Раздел 2. Физические основы, технические средства и технологии получения аэрокосмических снимков
Тема 2.1 Физические основы космоаэросъёмки
Электромагнитный спектр
Солнечное излучение и его отражение объектами земной поверхности
Характеристика собственного излучения Земли.
Влияние атмосферы на регистрируемое излучение.
Искусственное излучение.
2.1.1 Электромагнитный спектр.
Основой аэрокосмических методов является регистрация электромагнитных волн приборами. Посредством распространения электромагнитной энергии в пространстве (в том числе космическом) электромагнитные лучи переносят зашифрованную в них информацию. Существует различные виды электромагнитной энергии. Например, видимый свет также представляет собой один из видов электромагнитной энергии, также как радиоволны, теле-, радио- и радиолокационные сигналы, рентгеновские лучи и, наконец, электронные цифровые импульсы. Электромагнитная энергия распространяется в свободном пространстве со скоростью около 300000 км/сек.
Электромагнитные волны представляют собой переменные магнитные и электрические поля, перпендикулярные друг другу и направлению распространения (рисунок 1). Часто электромагнитной волны изображаются синусоидальной кривой.
Главное отличие различных электромагнитных волн заключается в их частоте или длине волны. Частота определяется числом синусоидальных колебаний за секунду и выражается в герцах (Гц). Длина волны - это расстояние между идентичными точками двух последовательных волн (или расстояние, которое проходит волна за один цикл колебаний). Длина волны и частота взаимосвязаны. Длина волны (λ) равна скорости волны (v), деленной на ее частоту (f): λ = v/f.
Рисунок 1 – Электромагнитная волна
Электромагнитные волны классифицируются по длине волны или связанной с ней частотой волны. Эти параметры характеризуют не только волновые, но и квантовые свойства электромагнитного поля. Совокупность (полоса) частот электромагнитных волн, существующих в природе, расположенных по порядку величин их частот, или длин волн, называется электромагнитным спектром. В начале спектра расположены низкочастотные (с большой длиной волны) радиоволны, затем идут микроволны, инфракрасные (тепловые) волны, свет (видимый спектр), ультрафиолетовые волны, затем рентгеновские лучи и высокочастотные гамма-лучи (рисунок 2).
Радиоволны представляют собой электромагнитные волны, длины которых превосходят 0,1 мм (частота меньше 3 1012 гц = 3000 Ггц). Радиоволны делятся на:
1. Сверхдлинные волны с длиной волны больше 10 км (частота меньше 3 104 гц = 30кгц);
2. Длинные волны в интервале длин от 10 км до 1 км (частота в диапазоне 3 104 гц -3 105гц=300кгц);
3. Средние волны в интервале длин от 1 км до 100 м (частота в диапазоне 3 105 гц -3106гц=3мгц);
4. Короткие волны в интервале длин волн от 100м до 10м (частота в диапазоне 3106 гц-3107гц=30мгц);
5. Ультракороткие волны с длиной волны меньше 10м(частота больше 3107 гц=30Мгц). Ультракороткие волны в свою очередь делятся на :
а) метровые волны;
б) сантиметровые волны;
в) миллиметровые волны;
г) субмиллиметровые или микрометровые.
Волны с длиной волны меньше, чем 1 м (частота меньше чем 300 мгц) называются микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ-волны).
Рисунок 2 – Электромагнитный спектр
Инфракрасное излучение (ИК-излучение) занимает спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением. Диапазон ИК-излучения делится на:
а) коротковолновую область (λ = 0,74–2,5 мкм)
б) средневолновую область (λ = 2,5–50 мкм)
в) длинноволновую область (λ = 50–2000 мкм)
Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы.
Видимое излучение названо так потому, что оно различимо человеческим глазом. Оно занимает участок спектра с длиной волны приблизительно от 380 (фиолетовый) до 740 нм (красный). При этом спектр видимого света состоит из ряда световых волн одной длины, имеющих собственные спектральные цвета:
а) красный (длина волны от 625 до 740 нм);
б) оранжевый (длина волны от 590 до 625 нм);
в) жёлтый (длина волны от 565 до 590 нм);
г) зелёный (длина волны от 500 до 565 нм);
д) голубой (длина волны от 485 до 500 нм);
е) синий (длина волны от 440 до 485нм);
ж) фиолетовый (длина волны от 380 до 440 нм).
В спектре содержаться не все цвета, которые различает человеческий мозг. Остальные цвета образуются при смешении спектральных цветов. Наибольшую чувствительность к свету человеческий глаз имеет в области 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра.
Ультрафиолетовое излучение (УФ-излучение) занимает диапазон между фиолетовым концом видимого излучения и рентгеновским излучением (380-10 нм, частота от 7,9×1014 до 3×1016 Гц). Диапазон делится на
а) ближний (380–200 нм)
б) дальний, или вакуумный (200–10 нм) ультрафиолет, который так назван, поскольку интенсивно поглощается атмосферой и исследуется только вакуумными приборами.
В ультрафиолетовом излучении могут видеть многие животные (например, пчёлы, некоторые птицы и т. д.).
Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов.
Гамма-излучение является следствием явлений, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате ядерных реакций.
Граница между рентгеновским и гамма излучением определяются условно. Рентгеновское излучение составляют электромагнитные волны с длиной от 50 нм до 10-3 нм, что соответствует энергии квантов от 20 эВ до 1 МэВ. Гамма-излучение составляют электромагнитные волны с длиной волны меньше 10-2 нм, что соответствует энергии квантов больше 0,1 МэВ. Рентгеновское и гамма-излучение являются ионизирующими, то есть способными вызывать ионизацию атомов и молекул на пути своего распространения.