от отражательной способности дерева (наземные измерения), а она, в свою очередь, от отражательной способности участка леса (самолетные измерения) или лесного масси­ва (космические измерения).

К настоящему времени наиболее изучена спектральная отража­тельная способность геологических объектов, растительности, почв. Классическими исследованиями в этой области являются работы Е.Л. Кринова. По отражательной способности в видимом диапазоне спектра все многообразие объектов в ландшафте можно разделить на четыре класса, каждый из которых отличается своеобразной кривой спектральной яркости (рис.4).

I класс (горные породы и почвы) характеризуется увеличением спектральных коэффициентов яркости по мере приближения к красной зоне спектра.

II класс (растительный покров) отличается характерным макси­мумом отражательной способности в зеленой (550 нм), минимумом - в красной (660 нм) и резким увеличением отражения в ближней инфракрасной зоне. Низкая отражательная способность земных расте­ний в красной зоне связана с поглощением, а ее увеличение в зеле­ной зоне - с отражением этих лучей хлорофиллом. Большие коэффици­енты яркости в инфракрасной зоне объясняются пропусканием этих лучей хлорофиллом и отражением их от внутренних тканей листа.

III класс (водные поверхности) характеризуется монотонным уменьшением отражательной способности от сине-фиолетовой к красной зоне спектра, поскольку длинноволновое излучение сильнее поглоща­ется водой.

IV класс (снежные поверхности) обладает наиболее высокими значениями коэффициентов отражения с небольшим их понижением в ближней инфракрасной зоне спектра. Это понижение резко увеличи­вается при насыщении снега водой. Близки к этому классу по ха­рактеру отражения облачные образования, которые имеют несколько узких полос поглощения в длинноволновой части спектра.

Спектральная отражательная способность, неодинаковая для разных классов, различается также у объектов внутри класса. Например, коэффициент спектральной яркости варьирует для разных типов почв: если для дерново-подзолистых (автоморфных) он составляет 16,3, то дерново-подзолистых-заболачиваемых – 7,2, дерново-глеевых – 5,2. Он так же различен и для почв одного типа и зависит от их увлажнения, содержания гумуса и гранулометрического состава. Например, для дерново-подзолистых слабоглееватых (временно избыточно увлажняемых) он составляет 9,0, глееватых – 7,1 и глеевых – 6,7 (рис. 5).

Растительность изме­няет свою отражательную спо­собность в зависимости от фитопатологических изменений и экологических условий; воздействуют также величина проективного покрытия, наличие пыли или росы (рис.6).

Отражательная способность водных объектов зависит от содержания в воде планктона и ее загрязнения - наличия пленки нефти и взвешенных частиц. Загрязнение снега и содержание в нем воды также приводит к изменениям отражательной способности. Таким образом, спектральная отражательная способность реагирует на не­которые свойства объектов и отражает их состояние.

В настоящее время, съемки ведутся в оптическом, инфракрасном-тепловом и СВЧ – диапазонах.

Собственное излучение Земли

Все объекты, имеющие температуру выше -273°К излучают электромагнитные волны. Земля в целом, поглощая солнечную энергию, сама является источником радиации. В соответствии с температурой Земли максимум энергии земного излучения приходится на инфракрас­ные лучи с длиной волны около 10 мкм. У аномально нагретых тел максимум излучения смещается на длине волн 5-7 мкм. Земное инфра­красное излучение, простираясь в сторону коротких воли, при длине волны 3-4 мкм имеет интенсивность, примерно одинаковую с инфра­красным солнечным излучением. В сторону длинных волн оно распрост­раняется до метровых радиоволн. Основная энергия уходящего излу­чения Земли приходится на волны длиной 3-30 мкм.

Для регистрации инфракрасного теплового излучения в настоя­щее время используются две области спектра: 3-5 мкм и 8-12 мкм. Регистрируемая тепловая энергия излучения, сильно зависящая от температуры (она в соответствии с законом Стефана-Больцмана быстро растет с увеличением температуры), позволяет дистанционно измерить температуру объектов. Но даже в случае регистрации не абсолютных температур, а только температурных контрастов, возможно эффективное выделение объектов и характеристика их свойств по температурным аномалиям. По температурному режиму объекты на земной поверхности можно разделить на объекты с температурой, обусловленной внутренним теплом (вулканы, термальные воды, промышленные объекты и т.д.), и объекты, нагреваемые Солнцем. Максимальные температурные контрасты объектов второй группы наблюдаются около полудня: они меньше вечером и значительно сглаживаются ночью, достигая минимума в предутренние часы. Температуры этих объектов существенно зависит от их отражательной способности, экспозиции и крутизны склонов, силы ветра, а также от их теплофизических характеристик. Например, температура лиственных и хвойных лесов различается на 1-2°С; больные растения имеют более высокую температуру. Очень важно, что объекты имеют закономерный суточный ход температуры. Если глубинные источники вод имеют стабильную температуру в тече­ние суток, то поверхностные воды ночью теплее, а днем холоднее окружающей суши. Большое влияние на температурные контрасты ока­зывает увлажненность поверхности в связи с ее охлаждением при испарении. Так в утренние часы на полях хорошо выделяются, по своей температуре холодные увлажненные участки.

Нагретые объекты излучают энергию не только в инфракрасном, но и в радиодиапазоне, хотя радиотепловое излучение по интенсивности значительно уступает инфракрасному. Радиотепловое излучение формируется определённым излучательным слоем, так называемым скин-слоем. Мощность этого слоя тем больше, чем длиннее волна излучения. Основным показателем радиотеплового излучения является радиояркостная температура Т_я, измеряемая в К˚ - произведение абсолютной температуры Т_t и коэффициента излучения æ (закон Релея-Джинса). Т_я= æ Т_t.

Радиояркостная температура реального объекта равна абсолютной температуре абсолютно черного тела, создающего излучение такой же мощности как и данный объект. Коэффициент излучения, входящий в формулу радиояркостной температуры для абсолютно черного тела равен единице, а для остальных реальных объектов он меньше. Этот коэффициент или, как говорят, степень черноты объекта, значитель­но варьирует, он зависит от электрических свойств объекта, характера его поверхности, длины волны. Наименьшую радиояркостную температуру имеет вода (~100°К), наибольшую – растительность (~300°К). На радиояркостную температуру водной поверхности оказы­вает существенное влияние волнение. Волны на водной поверхности увеличивают ее яркостную температуру, так как пористые пенистые гребни имеют более высокий коэффициент излучения, чем вода. Радиояркостная температура льда обычно на несколько десятков градусов выше чем воды. Это объясняется более высоким коэффициентом излучения льда, причем излучательная способность пресноводных льдов выше, чем морских.

Радиационные характеристики почвенного покрова в СВЧ-диапазоне помимо температуры зависят от механического состава, рассеченности поверхности, но наибольшее влияние оказывает влажность почв. Перепад уровней радиоизлучения сухой почвы и почвы в состоянии полной влагоемкости составляет 50-100°К. Излучение разных длин волн несет информацию о влажности почвы на разных глубинах. По радиотепловому излучению удается определить влагосодержание по­верхностного слоя почвы толщиной 1-2 дм.

Растительный покров обладает наиболее высокими излучателъными свойствами, которые приближаются к свойствам идеального излу­чателя – абсолютно черного тела. Коэффициент излучения раститель­ного покрова близок к единице. Его радиояркостная температура увеличивается пропорционально высоте и густоте растений. Радиотепловое излучение почвенно-растителъного покрова различных зон (тайга, тундра, степь, пустыня) заметно различается. Оно имеет выраженный годовой ход с максимумом в летний период.

Опыт показывает, что радиотепловое излучение, регистрируемое в разных зонах, целесообразно использовать для характеристики вполне определенных объектов и явлений. Так, миллиметровые волны наиболее пригодны для изучения атмосферы, сантиметровые – льдов, дециметровые – засоленности водоемов и т.д.

Искусственное излучение

В аэрокосмических методах помимо естественного излучения ис­пользуется и искусственное. Принципиально для искусственного из­лучения можно использовать электромагнитные волны всех диапазонов. В настоящее время наибольшее значение имеет использование радиоизлучения СВЧ-диапазона, беспрепятственно достигающего земной поверхности независимо от метеорологических условий. Например, при радиолокационной съемке снимаемая местность облучается импульсами радиоволн, вырабатываемых генератором, установленным на носителе. Отраженные радиоволны, несущие информацию о изучаемых объектах, регистрируются приемником, находящимся на том же носителе. Важнейшими характеристиками отражения радиоволн, так же как и световых являются коэффициент и индикатриса отражения. Коэффициент отражения зависит от таких параметров объекта, как диэлектрическая проницае­мость и плотность, а индикатриса отражения - от его шероховатости. Отражательная способность объектов в радиодиапазоне изучена зна­чительно хуже, чем в световом. Но уже сейчас установлено, что ин­тенсивность отраженного радиолуча зависит от влажности почв, минералнзации водоемов, вида сельскохозяйственных культур и т.п.

Интенсивность отражения в радиодиапазоне зависит от направленности зондирующих волн. Если плоскость поляризации параллельна ориентировке линейных элементов местности, то отражение будет интенсивнее, 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. Регистрация этих сигналов позволяет более надежно характеризовать объект или явле­ние.

Весьма ценное свойство радиоизлучения – его проникающая способность. Глубина проникновения увеличивается пропорционально длине волны излучения и зависит от физико-химических свойств по­верхности, главным образом диэлектрической постоянной. В качестве примера отметим, что короткие радиоволны рассеиваются растительностью, а длинные проникают сквозь нее. Проникновение радиоволн в воду, особенно морскую, значительно слабее, чем в грунт. В пресную воду радиоизлучение проникает лучше. При коротких длинах волн и глинистой влажной почве глубина проникновения составляет миллиметры, при длинных волнах и сухой песчаной почве – десятки метров.

Отражение радиоволн меняется при наличии неоднородностей в строении отражающего слоя, например водоносных слоев, интенсивно отражающих радиоволны, что используется для поиска линз грунтовых вод и для определения глубины их залегания. При этом удается достигать глубин в десятки метров, а для сухих верхних грунтов - до сотен метров.