Materia şi radiaţia electromagnetică
De modul în care radiaţia interacţionează cu materia depinde înţelegerea felului în care datele de teledetecţie ne ajută să recunoaştem diversele materiale de la suprafaţa Pământului.
Pentru un singur element chimic există câteva stadii posibile în care el poate exista, fiecare fiind caracterizat de o anumită energie. Astfel de stadii implică tipurile de legături (covalent sau ionic) şi starea de coordonare a atomilor în molecule, nivelul energetic al electronilor cei mai exteriori ai atomului etc.
Stările şi nivele energetice asociate sunt unice pentru fiecare element şi compus. Un atom sau o moleculă poate trece printr-o tranziţie de la o stare la alta dacă este excitat de o radiaţie de o anumită frecvenţă. Un exemplu este fluorescenţa observată atunci când radiaţia de o anumită frecvenţă este absorbită producând o tranziţie şi revenirea are ca efect emisia de radiaţii de joasă frecvenţă. Există trei tipuri de tranziţii – electronică, de vibraţie şi de rotaţie.
Tranziţiile electronice implică saltul electronilor de pe orbitele cele mai exterioare ale atomului ce dau valenţa elementului şi multe din proprietăţile sale chimice. Astfel de tranziţii sunt inversul unor moduri de a genera radiaţia. Un foton de o anumită lungime de undă induce unui electron exterior – conform mecanicii undelor – un salt de pe o orbită de energie joasă definită ca stare de bază (stabilă) către una cu energie ridicată (starea excitată), absorbind astfel acel foton. Lungimile de undă asociate cu tranziţiile electronice sunt determinate de numerele cuantice principale, momentul unghiular şi spinul asociat cu orbitele electronice din interiorul unui anumit element. Tranziţiile electronice apar în solide, lichide şi gaze, dar sunt în special importante pentru elemente precum fierul şi cromul, care au câteva stări posibile de valenţă şi diferite poziţii şi coordonări în moleculele în care apar în natură. Aceste diferenţe sunt importante pentru schimbările subtile în lungimile de undă ale tranziţiilor electronice funcţie de gazda elementului. Deoarece tranziţiile electronice necesită energie de excitaţie mare ele sunt mai comune lungimilor de undă mici din domeniile ultraviolet şi vizibil.
Tranziţiile vibraţionale rezultă din schimbările în dipunerea relativă a atomilor componenţi ai moleculelor. Cel mai uşor de vizualizat sunt distorsiunile legăturilor prin extensie sau contracţie de la o stare de echilibru la alta. Analog sunetului, lungimile de undă fundamentale sau “notele” asociate cu o tranziţie de vibraţie au matematic legate de ele armonice sau supratonuri la alte lungimi de undă. Ca şi tranziţiile electronice, cele asociate cu vibraţiile legăturilor moleculare sunt caracteristice solidelor, lichidelor şi gazelor. Ele necesită energii mai scăzute faţă de tranziţiile electronice si astfel apar împreună la radiaţii cu lungimi de undă mai mari, în regiunea infraroşie.
Tranziţiile, de asemenea, apar în proprietăţile de rotaţie ale moleculelor, dar ele se întâlnesc doar la gaze, fiind legate de schimbările în momentul de inerţie al moleculelor în rotaţie ale gazului. Tranziţiile rotaţionale sunt de mare importanţă, împreună cu tranziţiile vibraţionale, în interacţiunea dintre radiaţie şi gazele atmosferice prin care suprafaţa Pământului trebuie observată de către toate sistemele de teledetecţie.
Energia detectată de sistemele de teledetecţie de-a lungul spectrului de radiaţii este de aceea o funcţie de modul în care energia este partiţionată între sursa sa şi materialele cu care interacţionează în drumul ei spre detector. Energia unei anumite lungimi de undă a radiaţiei poate fi transmisă prin material, absorbită de el, reflectată de suprafaţa sa, dispersată de către particulele sale constituiente sau reradiată la o altă lungime de undă după absorbţie. În natură toate aceste posibilităţi se combină într-un grad mai mare sau mai mic.
Pentru orice material pot fi măsurate trei tipuri de spectre – spectrul de absorbţie (şi inversul ei, spectrul de transmisie), spectrul de reflexie şi spectrul de emisie. Un spectru de absorbţie/transmisie se obţine atunci când materialul se interpune între sursă şi senzor. Un spectru de reflexie este măsurat atunci când sursa şi receptorul sunt de aceeaşi parte a materialului. Pentru un spectru de emisie materialul însuşi este sursa. În fiecare caz o prismă de difracţie graticulară desface radiaţia compusă în lungimile de undă componente şi intensităţile lungimilor de undă discrete sunt măsurate de o serie de senzori, ele putând fi legate de anumite procese de emisie şi absorbţie. Această tehnică este utilizată de astronomi pentru a detecta şi măsura abundenţa elementelor în stele din benzile de absorbţie ale spectrului stelar. Senzorul de teledetecţie este mai preocupat de spectrele continue ce arată variaţia în energie/intensitate pe un interval de lungimi de undă. Astfel de spectre sunt mai mult sau mai puţin curbe netezite în care picurile indică maximele şi minimele din jurul lungimilor de undă ce corespund unor tranziţii caracteristice. Mulţi factori microscopici şi macroscopici conspiră împreună la determinarea lăţimii, intensităţii şi pantei acestor trăsături, unele dintre ele fiind discutate în continuare.
Principiul conservării energiei face ca pentru orice interacţiune radiaţie-materie, fluxul radiant incident de la o lungime de undă (EI)l să fie distribuit intre reflexie (ER)l, absorbţie (EA)l şi transmisie (ET)l de materialul implicat:
(6)
Ecuaţia de mai sus de divizare a energiei totale este expresia ce permite definirea proprietăţilor spectrale în termeni de rapoarte (ER)l/(EI)l, (EA)l/(EI)l, (ET)l/(EI)l, care sunt reflectanţa spectrală (rl), absorbanţa (al) şi transmitanţa (tl), obţinându-se astfel:
(7)
Marea majoritate a materialelor geologice sunt opace şi transmitanţa este zero. De aici rezultă că ecuaţia de mai sus se reduce la:
(8)
Ceea ce înseamnă că reflectanţa şi absorbanţa sunt interschimbabile (în general indicele spectral este omis pentru ambii termeni), dar cel totodeauna folosit este spectrul reflectanţei. Raportul fluxului total radiant reflectat de o suprafaţă pe fluxul radiat total incident pe aceasta suprafaţă (în ambele cazuri pentru un interval de lungimi de undă) este cunoscut ca albedo-ul suprafeţei. Deşi nu este acelaşi lucru noi percepem albedo-ul ca strălucirea generală vizibilă a unui obiect reflectiv.
Valoarea reflectanţei unei suprafeţe semnifică proporţia energiei incidente ce este reflectată la o anumită lungime de undă, dar nu şi direcţia în care călătoreşte energia reflectată. Aceasta depinde dacă suprafaţa produce reflexii ce răsfrâng lumina ca într-o oglindă sau reflexii difuze ca acelea ale unei hârtii mate. În primul caz toată energia reflectată este direcţionată la un unghi egal şi opus cu unghiul de incidenţă. În reflexia difuză energia reflectată este direcţionată egal în toate direcţiile, indiferent de unghiul de incidenţă (fig. 3). Un reflector perfect difuz se numeşte reflector lambertian. Multe suprafeţe combină cele două reflexii prin aceea că reflectă o parte din energie în toate direcţiile, dar reflectă o mare parte în direcţia de răsfrângere (fig. 3c).
O suprafaţă se comportă ca reflector răsfrângător dacă este netedă şi ca un reflector difuz dacă este rugoasă. Netezimea şi rugozitatea depind de lungimea de undă a radiaţiei. In general, o suprafaţă se comportă ca una rugoasă dacă textura ei este de o mărime comparabilă cu sau mai mare decât lungimea de undă a radiaţiei şi în mod neted dacă textura sa are o scară mai mică decât aceea a lungimii de undă. Mare parte din suprafeţe, cum sunt rocile, solurile sau iarba, sunt reflectori difuzi în spectrul vizibil – ele apar la fel de luminoase indiferent de direcţia din care sunt privite, chiar dacă acele mici părţi ale suprafeţei (spre exemplu, cristale individuale de mineral) se comportă răsfrângător.
Fig.3 Diagrame reprezentând reflexia (a) răsfrângătoare, (b) difuză sau Lambertiană şi (c)combinată având atât componentă răsfrângătoare, cât şi componentă difuză
Pentru teledetecţie noţiunea de emisivitate este de o importanţă egală cu cea de reflectivitate, între emisivitate şi reflectivitate existând o diferenţă majoră. Orice substanţă aflată la temperatura T posedă o energie termică şi emite radiaţie electromagnetică în funcţie de nivelul acestei energii, fiind deci un generator de radiaţie electromagnetică. În schimb, în cazul reflectivităţii, o substanţă reflectă în totalitate sau doar în parte radiaţia electromagnetică incidentă la suprafaţa ei.
Energia calorică reprezintă energia cinetică de mişcare aleatorie a particulelor din care este constituită materia, iar concentraţia acestei energii calorice într-o substanţă este măsurată prin temperatură. Mişcarea aleatorie determină coliziuni între particule, cauzând modificări ale mişcărilor electronilor orbitali sau ale mişcărilor de vibraţie şi rotaţie ale particulelor atomice şi molecuare. Stări de mişcare cu energie mai ridicată datorită coliziunilor pot trece în mod spontan în stări energetice mai scăzute, cu emisie de radiaţie electromagnetică. Astfel, energia calorică este transformată în energie radiantă.
Întrucât temperatura sau căldura (ambele definind starea termică a unei substanţe) şi emisia de radiaţie electromagnetică sunt inseparabile, trebuie luat în consideraţie fluxul caloric spre suprafaţa Pământului şi dinspre acesta şi transferul său sub suprafaţă.
Regiunea microundelor a spectrului EM prezintă două oportunităţi pentru colectarea datelor de teledetecţie. Prima, ca şi radiaţia din intervalul 8-14mm, suprafaţa Pământului emite microunde ca rezultat al temperaturii sale, în acord cu relaţia Stefan-Boltzmann şi cu legea lui Wien. A doua, microundele pot fi generate artificial ca unde coerente (radar).
Ceea ce se întâmplă cu energia electromagnetică în pulsul radar când acesta întâlneşte suprafaţa depinde de patru factori majori:
- atitudinea suprafeţei;
- rugozitatea şi heterogenitatea suprafeţei şi a materialelor de sub suprafaţă;
- lungimea de undă, polarizaţia şi unghiul de depresie al radarului, care sunt variabile controlabile;
- proprietăţile electrice ale suprafeţei – constanta dielelctrică a materialelor de la suprafaţă.
În ordinea descrescătoare a importanţei, toate ajută la determinarea proporţiei energiei microundelor incidente pe care suprafaţa o dispersează înapoi direct către antena de la bordul avionului sau platformei orbitale. Aceasta are impact asupra tonului imaginii radar. Cu cât tonul este mai strălucitor cu atâr mai mare este energia dispersată către antenă.
O măsură a intensităţii energiei dispersate înapoi către antenă de la un punct ţintă este secţiunea radar. Aceasta este aria unei suprafeţe ipotetice care dispersează energia radar egal în toate direcţiile şi care va înapoia aceeaşi energie către antenă ca şi punctul ţintă. O măsură a energiei dispersate înapoi de la o ţintă cu suprafaţă mare, cum ar fi un câmp, este coeficientul de dispersie radar. Acesta este secţiunea radar medie pe unitatea de arie. Este o cantitate adimensională şi variază pe câteva ordine de magnitudine exprimată ca de 10 ori logaritmul său, în decibeli (dB). Coeficientul de dispersie radar este măsura fundamentală a proprietăţilor radar ale suprafeţei şi determină tonul suprafeţei pe imaginea radar.
Efectul atmosferei
Teledetecţia corpurilor cereşti cum sunt luna Io a lui Jupiter sau planeta Marte consitutie deliciul geologilor. Amândouă au atmosfere foarte subţiri, aproape transparente, cu excepţia momentelor de erupţii vulcanice, în cazul lui Io, sau a furtunilor de praf, în cazul lui Marte. Virtual, pentru supraveghere este disponibil întregul spectru al radiaţiei prin utilizarea unei mari varietăţi de senzori. Pentru Pământ, însă, întreaga radiaţie trebuie să treacă printr-o atmosferă densă. Înainte de a fi recepţionată de senzorul montat pe satelit, radiaţia solară trebuie să străbată în jos atmosfera şi apoi să se întoarcă, tot prin aceasta, la senzor. Pentru senzorii care măsoară radiaţia emisă de Pământ trecerea este una singură, dar şi ea este afectată de unele perturbaţii.
Pe lângă azot şi oxigen, atmosfera conţine cantităţi semnificative de vapori de apă, ozon (O3), dioxid de carbon (CO2) şi urme de alte gaze. Toate aceastea interacţionează cu radiaţia prin tranziţii de vibraţie şi de rotaţie al căror efect este absorbţia energiei de la anumite lungimi de undă (fig. 4a). Absorbţia radiaţiei solare de lungime de undă mică este unul din procesele ce duc la încălzirea atmosferei.
Creşterea emisiei de CO2 industrial în atmosferă este sursa aşa-numitului “efect de seră”, care este un proces oarecum diferit. Principalul efect al dioxidului de carbon în acest caz se manifestă la lungimi de undă mai mari, dominate de radiaţia termală emisă de Pământ (fig. 2). Radiaţia termală emisă de Pământ este absorbită de CO2 şi stocată temporar înainte de reemisia ei în spaţiu. Metanul şi ozonul au un efect similar. Această “întârziere” în pierderea de căldură duce la încălzirea atmosferei peste temperatura pe care ar atinge-o fără absorbanţii de radiaţie termală.
La lungimi de undă mici benzile de absorbţie atmosferică sunt înguste, dar cresc în lăţime în regiunile infraroşului şi microundelor. Figura 4b arată că »50% din spectrul de radiaţii nu poate fi utilizat pentru teledetecţia suprafeţei terestre din cauză că niciuna din energiiile corespunzătoare nu poate penetra atmosfera. În cazul razelor gama emise, doar prin zbor la foartă joasă altitudine acestea pot fi în parte detectate. Este posibilă şi înregistrarea lungimilor de undă absorbite de gaze, dar acest lucru este util doar în studii atmosferice.
O altă problemă a senzorului de teledetecţie, deşi pare ciudat, este cerul albastru. Când ne uităm în sus într-o zi senină vom observa această culoare a cerului, culoare pe care am putea-o observa şi dacă ne uităm de sus în jos. Aceasta este cauzată de unul din fenomenele rezultate din dispersia radiaţiei de către materialele din atmosferă. Tipul de dispersie se schimbă în funcţie de mărimea particulelor responsabile. Acolo unde radiaţia interacţionează cu particule mai mici decât lungimea de undă, cum sunt moleculele de oxigen şi azot, gradul de dispersie este invers proporţional cu puterea a patra a lungimii de undă. Acest fenomen este cunoscut ca dispersie Rayleigh, după descoperitorul său, Lord Rayleigh. Relaţia arată că efectul dispersiei creşte dramatic la lungimi de undă mici – de unde cerul albastru şi munţii albaştrii văzuţi de la distanţă. Efectul văzut de deasupra suprafeţei Pământului este o inundare cu radiaţie albastră şi ultravioletă reflectată, cu o componentă de dispersie foarte puternică şi o reducere a contrastului.
Când particulele atmosferice sunt similare ca mărime cu lungimea de undă a radiaţiei, ca în cazul moleculelor gigant de apă sau praf, rezultă o dispersie Mie. Aceasta afectează lungimile de undă mai mari decât lumina albastră şi este o problemă în condiţii atmosferice de cer senin cu umiditate ridicată sau de praf. Apusurile de soare roşii sunt atribuite efectului dispersiei Mie a prafului foarte fin suflat din deşerturi sau particulelor microscopice de cenuşă şi picături de apă acidă injectate în atmosferă de erupţiile vulcanice. Picăturile de aerosoli din nori şi ceaţă care sunt mai mari decât cele mai mari lungimi de undă ale radiaţiei utilizate în teledetecţie dispersează toate lungimile de undă din spectrul vizibil şi infraroşu. Aerosolii sunt impenetrabili cu excepţia radiaţiei cu lungimi de undă mai mari de 100mm – microunde şi radar. Chiar şi la astfel de lungimi de undă mari, ploaia densă sau căderile de zăpadă pot cauza o dispersie nonselectivă ce poate fi detectată şi chiar măsurată.
Într-o noapte clară stelele par să sclipească, aşa cum fac şi obiectele îndepărtate într-o zi toridă. Aceste distorsiuni sunt produse de variaţiile de temperatură din aer ce dau naştere la fluctuaţii în indicelui de refracţie al aerului şi la o serie de anomalii optice. Aceleaşi efecte sunt prezente şi atunci când Pământul este privit de sus. Licărirea atmosferică formează o importantă constrângere asupra mărimii obiectelor ce pot fi detectate de teledetecţie, relativ la puterea de rezolvare teoretică a fiecărui sistem.
Toate acestea au ca efect degradarea imaginilor de teledetecţie ale Pământului, lucru ce nu poate fi evitat datorită existenţei atmosferei terestre. Absorbţia atmosferică selectivă face ca să fie disponibile pentru supraveghere doar câteva lungimi de undă (fig. 4b). Acele lungimi de undă care trec relativ nedistorsionate prin aer reprezintă ferestre atmosferice şi ele determină cadrul în care pot fi construite diferitele sisteme de teledetecţie. Figura 5a arată că energia radiantă de la Soare este aproape nulă mai jos de 0,25mm. În porţiunea 0,4 – 2,5mm o bună parte a radiaţiei este reflectată de suprafaţă, funcţie de material, permiţând astfel teledetecţia proprietăţilor radiaţiei reflectate. Aceasta este regiunea de reflexie. Cel două ferestre dintre 3 – 5mm şi 8 – 14mm sunt dominate de energia radiantă emisă de suprafaţa încălzită de Soare. Aceasta este regiunea de emisie. Regiunea transparentă de dincolo de 1mm este regiunea microundelor. Tehnicile de teledetecţie sunt diferite în aceste trei tipuri de regiuni funcţie de fenomenul pe care îl contorizează.
Fig. 4 Diversele gaze din atmosferă absorb energia solară în diferitele lungimi de undă prin tranziţii de vibraţie şi de rotaţie. Ca rezultat, curbele de iradianţă solară măsurate în afara spaţiului – curba de sus din (a) – şi la suprafaţă – curba de jos din (a) – sunt foarte diferite. Energia disponibilă pentru interacţiunile cu materia la suprafaţă se împarte în ferestre atmosferice discrete separate de benzi dominate de absorbţia atmosferică (în gri). În (b) sunt prezentate principalele ferestre atmosferice pentru porţiunea utilă din spectrul electromagnetic (EM) la scară logaritmică, în termen de procente transmise prin atmosferă. Aceste două grafice, împreună cu proprietăţile spectrale ale materialelor naturale, formează baza pentru construcţia sistemelor de teledetecţie.
O altă constrângere în design-ul sistemelor şi cel mai important factor în strategia de teledetecţie este interacţiunea dintre radiaţie şi acele solide şi lichide care constituie suprafaţa Pământului. Există trei componente importante: apa, vegetaţia şi mineralele ce formează rocile şi solurile. Pentru geologi interacţiunea cea mai importantă este cea dintre radiaţie şi roci şi soluri, dar deoarece ele conţin apă sau pot fi acoperite cu vegetaţie, aceste din urmă materiale trebuie şi ele luate în considerare.
Materialul a fost cuprins in volumul Teledetectie.
Articol publicat de: Tiberiu Golgotiu