Использование космических снимков в тепловом инфракрасном
диапазоне для географических исследований
    
    

Физические основы дистанционного зондирования Земли в тепловом инфракрасном диапазоне

Свойства теплового излучения

Во всех объектах окружающего мира, имеющих температуру выше абсолютного нуля (0 K или —273оС), происходит беспорядочное движение частиц вещества — молекул. Энергия молекул в хаотическом движении называется кинетической энергией. Когда молекулы соударяются, они изменяют свое энергетическое состояние и испускают электромагнитное излучение. Это излучение называют тепловым.

Термоядерный синтез, происходящий на Солнце, производит мощный поток излучения в широком спектре, состоящий в том числе из коротковолнового видимого излучения. Часть этого коротковолнового излучения проходит через атмосферу и поглощается поверхностью Земли, преобразуясь в кинетическую энергию земных объектов, т.е. нагревает их. Это, а также различные техногенные (промышленное производство, коммунальное хозяйство) и природные процессы (сейсмическая активность, процессы минералогенеза) в совокупности создают условия для формирования потока собственного электромагнитного излучения объектов. Таким образом, все земные объекты, излучающие тепловую энергию, можно разделить на две группы - имеющие внутренний источник тепла и нагревающиеся под действием непрерывно меняющегося потока солнечной радиации. Объекты, характеризующиеся интенсивностью теплового излучения, существенно отличающейся от интенсивности теплового излучения окружающей территории, окружающих объектов (как в большую, так и в меньшую сторону), принято называть тепловыми аномалиями. Совокупность тепловых аномалий образует геотемпературное поле местности.

Электромагнитное излучение, испускаемое земными объектами разной температуры, является в большинстве случаев длинноволновым (до 1 мм). Часть такого испускаемого длинноволнового излучения проходит через атмосферу и может быть зафиксирована инфракрасными тепловыми датчиками (другая часть задерживается в атмосфере). Именно такая длинноволновая радиация, регистрируемая сенсорами, и предоставляет информацию о тепловых характеристиках земной поверхности и объектов на ней.

Все объекты на поверхности Земли, природные или антропогенные, излучают тепловые инфракрасные волны, что обусловливает возможность их дистанционного зондирования в тепловом диапазоне. Тепловой инфракрасный диапазон расположен за видимой, ближней и средней инфракрасной частями электромагнитного спектра (3-1000 мкм). В дистанционном зондировании Земли из космоса тепловой диапазон понимается более узко, поскольку атмосфера задерживает большую часть излучения, и потому прием теплового излучения ведется только в участках спектра, соответствующих окнам прозрачности атмосферы (см. Рис. 1). Используются диапазоны 3,0-5,0 мкм и 8,0-14,0 мкм.



Рис. 1
Окна прозрачности атмосферы

В диапазоне 8,0-14,0 мкм озоновый слой земной атмосферы (O3) поглощает большое количество теплового излучения с длиной волны от 9,2 мкм до 10,2 мкм. Поэтому спутниковые системы инфракрасного теплового зондирования регистрируют данные только в промежутках 8,0-9,2 мкм и 10,5-12,5 мкм для исключения этого участка поглощения электромагнитных волн. Например, первые три тепловых канала радиометра ASTER (10-12) охватывают диапазон от 8,125 до 9,275 мкм, а 13 и 14 каналы — от 10,25 до 11,65 мкм.


Физические законы

Для объяснения законов теплового излучения ещё в XIX веке было введено понятие абсолютно чёрного тела, под которым понимается идеализированная модель излучающего тела. Абсолютно чёрное тело (АЧТ) поглощает всё излучение, всю энергию, приходящую на его поверхность независимо от длины волны для любой заданной температуры, ничего не отражая. При этом АЧТ может излучать волны любой частоты. В теории теплового излучения понятие абсолютно чёрного тела используется для сравнительной оценки радиационных свойств всех реальных тел. Одной из основных относительных характеристик, устанавливающих соотношение между тепловыми характеристиками АЧТ и реальных тел, и позволяющих оценить способность реального тела излучать, является излучательная способность. Излучательная способность — это отношение потока энергии, излучаемого данным телом, к потоку энергии, излучаемому абсолютно чёрным телом при той же температуре.

Тепловое излучение даже при одной и той же температуре состоит из «набора» излучений с разными длинами волн. Степень участия разных длин волн в потоке теплового излучения тела, нагретого до определённой температуры, описывается законом Планка:

где u — излучательная способность абсолютно чёрного тела, с  — скорость света, λ — длина волны, Т — температура.

Сформулированный в 1900 году закон Планка учитывает квантовую природу света, из этой закономерности можно вывести и открытые ранее законы Стефана-Больцмана, Вина, Кирхгофа и др.

Основная частота испускаемого излучения увеличивается с повышением температуры. Например, нагретый до красного цвета объект больше излучает в длинноволновой части видимого участка спектра, почему и кажется красным. Если объект нагревается ещё сильнее, основная частота излучения смещается к середине видимого участка спектра, излучаемая частота даёт восприятие нагретого объекта как белого. Эту закономерность хорошо иллюстрирует устойчивое выражение «нагреть до белого каления». Зависимость длины волны, соответствующей максимальному излучению, т.е. основной частоте испускаемого излучения, от абсолютной температуры, описывается законом смещения Вина.

Рис. 2 Закон смещения Вина

На Рис.2 значение максимума для каждой кривой перемещается влево в коротковолновую область при увеличении температуры. Нахождение преобладающей длины волны даёт ценную информацию о том диапазоне инфракрасной тепловой части спектра, которую следует использовать для изучения необходимого объекта. Так, для очагов возгорания в лесах с температурой около 800 K, согласно закону Вина, преобладающей длиной волны будет 3,62 мкм, и тогда наиболее подходящим диапазоном для зондирования будет 3-5 мкм. Если же мы заинтересованы в изучении почвы, воды, горных пород (температура которых около 300 K с преобладающей длиной волны 9,67 мкм), тогда наиболее подходящим диапазоном для исследования будет диапазон от 8 до 15 мкм.

Общее количество излучения всех частот увеличивается очень быстро при повышении температуры. Энергия спектрального излучения, испускаемого единицей поверхности АЧТ, пропорциональна четвертой степени его температуры. Например, объект, имеющий температуру кухонной духовки (которая в 2 раза выше комнатной температуры в шкале абсолютных температур — 600 K против 300 K) излучает в 16 раз больше энергии с единицы площади. Эта закономерность носит название закона Стефана-Больцмана: P = εσT4, где σ - постоянная, T - абсолютная температура, ε - излучательная способность. Таким образом, в соответствии с законом Стефана-Больцмана, в реальных условиях различия в излучении объектов земной поверхности связаны с различиями в значениях не только их температуры, но и излучательной способности. Поэтому, при работе с данными дистанционного зондирования в тепловом инфракрасном диапазоне, говорят не о температурных, а о тепловых (реже - радиационных) контрастах.

Соотношение между поглощательной и излучательной способностью объектов описывает закон Кирхгофа. Г.Кирхгоф доказал, что отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела и является для всех тел одной и той же функцией частоты (длины волны) излучения и температуры: согласно закону излучения Кирхгофа, тело, которое при данной температуре сильнее поглощает, должно интенсивнее излучать.


Излучательные свойства земных объектов

Очень важным параметром, учитываемым при дистанционном изучении поверхности, является излучательная способность объектов. Объекты окружающего мира - горные породы, почвы, растения, воды и т.д. - обладают некоторыми свойствами, которые определяют различную интенсивность излучения разных объектов при одинаковой температуре. Эти различия заложены в основу понятия излучательной способности. Различия в излучательной способности объектов являются причиной невозможности непосредственного определения температуры объектов по тепловым снимкам. Если мы вернёмся к закону Стефана-Больцмана, мы увидим, что интенсивность теплового излучения, отображаемая на тепловых инфракрасных снимках (величина P в формуле), связана с температурой через константу (определяемую через закон Планка для излучения) и через величину излучательной способности, которая, в общем случае, является неизвестной.

Таким образом, два объекта земной поверхности могут иметь абсолютно одинаковые кинетические температуры, но при этом характеризоваться различной интенсивностью теплового излучения, фиксируемой методами дистанционного зондирования, в силу различий значений их излучательной способности. Излучательная способность объектов, определенная по снимкам, может зависеть от определенного набора факторов, относящихся как к свойствам объектов, так и к особенностям получения данных:

  • Цвет. Объекты, имеющие более тёмный цвет, лучше поглощают и излучают электромагнитную энергию (т.е. они характеризуются большей излучательной способностью), чем более светлые объекты, отражающие большинство приходящей на их поверхность энергии.
     

  • Шероховатость поверхности. Чем большую шероховатость имеет поверхность объекта в сравнении с длиной падающей на него волны, тем больший потенциал имеет данная поверхность для поглощения и излучения энергии.
     

  • Содержание влаги. Чем больше объект содержит влаги, тем выше его способность поглощать и излучать энергию т.к. вода имеет высокую излучательную способность (что проявляется, в частности, в её низкой теплопроводности). Так, влажные участки почвы имеют высокую излучательную способность, сходную с излучательной способностью воды.
     

  • Спрессованность материала. Излучательная способность почвы, например, зависит от степени спрессованности (конгломерированности): более рыхлые материалы имеют меньший потенциал аккумуляции тепловой энергии.
     

  • Пространственный охват и разрешение съёмки. Излучательная способность более мелких объектов и состоящих из них более крупных объектов при съёмке с различным разрешением различается. Так, например, излучательная способность одного листа, измеренная с помощью теплового радиометра высокого разрешения, будет иной, нежели вся крона дерева, видная при использовании радиометров более низкого разрешения. Это свойство учитывается при съёмке не только в тепловом диапазоне, но также и в видимом и ближнем ИК-диапазоне.
     

  • Длина волны. Излучательная способность зависит от длины волны излучения самого объекта. Разные объекты излучают волны несколько разной длины. Различия в спектральной излучательной способности объектов в тепловом инфракрасном диапазоне используется для их разделения на многозональных снимках.
     

  • Угол обзора. Излучательная способность объекта может меняться в зависимости от угла, под которым его фиксирует датчик.

Излучательная способность абсолютно черного тела принимается за единицу, а для всех реальных объектов она лежит в пределах между 0 и 1. Особенно низкими значениями излучательной способности отличаются металлы и стекло, что приводит к появлению на снимках в тепловом инфракрасном диапазоне характерных тёмных пятен на месте зданий и сооружений со стеклянными или отполированными металлическими крышами.

Излучательная способность некоторых материалов приведена в таблице.

Вода 0,92-0,98
Бетон 0,71-0,90
Асфальт 0,95
Суглинистая почва, сухая 0,92
Суглинистая почва, влажная 0,95
Растительность, сомкнутый покров 0,98
Растительность, разреженный покров 0,96
Трава 0,97
Отполированные металлы 0,07-0,20
Снег 0,83-0,85
Краска 0,90-0,96
Кожа человека 0,98
Абсолютно чёрное тело 1,0

 

    
  © 2012 г. Балдина Е.А., Грищенко М.Ю., Федоркова Ю.В., лаборатория аэрокосмических методов, Географический факультет  Вверх | Литература | На главную