ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 2 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ 1. Εισαγωγή. Η ενέργεια, όπως είναι γνωστό από τη φυσική, διαδίδεται με τρεις τρόπους: Α) δι' αγωγής Β) δια μεταφοράς Γ) δι'ακτινοβολίας Ο τελευταίος τρόπος διάδοσης της ενέργειας είναι μεγάλης σπουδαιότητας και ενδιαφέροντος για τη τηλεπισκόπηση. Για την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία υπάρχουν δύο μοντέλα τα οποία εξηγούν και περιγράφουν τα χαρακτηριστικά της. Το μοντέλο των κυμάτων Σύμφωνα με τη θεωρία των κυμάτων, η οποία αναπτύχθηκε από τον Maxwell, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι συνισταμένη δύο πεδίων δυνάμεων του ηλεκτρικού και του μαγνητικού. Τα πεδία αυτά είναι κάθετα μεταξύ τους και προς τη διεύθυνση διάδοση τους. Η διάδοση της ακτινοβολίας δεν απαιτεί την ύπαρξη κανενός ιδιαίτερου μέσου και γίνεται υπό τη μορφή αρμονικών ημιτονοειδών κυμάτων και με σταθερή ταχύτητα στο κενό 299.793 Km/sec (ταχύτητα του φωτός.) Τρεις βασικοί παράμετροι ορίζουν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Αυτές είναι: Το μήκος κύματος (λ), δηλαδή η απόσταση μεταξύ των κορυφών δυο διαδοχικών κυμάτων του ιδίου φορτίου, η ταχύτητα (c), δηλαδή η ταχύτητα διάδοσης των κυμάτων και η συχνότητα (ν), δηλαδή ο αριθμός των κορυφών των κυμάτων τα οποία περνούν από ένα συγκεκριμένο σημείο σε μια δεδομένη περίοδο ή μονάδα του χρόνου. Η σχέση μεταξύ των παραπάνω παραμέτρων είναι: λ=c/ν Στη τηλεπισκόπιση ο χαρακτηρισμός των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων γίνεται με βάση το μήκος τους. Μια μονάδα μέτρησης του μήκους κύματος είναι το μικρόμετρο(μιη) το οποίο ισούται με 1 *10-6 m. Το μοντέλο των σωματιδίων ή ασυνεχών μονάδων Η θεωρία αυτή, η οποία αναπτύχθηκε από τον Planck το 1900, υποστηρίζει ότι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αποτελείται από άπειρες μικρές ασυνεχείς μονάδες οι οποίες μεταφέρουν ενέργεια. Οι μονάδες αυτές καλούνται φωτόνια ή κβάντα. Η σχέση μεταξύ της συχνότητας της ακτινοβολίας η οποία εκφράζεται με τη θεωρία των κυμάτων και της ενέργειας των κβάντα είναι: E=h*v όπου Ε = η ενέργεια ενός κβάντουμ σε Joules h = η σταθερή του Planck η οποία ισούται με 6,625*10-34 Joules ανά δευτερόλεπτο, ν = η συχνότητα διάδοσης των κυμάτων της ακτινοβολίας. Από τον παραπάνω τύπο φαίνεται ότι όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος της ακτινοβολίας και όσο μεγαλύτερη η συχνότητα της, τόσο μεγαλύτερη ενέργεια μεταφέρει. Η σχέση αυτή είναι βασική για την τηλεπισκόπηση, γιατί φυσική εκπομπή ακτινοβολίας μεγάλου μήκους κύματος από την επιφάνεια της γης δύσκολα εντοπίζεται εξαιτίας της μικρής ενέργειας που μεταφέρει και αντίθετα. 2. Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα Όπως αναφέρθηκε παραπάνω η ηλεκτρομαγνητική χαρακτηρίζεται από το μήκος κύματος. Τα όρια της ακτινοβολίας, χωρίς να είναι απολύτως γνωστά, θεωρείται ότι είναι το 10-7μm (κοσμικές ακτίνες) και το 1010μm (κύματα ραδιοφώνου). Μεταξύ αυτών των ακραίων τιμών υπάρχει μία συνέχεια μηκών κυμάτων τα οποία συνθέτουν το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Το φάσμα διαιρείται σε περιοχές οι οποίες έχουν διάφορα ονόματα. Η πιο γνωστή είναι η ορατή ακτινοβολία δηλαδή το ηλιακό φως. Το μέρος αυτό του φάσματος είναι απειροελάχιστο και κυμαίνεται περίπου μεταξύ 0,37μm και 0,70μm. Τα τρία βασικά χρώματα που συνθέτουν το ηλιακό φως είναι το μπλε, το πράσινο και το κόκκινο. 3. Ακτινοβολία πραγματικών υλικών Κάθε αντικείμενο με θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν (-273°C) εκπέμπει συνεχώς ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Ο ήλιος είναι η κύρια πηγή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Επίσης όλα τα αντικείμενα της επιφάνειας της γης εκπέμπουν ακτινοβολία. Η ένταση και ο φασματικός χαρακτήρας της ακτινοβολίας είναι συνάρτηση του υλικού του αντικειμένου αλλά κυρίως της θερμοκρασίας της επιφάνειας του. Σύμφωνα με το Νόμο των Stefan-Boltzeman W=σ*t4 όπου: W = η ένταση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από την επιφάνειας ενός σώματος (Watt/m2) t = η θερμοκρασία της επιφάνειας του σώματος σε °Κ (βαθμοί Kelvin= βαθμοί Celcius + 273°). σ = η σταθερά των Stefan-Boltzeman η οποία ισούται με 5,6697*10-8 Watt/m2 και °Κ4 Από τον τύπο φαίνεται ότι η ένταση της ακτινοβολίας είναι συνάρτηση της τέταρτης δύναμης της θερμοκρασίας. Επομένως η αύξηση της έντασης γίνεται πολύ γρήγορα σε σχέση με την αύξηση της θερμοκρασίας. Εκτός από την ένταση και ο φασματικός χαρακτήρας της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία του αντικειμένου. Σύμφωνα με το Νόμο Μετατόπισης του Wein λmax = α/t λmax = το μέγιστο μήκος κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. α = σταθερά που ισούται με 2829 μm/ °Κ t = η θερμοκρασία της επιφάνειας του σώματος σε °Κ Επομένως όσο αυξάνει η θερμοκρασίας ενός σώματος τόσο το μήκος κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας μετατοπίζεται προς το μέρος του φάσματος με τα μικρότερα μήκη κύματος. 4. Διαδρομή της ακτινοβολίας από την πηγή στον καταγραφέα. Ως πηγή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας θεωρείται ότι είναι ο ήλιος. Η ακτινοβολία που ξεκινά από αυτόν μεταδίδεται δια μέσου του διαστήματος και της ατμόσφαιρας, ανακλάται από τα διάφορα αντικείμενα της επιφάνειας της γης, ξαναπερνά δια μέσου της ατμόσφαιρας και φθάνει στο σύστημα καταγραφής του αεροπλάνου ή του δορυφόρου. Εκεί αφού περάσει τα φίλτρα και το σύστημα φακών, φθάνει στον καταγραφέα ο οποίος μπορεί να είναι κάποιο φιλμ για τη περίπτωση της φωτογραφικής μηχανής ή διάφοροι ανιχνευτές ακτινοβολίες για την περίπτωση του δορυφόρου. Η ακτινοβολία που τελικά φθάνει από την πηγή στον καταγραφέα έχει υποστεί κατά την πορεία της διάφορες μεταβολές και αλλοιώσεις. Όση από αυτή δε χάνεται στο διάστημα (η ποσότητα είναι πολύ μικρή) και δε διαχέεται από τα διάφορα αντικείμενα της επιφάνειας της γης ή τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας, απορροφάται, ανακλάται ή μεταδίδεται. 4.1. Διαδρομή της ακτινοβολίας από την πηγή στα αντικείμενα. 1) Επιδράσεις της ατμόσφαιρας Η ατμόσφαιρα, η οποία φθάνει μέχρι τα 402 Km πάνω από τη γη, είναι ένα εξαιρετικά πολύπλοκο μέσο. Ενώ φαίνεται διαφανής στο φως, υπάρχει μία μεγάλη ποικιλία αιωρούμενων συστατικών τα οποία επιδρούν πάνω στην ηλιακή ακτινοβολία. Αποτέλεσμα των επιδράσεων αυτών είναι η αλλαγή του χαρακτήρα και η μείωση της έντασης της ακτινοβολίας που φθάνει στα αντικείμενα της επιφάνειας της γης. Τα συστατικά της ατμόσφαιρας που προκαλούν απώλειες και μεταβολές στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι τα εξής: α) Όζον: Το στρώμα του όζοντος απορροφά ολόκληρη την ακτινοβολία με μήκος κύματος μικρότερο από 0,3 μιη. Επομένως η επίδραση πάνω στην ακτινοβολία είναι πολύ σημαντική, γιατί το απορροφούμενο μέρος είναι επικίνδυνο και σε μεγαλύτερες ποσότητες καταστρεπτικό για τους ζωντανούς οργανισμούς. β) Υδρατμοί: Τα σταγονίδια του νερού στην ατμόσφαιρα διαχέουν κυρίως την ορατή και μέρος της υπέρυθρης ακτινοβολίες. Αποτέλεσμα της επίδρασης αυτής είναι η γνωστή σε όλους μας άχλη ή ομίχλη της ατμόσφαιρας. γ) Σύννεφα: Ο βαθμός μείωσης της ακτινοβολίας εξαρτάται από το είδος και την πυκνότητα των σύννεφων. Μπορεί να φθάσει μέχρι και μηδενισμού της. Τα σύννεφα πρακτικά κάνουν αδύνατη τη λήψη αεροφωτογραφιών. Αν όμως υπάρχει συννεφιά και παρθούν αεροφωτογραφίες κάτω από τα σύννεφα, τότε η έλλειψη σκιάς από τα διάφορα αντικείμενα διευκολύνει τη φωτοερμηνεία και τη συλλογή πληροφοριών. δ) CO2: Το διοξείδιο του άνθρακα απορροφά μεγάλος μέρος της ακτινοβολίας στη φασματική περιοχή μεταξύ 2 και 15 μm. ε) Σκόνη, Καπνός: Η σκόνη και ο καπνός της ατμόσφαιρας είναι σημαντικοί παράγοντες μεταβολών και αλλοιώσεων της ηλιακής ακτινοβολίας. 2) Επιδράσεις της ακτινοβολία. ατμόσφαιρας πάνω στην ηλεκτρομαγνητική α) Διάχυση. Η σημαντικότερη αιτία μείωσης της ακτινοβολίας στην ορατή και ανακλούμενη υπέρυθρη περιοχή του φάσματος είναι η διάχυση. Αυτή θεωρητικά διαιρείται σε τρεις κατηγορίες οι οποίες είναι Rayleigh (Ρειλέι), η Mie (Μάι) και η μη εκλεκτική διάχυση. Η Rayleigh διάχυση είναι αποτέλεσμα της παρουσίας στην ατμόσφαιρα μοριακών και άλλων μικρών σωματιδίων με διάμετρο πολύ μικρότερη από το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Η διάχυση αυτή γίνεται αντιληπτή τις ημέρες κατά τις οποίες στην ατμόσφαιρα υπάρχουν λίγοι υδρατμοί και σωματίδια σκόνης. Είναι η αιτία δημιουργίας του μπλε χρώματος του ουρανού. Η Mie διάχυση είναι μια άλλη κατηγορία διάχυσης η οποία συμβαίνει όταν στην ατμόσφαιρα υπάρχουν σωματίδια με διάμετρο σχεδόν ίση με τα μήκη κύματος της ορατής ακτινοβολίας. Τέτοια σωματίδια είναι ο καπνός η σκόνη και οι υδρατμοί. Η Mie διάχυση επηρεάζει τα μεγαλύτερα μήκη κύματος της ορατής ακτινοβολίας (κόκκινης) και αυτό είναι μια αιτία που ο ουρανός φαίνεται κοκκινωπός. Συνήθως συμβαίνει στα χαμηλά στρώματα της ατμόσφαιρας (κάτω από 4 Km). Η μη εκλεκτική είναι η τρίτη κατηγορία διάχυσης. Αυτή συμβαίνει όταν τα σωματίδια της ατμόσφαιρας έχουν διάμετρο πολύ μεγαλύτερη από τα μήκη κύματος της ορατής ακτινοβολίας. Τέτοια σωματίδια είναι τα σταγονίδια νερού των σύννεφων. Στη περίπτωση της μη εκλεκτικής διάχυσης όλα τα μήκη κύματος της ορατής ακτινοβολίας διαχέονται κατά περίπου ίσες ποσότητες. Για το λόγο αυτό, αποτέλεσμα της μη εκλεκτικής διάχυσης είναι το άσπρο χρώμα των σύννεφων. β) Απορρόφηση: Απορρόφηση είναι η διαδικασία κατά την οποία ένα μέρος της ακτινοβολίας που συναντά ένα σωματίδιο της ατμόσφαιρας δε διαχέεται, ούτε ανακλάται, αλλά απορροφάται από αυτό και μετατρέπεται σε άλλη μορφή ακτινοβολίας π.χ. θερμότητα. γ) Ανάκλαση: Τα διάφορα σωματίδια της ατμόσφαιρας ανακλούν μέρος της ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτά. δ) Διάθλαση: Όταν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία περνά από ένα μέσο σε κάποιο άλλο, διαφορετικής πυκνότητας αλλάζει η κατεύθυνσης της (διαθλάται). 4.2 Αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με τα αντικείμενα Η ηλιακή ακτινοβολία μετά τη διαδρομή της μέσα από την ατμόσφαιρα, κατά την οποία μεταβάλλονται ορισμένα χαρακτηριστικά της, προσπίπτει πάνω στα αντικείμενα της επιφάνειας της γης. Κατά την πρόσπτωση αυτή συμβαίνουν τρεις βασικές αλληλοεπιδράσεις. Συγκεκριμένα από την ακτινοβολία που προσπίπτει πάνω σε ένα αντικείμενο, ένα μέρος αυτής ανακλάται από το αντικείμενο, ένα μέρος απορροφάται και ένα μέρος μεταδίδεται. Σύμφωνα με την εξίσωση ισορροπίας της ενέργειας Ι=ρ+α+τ Όπου I = η προσπίπτουσα ακτινοβολία ρ = η ανακλούμενη ακτινοβολία α = η απορροφούμενη ακτινοβολία τ = η μεταδιδόμενη ακτινοβολία. Τα ποσοστά των τριών αλληλοεπιδράσεων εξαρτώνται από τη κατάσταση της επιφάνειας του αντικειμένου, τη φύση του υλικού του και το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας 1) Ανάκλαση Η κύρια αιτία δημιουργίας της φωτογραφίας ή της εικόνας ενός αντικειμένου είναι η ανακλούμενη από το αντικείμενο ακτινοβολία. Αντικείμενα ανακλούν διαφορετικές ποσότητες ακτινοβολίας. Η ποσότητα ακτινοβολίας που ανακλάται εξαρτάται από την κατάσταση της επιφάνειας του αντικειμένου, τη φύση του υλικού του, και από το διαφορετικό μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την διαφορετική εμφάνιση των αντικειμένων πάνω στις αεροφωτογραφίες ή εικόνες. 2) Απορρόφηση Το μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει πάνω σε ένα αντικείμενο και δεν ανακλάται από αυτό ούτε μεταφέρετε δια μέσου αυτού, παραμένει μέσα στο αντικείμενο. Η διαδικασία αυτή λέγεται απορρόφηση ακτινοβολίας. Τα αντικείμενα που απορροφούν μεγαλύτερες ποσότητες ακτινοβολίας από άλλα, ανακλούν μικρότερες ποσότητες και έτσι αποτυπώνονται με σκουρότερους τόνους πάνω στις ασπρόμαυρες αεροφωτογραφίες. Τα αντικείμενα που ανακλούν μεγαλύτερες ποσότητες ακτινοβολίας, συνήθως απορροφούν μικρότερες ποσότητες. Τα τελευταία αποτυπώνονται με ανοιχτότερους τόνους πάνω στις αεροφωτογραφίες. 4.3 Διαδρομή της ακτινοβολίας από τα αντικείμενα στο φιλμ. Η ακτινοβολία η οποία ανακλάται από τα αντικείμενα της επιφάνειας της γης για να φθάσει στο φιλμ πρέπει να περάσει: α) δια μέσου τουλάχιστον ενός μέρους της ατμόσφαιρας και β) δια μέσου φίλτρων και άλλων στοιχείων της φωτογραφικής μηχανής Κατά το πρώτο μέρος της διαδρομής γίνονται και οι ίδιες μεταβολές και αλλοιώσεις στην ανακλούμενη ακτινοβολία, όπως και στη περίπτωση της εισερχόμενης στην ατμόσφαιρα αρχικής ηλιακής ακτινοβολίας. Επομένως η ένταση της ανακλούμενης ακτινοβολίας που φθάνει στη φωτογραφική μηχανή είναι μικρότερη από αυτή που ξεκίνησε από το αντικείμενο. Η ακτινοβολία που φθάνει στη φωτογραφική μηχανή δεν περιορίζεται μόνο σε αυτή που ανακλάται από τα αντικείμενα, αλλά και σε μέρος από αυτή που διαχέεται στην ατμόσφαιρα. Η προερχόμενη από τη διάχυση ποσότητα ακτινοβολίας, ενώ αυξάνει τη συνολική ακτινοβολία που φθάνει στη φωτογραφική μηχανή, δε περιέχει καμία πληροφορία για το περιβάλλον. Αντίθετα είναι υπεύθυνη για τη μείωση της αντίθεσης μεταξύ των αντικειμένων και κατά συνέπεια της διακριτικής ικανότητας της αεροφωτογραφίας. Η ακτινοβολία αυτή η οποία προσπίπτει ομοιόμορφα πάνω στο φιλμ ονομάζεται φωτογραφικός θόρυβος. Το πρόβλημα του φωτογραφικού θορύβου μπορεί να μειωθεί με τη χρησιμοποίηση κατάλληλων φίλτρων στη φωτογραφική μηχανή. Η ακτινοβολία τέλος παθαίνει νέες ποιοτικές και ποσοτικές μεταβολές κατά τη πορεί της μέσα στη φωτογραφική μηχανή. Τα νέα εμπόδια στην πορεία της ακτινοβολίας είνο τα διάφορα μέρη του φωτογραφικού συστήματος. Δηλαδή: α) το τζάμι του αεροπλάνου δια μέσου του οποίου παίρνονται οι αεροφωτογραφίες β) τα φίλτρα γ) οι φακοί δ) άλλα τμήματα της μηχανής όπως π.χ. τα πρίσματα. Επειδή τα μέρη αυτά είναι τεχνητά φτιαγμένα, επιδέχονται αλλαγές και βελτιώσεις γκ τη καλύτερη απόδοση των αποτελεσμάτων.