В аэрокосмических методах помимо естественного излучения используется и искусственное. Для искусственного облучения (освещения) исследуемых объектов можно использовать электромагнитные волны всех диапазонов. Так, в ясные безоблачные ночи, которых значительно больше, чем ясных дней, выполняют разведывательную аэрофотосъемку, когда местность освещается фотобомбой, спускаемой на парашюте. Применяется при аэросъемке и лазерная подсветка местности. Однако в настоящее время наибольшее значение имеет радиоизлучение СВЧ-диапазона, которым освещается местность при активной радиолокационной съемке. На вариации интенсивности регистрируемого отраженного радиоизлучения существенно влияют неровности отражающей поверхности и ее влажность, от которой зависит диэлектрическая постоянная. Если плоскость поляризации зондирующих радиоволн параллельна водной или земной поверхности, то отражение будет более интенсивным, 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.

Весьма ценное свойство зондирующего радиоизлучения - проникающая способность. Глубина проникновения излучения увеличивается пропорционально длине волны и зависит от физико-химических свойств облучаемого объекта. Например, миллиметровые радиоволны рассеиваются травянистой растительностью, а сантиметровые достигают почвенного покрова. Однако они, как и дециметровые радиоволны, рассеиваются пологом лесного покрова, сквозь который проникают лишь метровые волны. Проникновение радиоволн в воду, особенно морскую, значительно слабее, чем в грунт. Для глинистой влажной почвы глубина проникновения дециметровых волн составляет миллиметры, а метровые волны проникают в сухую песчаную почву на десятки метров. Отражение радиоволн меняется при наличии неоднородностей в строении зондируемого слоя, например глубинных разломов под чехлом рыхлых отложений или водоносных слоев, интенсивно отражающих радиоволны, что используется для поиска линз грунтовых вод. Радиозондирование с самолета помогло открыть громадное подледное озеро Восток в Антарктиде.

Влияние атмосферы на регистрируемое излучение

Земная атмосфера для аэрокосмических методов, с одной стороны, представляет собой важнейший объект самостоятельных исследований, с другой - является основным источником помех и искажений при изучении земной поверхности. Излучение, прежде чем попасть в регистрирующий прибор, расположенный на некоторой высоте над земной поверхностью, должно пройти сквозь атмосферу - смесь газов, в которой взвешены твердые и жидкие частицы - от тонкого аэрозоля до плотных облаков со всеми промежуточными стадиями. Основная масса атмосферы сосредоточена в нижних приземных слоях (до 10 км).

Влияние облачности. Статистика показывает, что в каждый момент времени облачность закрывает более половины площади земной поверхности, хотя над каждой ее точкой облака сохраняются обычно не более 5 дней. Даже маломощные облака блокируют все оптическое излучение. Только радиоволны длиной свыше 2 см беспрепятственно проходят сквозь облачный покров. При планировании аэрокосмических съемок приходится учитывать пространственно-временные закономерности распространения облачности в течение суток и года. Географ должен отчетливо представлять, что на практике получить для исследований нужный снимок на заданную территорию для определенного времени года - задача непростая, прежде всего из-за облачности, которую недаром называют ахиллесовой пятой космического зондирования в оптическом диапазоне.

Но даже проходя сквозь безоблачную атмосферу, электромагнитное излучение испытывает рефракцию и ослабление.

Атмосферная рефракция (искривление лучей) связана с изменением коэффициента преломления в разных слоях атмосферы, что обусловлено их различной плотностью, температурой, влажностью. Влияние рефракции - искажения направления лучей - составляет несколько угловых секунд и должно учитываться при точных фотограмметрических измерениях снимков.

Ослабление излучения в атмосфере, которое происходит вследствие рассеяния и поглощения излучения, подчиняется экспоненциальному закону Бугера-Ламберта:

J=J₀10^-ki=J₀T*,

где J - интенсивность излучения, прошедшего слой атмосферы толщиной i; J₀ - интенсивность вступившего в атмосферу излучения; k - суммарный коэффициент ослабления; Т* - коэффициент прозрачности атмосферы, который не одинаков для различных спектральных лучей. Для территории нашей страны коэффициент Т* в видимом диапазоне имеет среднее значение 0,74.

Ослабление излучения с увеличением длины пути быстро усиливается и тем значительнее, чем больше суммарный коэффициент ослабления, который определяется спектральным поглощением и рассеянием.

При прохождении излучения сквозь атмосферу происходит его избирательное поглощение атмосферными компонентами, главным образом водяным паром, озоном, углекислым газом, метаном. Экспериментально выявлены четко очерченные, но разные по ширине и глубине полосы поглощения (рис.3). Спектры поглощения атмосферных газов имеют также тонкую структуру, т.е. много узких полос поглощения. Так, например, на участке 7 - 14 мкм их обнаружено около 400.

Характер рассеяния в значительной степени зависит от длины волны падающего излучения и замутненности атмосферы. Интенсивность избирательного рассеяния молекулами атмосферных газов (так называемое рассеяние Релея) очень быстро возрастает с уменьшением длины волны излучения. Наиболее сильно молекулами рассеивается коротковолновое оптическое излучение (этим объясняется голубизна неба). Аэрозольное рассеяние (рассеяние Ми) при размерах частиц больше длины волны неизбирательно рассеивает все падающее излучение. Оно оказывает значительно большее влияние на результаты аэрокосмических съемок, чем молекулярное.

Рис.3. Поглощательная способность отдельных компонентов атмосферы

Аэрозольное рассеяние излучения частицами влаги и пыли, прежде всего коротковолнового, при прохождении через слой атмосферы приводит к свечению слоя - воздушной дымке, яркость которой зависит от состояния атмосферы, высоты Солнца и направления визирования. Необходимо учитывать различия в локальной задымленности атмосферы. Значительная дымка отмечается над промышленными и лесными районами. Она возрастает к вечеру. Задымленность атмосферы летом больше, чем зимой. Для ослабления отрицательного влияния воздушной дымки при аэрокосмических съемках применяют светофильтры, отсекающие фиолетовые и синие лучи.

Спектральная прозрачность атмосферы. Атмосфера подобно фильтру пропускает лучи различных длин волн избирательно, селективно. Для ультрафиолетового излучения атмосфера непрозрачна. По мере перехода в длинноволновую часть располагаются участки спектра - окна прозрачности, где коэффициент прозрачности атмосферы достаточно велик, хотя и не всегда равен единице (рис.4). Наибольшее практическое значение имеет окно прозрачности в видимом диапазоне с прилегающей частью ультрафиолетовой зоны и ближней инфракрасной зоной (0,3-1,3 мкм), а также два окна в тепловом инфракрасном диапазоне (3-5 и 8-14 мкм). Большое окно прозрачности в зоне 50 мкм в аэрокосмическом зондировании пока не используется из-за отсутствия приемников излучения. В микроволновом диапазоне при длинах волн свыше 1 - 2 мм атмосфера опять становится прозрачной^{1 (1} Следует заметить, что на принимаемые радиосигналы в этом диапазоне оказывают влияние различного рода радиопомехи, прежде всего искусственного происхождения.). Метровые радиоволны беспрепятственно проходят всю толщу атмосферы. С дальнейшим увеличением длины радиоволн усиливается их отражение от ионизирующих слоев атмосферы и декаметровые волны с длиной волны свыше 10 м уже не могут проникнуть сквозь ионосферу. Для радиоволн этих длин атмосфера полностью непрозрачна.

Рис.4. Прозрачность атмосферы для оптических и радиоволн

Влияние атмосферы на оптические характеристики объектов. Регистрирующий прибор, находящийся над земной поверхностью, фиксирует восходящее суммарное излучение, которое слагается из излучения исследуемого объекта, преобразованного нижележащим атмосферным слоем, и излучения этого слоя. Таким образом, оптические характеристики объектов, определенные сквозь толщу атмосферы, отличаются от характеристик, полученных в непосредственной близости от объектов. По мере отклонения направления визирования от отвесного искажающее влияние атмосферы растет. Наблюдаемая сквозь толщу атмосферы яркость объекта складывается из двух частей:

где - яркость объекта на земной поверхности; Т* - коэффициент прозрачности атмосферы; - яркость воздушной дымки.

При определенном соотношении этих величин дистанционно регистрируемые яркости объектов оказываются усиленными (для темных объектов) или ослабленными (для светлых), а относительные контрасты сглаженными. Расчеты показывают, что под влиянием атмосферы контрасты могут снизиться в 3-5 раз. Это прежде всего ухудшает передачу деталей темных объектов, снижая качество снимков. Опыт показывает, что из-за отрицательного влияния атмосферы разрешение космических снимков может снизиться в 2 раза по сравнению с расчетным.

Эксперименты по космическому спектрометрированию, которые сопровождались синхронными самолетными и наземными измерениями, показали, что атмосфера, увеличивая общую яркость объектов, искажает их спектральную отражательную способность. В сине-зеленой части спектра отмечено существенное увеличение коэффициентов спектральной яркости, определенных из космоса. Это увеличение постепенно уменьшается к длинноволновой части видимого спектра, где оно становится относительно небольшим. Кривая спектральной яркости объектов класса "горные породы и почвы" более полога; повышение в красной зоне спектра уменьшено. Отражательная способность вегетирующей растительности не имеет такого характерного "зеленого" максимума в зоне 0,55 мкм, как при наземных измерениях, из-за относительного увеличения яркости в голубой части спектра. У водных объектов при общем увеличении яркости атмосфера не искажает характера спектральной отражательной способности. Яркость снежного покрова и облачности в целом понижается.

Для количественного учета влияния атмосферы на регистрируемое излучение применяют ее теоретические модели. Однако надо иметь в виду, что атмосфера пространственно неоднородна и изменчива, поэтому весьма трудно точно учесть ее влияние, особенно если определяются количественные характеристики регистрируемого излучения.

Проникновение солнечного излучения в воду. Закономерности поглощения и рассеяния света для воды подчиняются тому же закону, что и для атмосферы. Водная толща ослабляет яркость, контраст и четкость наблюдаемых подводных объектов. Интенсивность проникающего в воду солнечного излучения падает, а спектральный состав изменяется. Инфракрасное излучение полностью поглощается поверхностными слоями воды. Для прозрачных вод, когда практически отсутствуют взвеси и фитопланктон, красные лучи проникают на глубину до 10 м, желтые - до 20 м и только сине-голубые лучи достигают глубины 50 м. Интенсивность света здесь уменьшается в 100 раз. На больших глубинах дно солнечным светом практически не освещается. Однако этим фактам противоречат многочисленные утверждения космонавтов о том, что с орбитальных высот удается рассмотреть крупные океанические хребты даже на километровых глубинах. Одно из объяснений этого феноменального явления состоит в том, что из космоса наблюдается не рельеф дна океана, а коррелирующие с ним постоянные зоны перемешивания теплых поверхностных и холодных глубинных вод, в которых меняются физические и биологические характеристики верхних слоев океана, шероховатость его поверхности. Такие крупномасштабные явления в океане и воспринимает глаз человека с космической орбиты.

Размещено на Allbest.ru