Солнечное излучение и его отражение объектами земной поверхности

Земля, удаленная от Солнца на 150 млн. км, получает менее одной пятидесятимиллионной части всей излучаемой Солнцем энергии, эта энергия имеет значение не только для большинства методов дистанционных наблюдений, но и поддерживает жизнь на Земле.

Солнце посылает на Землю очень широкий спектр электромагнитных волн, но земная атмосфера пропускает только некоторые из них в спектральном интервале от 0,3 мкм до 20 м. Основная энергия приходится на излучение с длинами волн 0,3-3 мкм, причем максимум энергии – на волны длиной 0,5 мкм.

Излучение, падающее на какой-либо объект, определенным образом взаимодействует с ним: некоторая часть излучения отражается, другая – поглощается и рассеивается внутри объекта, третья – пропускается. Доли отраженного, поглощенного, рассеянного и пропущенного лучистых потоков оцениваются соответствующими коэффициентами, которые по закону сохранения энергии в сумме всегда составляют единицу.

Для объектов суши наиболее важным является отраженное излучение. Из оптических характеристик объектов земной поверхности для получения снимков наибольший интерес представляют коэффициент интегральной яр­кости, яркостный контраст, индикатриса отражения и особенно коэффициент спектральной яркости.

Коэффициент интегральной ярко­сти τ_я, характеризующий величину отраженного потока излуче­ния в заданном направлении по сравнению с упавшим потоком, опре­деляется как отношение яркости объекта В_я к яркости идеального рассеивателя (эталона) В_яо: τ_я = .

Яркость объектов является функцией их освещенности, которая складывается из освещенности прямым солнечным светом, рассеянным све­том небосвода и светом, отраженным от соседних объектов. Каждому объекту соответствует определенный коэффициент интегральной яркости. Например, для снега свежевыпавшего он составляет 1,0, для чернозема – 0,03, песка кварцевого – 0,20, луг суходольный – 0,07 и т.д. в пределах одного ландшафта и даже фации наблюдается существенное варьирование коэффициентов яркости. Но по мере продвижения с севера (от зоны тундры) на юг (до зоны пустынь) коэффициент яркости изменяется от 0,05 до 0,25. Среднее значение коэффициента интегральной яркости в целом принимают равным 0,15 (летом) и 0,50 (зимой).

Яркостный контраст является распространен­ной характеристикой различия двух яркостей объектов В_Я1 и В_Я2 (В_Я1 < В_Я2). Применяют несколько взаимосвязанных выражений для контраста. Среди них наиболее употребительны относительный кон­траст К₀: .

Контраст между наиболее светлыми В_{Я max} и темными В_{Я min} объ­ектами характеризует интервал яркостей аэрокосмического ландшафта U:

Индикатриса отражения (рассеяния) характеризует величину яркости объекта в зависимости от направления наблюдения. Ее изображают графически в виде полярной диаграммы, показывающей коэффициенты яркости объекта по разным направлениям. Различают три основных формы индикатрис отражения (рис.3).

Наи­большую яркость при наблюдении против Солнца имеют объекты с глад­кой (зеркальной) поверхностью. Характерным представителем этой группы является спокойная водная поверхность, ледяной покров, такыры. Матовые (слабо шероховатые) поверхности отражают свет равномерно во все стороны. Такую, так называемую ламбертовскую, индикатрису должен иметь рассеиватель, принимаемый в качестве эталона.

В природе к нему приближаются плоские песчаные поверхности. Объекты с расчлененной (сильно шероховатой) поверхностью имеют индикатрису отражения, вытянутую к источнику света, т.е. противоположную зеркальной поверхности. Максимальная яркость таких объектов (вспаханные почвы, растительный покров) наблюдается со стороны падающих лучей. Асимметрия их индикатрис возрастает с увеличением расчлененности (иссеченности) поверхности.

Коэффициент спектральной яркости характеризует величину отраженного потока излучения в заданном направлении по сравнению с упавшим потоком для определенного узкого диапазона спектра. Так как объекты земной поверхности имеют определенную окраску, их яркость в разных спектральных зонах неодинакова, то и характеризуются они различными коэффициентами спектральной яркости. Графически коэффициенты спектральной яркости представляют в виде так называемой кривой спектральной яркости τ_λ. Значения коэффициентов спектральной яркости хроматических объектов обнаруживают определенный спектральный ход.

Спектральная яркость объектов определяется в основном экспе­риментальным путем. Коэффициенты спектральной яркости измеряют главным образом с помощью фотоэлектрических приборов (спектро­метров) путем сравнения двух отраженных лучистых потоков - от исследуемого объекта и от эталона. Точность определения коэффициен­тов спектральной яркости характеризуется относительной погрешно­стью в 5-10 % при спектральном разрешении 10-20 нм. Спектральную отражательную способность изучают лабораторно, в поле, с самоле­тов и космических аппаратов. В лабораторных условиях на отдельных образцах определяют зависимость коэффициентов яркости от некоторых свойств объектов, например почв - от их влажности, содержания гу­муса, минералогического состава и т.д. При наземном спектрометрировании в полевых условиях изучается суточный ход коэффициентов спектральной яркости, их зависимость от фенологической фазы развития растительности. При аэрокосмическом спектрометрировании, которое является основным видом определения коэффициентов спект­ральной яркости, охватываются значительные площади, а получаемые оптические параметры характеризуют крупные разнородные объекты. Синхронные спектрометрические измерения на земле, с самолета и космического аппарата проводятся для оценки влияния атмосферы на оптические характеристики объектов. Надо учитывать, что отражатель­ная способность, например, отдельного древесного листа (лаборатор­ные измерения) отличается от отражательной способности дерева (наземные измерения), а она, в свою очередь, от отражательной способности участка леса (самолетные измерения) или лесного масси­ва (космические измерения).

К настоящему времени наиболее изучена спектральная отража­тельная способность геологических объектов, растительности, почв. Классическими исследованиями в этой области являются работы Е.Л. Кринова. По отражательной способности в видимом диапазоне спектра все многообразие объектов в ландшафте можно разделить на четыре класса, каждый из которых отличается своеобразной кривой спектральной яркости (рис.4).

I класс (горные породы и почвы) характеризуется увеличением спектральных коэффициентов яркости по мере приближения к красной зоне спектра.

II класс (растительный покров) отличается характерным макси­мумом отражательной способности в зеленой (550 нм), минимумом - в красной (660 нм) и резким увеличением отражения в ближней инфракрасной зоне. Низкая отражательная способность земных расте­ний в красной зоне связана с поглощением, а ее увеличение в зеле­ной зоне - с отражением этих лучей хлорофиллом. Большие коэффици­енты яркости в инфракрасной зоне объясняются пропусканием этих лучей хлорофиллом и отражением их от внутренних тканей листа.

III класс (водные поверхности) характеризуется монотонным уменьшением отражательной способности от сине-фиолетовой к красной зоне спектра, поскольку длинноволновое излучение сильнее поглоща­ется водой.

IV класс (снежные поверхности) обладает наиболее высокими значениями коэффициентов отражения с небольшим их понижением в ближней инфракрасной зоне спектра. Это понижение резко увеличи­вается при насыщении снега водой. Близки к этому классу по ха­рактеру отражения облачные образования, которые имеют несколько узких полос поглощения в длинноволновой части спектра.

Спектральная отражательная способность, неодинаковая для разных классов, различается также у объектов внутри класса. Например, коэффициент спектральной яркости варьирует для разных типов почв: если для дерново-подзолистых (автоморфных) он составляет 16,3, то дерново-подзолистых-заболачиваемых – 7,2, дерново-глеевых – 5,2. Он так же различен и для почв одного типа и зависит от их увлажнения, содержания гумуса и гранулометрического состава. Например, для дерново-подзолистых слабоглееватых (временно избыточно увлажняемых) он составляет 9,0, глееватых – 7,1 и глеевых – 6,7 (рис. 5).

Растительность изме­няет свою отражательную спо­собность в зависимости от фитопатологических изменений и экологических условий; воздействуют также величина проективного покрытия, наличие пыли или росы (рис.6).

Отражательная способность водных объектов зависит от содержания в воде планктона и ее загрязнения - наличия пленки нефти и взвешенных частиц. Загрязнение снега и содержание в нем воды также приводит к изменениям отражательной способности. Таким образом, спектральная отражательная способность реагирует на не­которые свойства объектов и отражает их состояние.

В настоящее время, съемки ведутся в оптическом, инфракрасном-тепловом и СВЧ – диапазонах.