Коефіцієнт поглинання випромінювання – це відношення величини поглиненого потоку енергії до величини падаючого потоку.

Поглинання зумовлене присутністю в атмосфері молекул, здатних поглинати енергію в різних зонах електромагнітного спектра. Це поглинання є вибірковим і залежить від довжини хвилі випромінювання. В деяких випадках молекули суміші газів атмосфери, що поглинають сонячне ЕМВ залишаються практично незмінними після взаємодії з ЕМВ, в інших випадках молекули змінюються, втрачаючи, наприклад, частину своїх атомів.

Найбільшою здатністю до поглинання сонячного випромінювання володіють кисень, озон (О₃), пари води (Н₂О) і вуглекислий газ (СО₂), метан (СН₄). Експериментально виявлені чітко окреслені, але різні за шириною і глибиною смуги поглинання (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Спектральне поглинання сонячного випромінювання атмосферними газами

Спектри поглинання атмосферних газів також мають багато вузьких смуг поглинання. Наприклад, на ділянці 7–14 мкм їх виявлено понад 400 [130].

Кисень. Молекули кисню вступають у взаємодію у верхніх шарах атмосфери, поглинаючи випромінювання в рентгенівському діапазоні спектру і короткохвильове (до 0,3 мкм) ультрафіолетове випромінювання.

Таке випромінювання є надзвичайне шкідливим для життя на планеті, оскільки може впливати на клітини живих організмів, викликаючи мутації й інші небажані явища. Молекули кисню в процесі поглинання розпадаються на окремі атоми кисню. Цей процес відбувається в найвищих шарах атмосфери Землі, які при цьому збагачуються активними атомами кисню. В більш низьких шарах атмосфери, до яких жорстке короткохвильове випромінювання доходить вже доволі ослабленим, окремі атоми кисню можуть об'єднуватися з молекулами кисню і формувати таким чином молекули озону.

Озон поглинає ЕМВ в середній частині ультрафіолетового діапазону спектра, захищаючи від того шкідливого випромінювання, яке залишилося не поглиненим молекулами кисню в більш високих шарах атмосфери. Після поглинання випромінювання молекула озону розпадається на атом кисню і молекулу кисню, але атом кисню зазвичай повторно поєднується з іншою молекулою кисню, створюючи при цьому нову молекулу озону. Відносно недавно (1985 р.) за допомогою ДЗЗ були виявлені різкі зменшення концентрації озону (”озонові діри”).

Озонова діра – локальний спад концентрації озону в стратосфері на 10-40%

Оскільки озон також поглинає достатньо шкідливу для живих істот частину ЕМВ, зменшення концентрації озону привернуло увагу світової спільноти. Було створено низку спеціальних датчиків ДЗЗ для озонових вимірів і організоване постійне спостереження за змінами концентрації атмосферного озону.

Вуглекислий газ виступає є одним із парникових компонентів. Парникові гази пропускають ЕМВ видимої зони спектру, але інтенсивно поглинають випромінювання в ІЧ діапазоні, що, по-перше, приводить до певного підвищення температури атмосфери, а по-друге, до повернення частини поглиненого вуглекислим газом випромінювання назад до поверхні Землі. Збільшення концентрації вуглекислого газу розглядається як можлива причина глобального потепління.

Водяна пара – атмосферний газ, який сильно поглинає випромінювання в ІЧ електромагнітного спектра (λ =1–22 мкм). Найбільш висока концентрація водяної пари спостерігається в нижніх шарах атмосфери, причому ця концентрація сильно змінюється від однієї географічної області до іншої і від одної пори року до іншої. Наприклад, повітряна маса над пустелею містить дуже малу кількість водяної пари, в той час як в тропіках спостерігаються достатньо високі його концентрації.

Таким чином, при проходженні через атмосферу ЕМХ взаємодіють з газами і аерозолями. При цьому процеси розсіювання і поглинання енергії зменшують інтенсивність сонячної радіації на поверхні Землі. На рис. 3.6 схематично показано, як змінюється пропускна здатність атмосфери зі зміною довжини хвилі.

Рис. 3.6. Пропускна здатність атмосфери, від ультрафіолетової до мікрохвильової області спектра

Поряд із загальним зменшенням інтенсивності ЕМВ крива, що описує енергію Сонця що пройшло через атмосферу, має ряд локальних мінімумів – широких і вузьких смуг поглинання. Це смуги поглинання сонячної енергії атмосферним озоном, водяною парою, вуглекислим газом і киснем. Вищеперераховані атмосферні гази поглинають ЕМВ селективно, в певних діапазонах спектра, і це визначає, які саме діапазони електромагнітного спектра можна використовувати для цілей ДЗЗ, а які ні.

Коли пропускна здатність дорівнює нулю це означає, що сонячне ЕМВ з такою довжиною ЕМХ не досягає поверхні Землі, тобто цілком поглинається атмосферою. Кисень, озон, вуглекислий газ і водяна пара – чотири компоненти атмосфери, які головним чином спричиняють поглинання сонячного випромінювання. Поглинання залежить від довжини хвилі ЕМВ. На рис. 3.7 представлена крива прозорості атмосфери в діапазоні λ = 0 – 22 мкм, з якого видно, що майже половина спектрального діапазону виявляється абсолютно непридатною з точки зору ДЗЗ, оскільки відповідне випромінювання не може пройти через атмосферу.

Рис. 3.7. Крива прозорості атмосфери в діапазоні довжин хвиль від 0 до 22 мкм

Атмосфера прозора для теплового випромінювання тільки в двох вузьких зонах (рис. 3.8) в інтервалі довжин хвиль: 3,5–5,0 і 8–14 мкм, – оскільки тільки в них може бути зареєстрований сканером потік емітерної енергії.

Рис. 3.8. Зони пропускання і поглинання ЕМХ атмосферою

Решта теплового випромінювання Землі поглинається водяною парою, озоном, вуглекислим газом і метаном. Хвилі інших довжин ІЧ діапазону не досягають апаратури, що встановлена на борту літака або супутника і не можуть бути зареєстровані.

ЕМХ довжиною менше (λ<0,27 мкм повністю поглинаються озоном. Вони не проходять крізь атмосферу і не можуть бути використані для ДЗЗ.

Більш довгохвильове випромінювання (в світловому діапазоні 0,4–5,5 мкм) проходить через атмосферу і якщо розсіювання і поглинання енергії в ній не дуже великі, то випромінювання відбивається від поверхні Землі і може бути зареєстроване сенсорними системами (датчиками, приймачами) на борту носія – літака або супутника.

При збільшені довжини хвилі сонячного ЕМВ вплив атмосфери зменшується, і вона стає практично прозорою для хвиль мікрохвильового діапазону. Цей чинник використовується для радарних методів зондування, що працюють з хвилями сантиметрової і дециметрової довжини.

Взагалі кажучи, атмосфера Землі поглинає 15-20% ЕМВ, що надходить від Сонця. Зрозуміло, що безглуздо намагатися вимірювати ЕМВ, відбите від поверхні Землі або випроменене земною поверхнею, в тих діапазонах спектру, де поглинання атмосферними газами є значним: занадто малим буде корисний сигнал і занадто великими перешкоди.

В ДЗЗ використовують ті діапазони електромагнітного спектра, де поглинання ЕМХ атмосферними газами є незначним. Такі ділянки називають ”вікнами прозорості” (рис. 3.9).

Більшість інструментів ДЗЗ вимірюють ЕМВ в одному або декількох вікнах прозорості. Але це відноситься до приладів, орієнтованих на дослідження поверхні Землі. Прилади, що застосовуються на метеорологічних супутниках, вимірюють поглинання газів, наприклад, озону. Такі прилади, навпаки, настроюють на ті довжини хвиль, де поглинання досліджуваних газів є максимальним.

Рис. 3.9. Спектральні діапазони, що використовуються в ДЗЗ