Cơ sở viễn thám-Chương 2

Chia sẻ: Tdhunre Td | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

352
lượt xem 42
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong viễn thám, các sóng điện từ đ-ợc sử dụng với các dải bước sóng của quang phổ điện từ. Đơn vị của bước sóng được đo phổ biến bằng micromet. Sóng điện từ được truyền trong môi trường đồng nhất theo kiểu hình sin với tốc độ gần bằng 3 x 108 m/s (tốc độ ánh sáng).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cơ sở viễn thám-Chương 2

Ch−¬ng 2 c¬ së vËt lý cña viÔn th¸m 2.1. C¸c nguån n¨ng l−îng vµ c¸c nguyªn lý bøc x¹ 2.1.1. TÝnh chÊt sãng cña ¸nh s¸ng N¨ng l−îng ¸nh s¸ng cã tÝnh chÊt bøc x¹ tù nhiªn víi hai tr−êng ®iÖn vµ tõ cã h−íng vu«ng gãc víi nhau, chuyÓn ®éng tu©n theo nguyªn lý cña sãng ®iÒu hßa (h×nh 2.1). Tr−êng ®iÖn H−íng Tr−êng tõ truyÒn H×nh 2.1: Bøc x¹ ®iÖn tõ víi c¸c tr−êng sãng cña ¸nh s¸ng TÝnh chÊt sãng cña ¸nh s¸ng ®−îc thÓ hiÖn qua ph−¬ng tr×nh truyÒn ¸nh s¸ng: C= √xλ trong ®ã: C - h»ng sè tèc ®é ¸nh s¸ng (≈3 x 108 m/s) (coi tèc ®é ¸nh s¸ng trong kh«ng khÝ gÇn gièng nh− trong m«i tr−êng ch©n kh«ng) √ - tÇn sè dao ®éng cña ¸nh s¸ng; λ - b−íc sãng cña ¸nh s¸ng. Trong viÔn th¸m, c¸c sãng ®iÖn tõ ®−îc sö dông víi c¸c d¶i b−íc sãng cña quang phæ ®iÖn tõ. §¬n vÞ cña b−íc sãng ®−îc ®o phæ biÕn b»ng micromet (μm, 1 μm = 10-6 m), hay nanomet ( Nm, 1 Nm= 10-9 m). Sãng ®iÖn tõ cã c¸c tÝnh chÊt c¬ b¶n nh− sau: - Sãng ®iÖn tõ ®−îc truyÒn trong m«i tr−êng ®ång nhÊt theo kiÓu h×nh sin víi tèc ®é gÇn b»ng 3 x 108 m/s (tèc ®é ¸nh s¸ng). 20
- Kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c cùc trÞ ®−îc gäi lµ b−íc sãng (λ) víi ®¬n vÞ lµ ®é dµi. §©y còng chÝnh lµ kho¶ng c¸ch tõ 1 ®iÓm bÊt kú ë chu kú tr−íc ®Õn vÞ trÝ cña chÝnh nã ë chu kú sau trong ®å thÞ h×nh sin. - Sè l−îng c¸c cùc trÞ truyÒn qua mét ®iÓm nhÊt ®Þnh trong thêi gian 1 gi©y ®−îc gäi lµ tÇn sè (√) - ®¬n vÞ cña tÇn sè lµ : herzt. 2.1.2. Quang phæ ®iÖn tõ Quang phæ ®iÖn tõ lµ d¶i liªn tôc cña c¸c tia s¸ng øng víi c¸c b−íc sãng kh¸c nhau (h×nh 2.2). Sù ph©n chia thµnh c¸c d¶i phæ liªn quan ®Õn tÝnh chÊt bøc x¹ tù nhiªn cña c¸c ®èi t−îng, tõ ®ã h×nh thµnh nªn c¸c ph−¬ng ph¸p viÔn th¸m kh¸c nhau. • C¸c d¶i sãng cña quang phæ ®iÖn tõ Quang phæ ®iÖn tõ cã c¸c d¶i sãng chÝnh nh− sau : - C¸c tia vò trô: lµ c¸c tia s¸ng tõ vò trô cã b−íc sãng v« cïng ng¾n víi λ 30 cm. 21
H×nh 2.2: Sù ph©n bè c¸c d¶i sãng trong quang phæ ®iÖn tõ L−u ý chung : - Trong h×nh vÏ, c¸c tªn cña tõng d¶i sãng ®−îc nªu râ (vÝ dô sãng cùc tÝm hoÆc sãng cùc ng¾n,...), sù ph©n chia ®ã chØ ®Ó cho tiÖn sö dông cßn trong thùc tÕ kh«ng cã sù ph©n biÖt mét c¸ch râ rµng gi÷a c¸c vïng sãng ®−îc ®Æt tªn vµ sù ph©n chia thµnh c¸c d¶i sãng víi c¸c ranh giíi nªu ë trªn chØ lµ t−¬ng ®èi. - Tªn cña c¸c vïng sãng ®−îc ®Æt t−¬ng øng víi c¸c ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu vµ sè l−îng c¸c vïng ®ã th−êng nhiÒu h¬n sù ph©n chia th«ng dông. - Vïng nh×n thÊy chØ lµ vïng cùc nhá trong toµn bé quang phæ ®iÖn tõ (tõ 0,4 - 0,7 μm) song trong ®ã vÉn ®−îc chia nhá h¬n thµnh c¸c tia ®¬n s¾c: - Sãng cùc tÝm nèi liÒn víi phÇn mµu xanh l¬ (Blue) cña vïng nh×n thÊy. Nèi tiÕp víi phÇn mµu ®á lµ vïng hång ngo¹i (infrared). - Vïng hång ngo¹i ®−îc chia ra 3 d¶i, song chØ cã hång ngo¹i nhiÖt míi liªn quan trùc tiÕp ®Õn sù nh¹y c¶m vÒ ®é nãng. - Vïng vi sãng (microwave) lµ c¸c vïng cã b−íc sãng dµi h¬n nhiÒu so víi hång ngo¹i (tõ 1mm ®Õn 1m) vµ cßn ®−¬c gäi lµ sãng Radar. Vïng Radar còng ®−îc chia nhá thµnh nhiÒu vïng nhá víi nh÷ng ®Æc tÝnh riªng biÖt . - Vïng cã b−íc sãng dµi nhÊt, tiÕp tôc cña sãng radar lµ sãng Radio. 2.2. TÝnh chÊt h¹t vµ sù truyÒn n¨ng l−îng cña ¸nh s¸ng Ngoµi tÝnh chÊt sãng th× ¸nh s¸ng cßn cã tÝnh chÊt h¹t. ¸nh s¸ng bao gåm rÊt nhiÒu ph©n tö nhá riªng biÖt ®−îc gäi lµ c¸c photon hay l−îng tö (quanta). N¨ng l−îng cña mçi l−îng tö ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: Q=hxv trong ®ã: Q - n¨ng l−îng cña mçi l−îng tö (tÝnh b»ng Jun - J); 22
h - h»ng sè plank (h = 6,626 x 10-34 J/s); v- tÇn sè (Hz). NÕu gi¶i hai ph−¬ng tr×nh trªn, ta cã: v =C/λ Q = h x C / λ. C«ng thøc nµy thÓ hiÖn sù liªn quan gi÷a Q vµ λ. Khi h vµ C lµ c¸c h»ng sè, sù liªn quan ®ã thÓ hiÖn lµ khi ¸nh s¸ng cã b−íc sãng dµi h¬n th× n¨ng l−îng cña nã sÏ nhá ®i (t−¬ng quan tØ lÖ nghÞch). §iÒu nµy cã ý nghÜa quan träng trong viÔn th¸m. Trong ¸p dông, viÖc thu nhËn bøc x¹ truyÒn ®i cña mét ®èi t−îng ë vïng sãng dµi lµ khã h¬n nhiÒu so víi c¸c bøc x¹ ë vïng sãng ng¾n (vÝ dô viÖc thu tÝn hiÖu sãng cùc ng¾n ph¸t ra tõ ®èi t−îng lµ khã h¬n nhiÒu so víi viÖc thu bøc x¹ nhiÖt cña ®èi t−îng). Do n¨ng l−îng ë vïng sãng dµi thÊp nªn trong viÔn th¸m, hÖ thèng thu nhËn tÝn hiÖu bøc x¹ ®iÖn tõ víi b−íc sãng dµi th−êng ph¶i cã tr−êng nh×n réng nh»m thu ®−îc nh÷ng tÝn hiÖu bøc x¹ ®ã. MÆt trêi th−êng lµ nguån n¨ng l−îng bøc x¹ ®iÖn tõ ®iÓn h×nh trong viÔn th¸m. TÊt nhiªn, toµn bé c¸c vËt chÊt cã nhiÖt ®é lín h¬n nhiÖt ®é tuyÖt ®èi (K hay – 2730 C) ®Òu th−êng xuyªn ph¸t x¹ bøc x¹ ®iÖn tõ. Nh− vËy c¸c ®èi t−îng trªn tr¸i ®Êt ®Òu lµ nh÷ng nguån bøc x¹ tù nhiªn, mÆc dï chóng d−êng nh− cã nh÷ng sù kh¸c biÖt vÒ biªn ®é vµ thµnh phÇn phæ so víi mÆt trêi. Cã thÓ tÝnh to¸n n¨ng l−îng bøc x¹ ph¸t ra tõ bÒ mÆt mét ®èi t−îng theo quy luËt Stefan - Bolzman: M = δ. T 4 trong ®ã: M- tæng n¨ng l−îng bøc x¹ truyÒn ®i tõ bÒ mÆt ®èi t−îng (W/ m2); δ - hÖ sè Stefan - Bolzman (δ = 5,6697 x 10 -12 W/ m2.K4); T - nhiÖt ®é tuyÖt ®èi (K) cña vËt chÊt ph¸t x¹. C¸c ®¬n vÞ tÝnh ë trong c«ng thøc lµ khã nhí song ®iÒu quan träng cÇn l−u ý lµ n¨ng l−îng ph¸t ra tØ lÖ víi T 4, nghÜa lµ nÕu nhiÖt ®é t¨ng lªn th× n¨ng l−îng ph¸t ra sÏ nhanh chãng t¨ng lªn theo c¬ chÕ luü thõa bËc 4, còng cã thÓ hiÓu n¨ng l−îng ph¸t ra lµ hµm nguyªn thñy cña nhiÖt ®é ®èi t−îng. Mét kh¸i niÖm ®−îc ®−a ra lµ vËt ®en tuyÖt ®èi. §ã lµ mét vËt lý t−ëng, lµ vËt mµ cã thÓ hÊp thô vµ t¸i ph¸t ra toµn bé n¨ng l−îng r¬i vµo nã. Bøc x¹ nhiÖt, cã mét sè tÝnh chÊt sau: - Khi nhiÖt ®é bøc x¹ cao h¬n th× tæng n¨ng l−îng ph¸t ra còng cao h¬n. - NhiÖt ®é cùc ®¹i khi vËt ®en bøc x¹ chuyÓn dÇn vÒ phÝa cã b−íc sãng ng¾n h¬n. 23
- Cùc trÞ cña ®−êng cong bøc x¹ tu©n theo quy luËt chuyÓn dÞch cña Vien (Wien’s displacement Law), néi dung cña quy luËt nµy lµ khi nhiÖt ®é cña vËt t¨ng lªn th× cùc trÞ bøc x¹ cña vËt chuyÓn dÞch vÒ phÝ cã b−íc sãng ng¾n h¬n (h×nh 2.3): λm=A/ T trong ®ã: λ m - b−íc sãng mµ ë ®ã cã sù ph¸t x¹ cùc ®¹i ( μm); A = 2.898 μmK; T - nhiÖt ®é K. To¶ nhiÖt cña vËt ®en NhiÖt ®é cña MÆt Trêi NhiÖt ®é ®Ìn s¸ng Sù to¶ bøc x¹ NhiÖt ®é ®èt ch¸y NhiÖt ®éTr¸i §Êt phæ B−íc sãng μ M H×nh 2.3: Sù thay ®æi cùc trÞ cña ®−êng cong bøc x¹ nhiÖt cña vËt chÊt ë nhiÖt ®é kh¸c nhau. MÆt trêi cã bøc x¹ gièng nh− cña vËt ®en tuyÖt ®èi khi nhiÖt ®é cña vËt ®en lªn tíi 6.000 K, c¸c bãng ®Ìn sîi ®èt th−êng cã nhiÖt ®é kho¶ng 3.000 K. KÕt qu¶ lµ bãng ®Ìn sîi ®èt th−êng ph¸t ra ¸nh s¸ng mµu xanh víi n¨ng l−îng thÊp vµ kh«ng gièng nh− cÊu thµnh trong d¶i phæ cña mÆt trêi. Ta cã thÓ quan s¸t thÊy hiÖn t−îng nµy khi mét mÈu thÐp ®−îc nung nãng ®á. Khi nhiÖt ®é t¨ng dÇn lªn th× mµu cña mÈu thÐp chuyÓn tõ mµu ®á sang da cam, vµng vµ cuèi cïng lµ mµu tr¾ng. Nh− vËy khi nhiÖt ®é cña vËt t¨ng lªn , cùc trÞ bøc x¹ chuyÓn dÇn tõ vïng sãng dµi – kh«ng nh×n thÊy, sang vïng sãng ng¾n – nh×n thÊy. Khi b−íc sãng ph¸t x¹ cµng dµi th× nhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña vËt ®en cµng thÊp . Trong kü thuËt lµm phim ¶nh, ng−êi ta chÕ t¹o ra c¸c lo¹i phim cã sù nh¹y c¶m ¸nh s¸ng kh¸c nhau víi c¸c ®iÒu kiÖn chiÕu s¸ng kh¸c nhau, khi cöa më th× phim nh¹y c¶m víi ®iÒu kiÖn ¸nh s¸ng cña bªn ngoµi, nÕu ë trong phßng ta dïng ¸nh s¸ng 24
®Ìn sîi ®èt lµm nguån s¸ng th× kÕt qu¶ phim sÏ cã mµu vµng. ¸nh ®Ìn flash th−êng ®−îc dïng ®Ó t¹o nªn nguån s¸ng cã n¨ng l−îng m¹nh t−¬ng tù nh− ¸nh s¸ng mÆt trêi trong mét thêi gian rÊt ng¾n ®ñ ®Ó phim nh¹y c¶m. TÊt nhiªn cã nh÷ng lo¹i phim ®−îc chÕ t¹o ®Ó nh¹y c¶m víi ¸nh s¸ng ®Ìn sîi ®èt. NhiÖt ®é bªn ngoµi cña tr¸i ®Êt (nghÜa lµ nhiÖt ®é cña vËt chÊt trªn bÒ mÆt tr¸i ®Êt nh− ®Êt, n−íc, thùc vËt...) vµo kho¶ng 300 K (270C). Nh− vËy, theo luËt chuyÓn ®æi Wiens th× cùc ®¹i bøc x¹ cña bÒ mÆt tr¸i ®Êt lµ ë b−íc sãng kho¶ng 9,7μm. Bøc x¹ ®ã liªn quan ®Õn ®é nãng cña vËt chÊt vµ liªn quan ®Õn kh¸i niÖm hång ngo¹i nhiÖt. C¸c bøc x¹ nµy kh«ng thÓ nh×n thÊy hoÆc kh«ng thÓ chôp ¶nh ®−îc, song cã thÓ thu nhËn ®−îc b»ng c¸c thiÖt bÞ ®o hoÆc quÐt bøc x¹ (sÏ m« t¶ ë phÇn sau). Trong khi ®ã mÆt trêi cã bøc x¹ vïng nh×n thÊy cùc ®¹i vÒ nhiÖt ®é ë d¶i sãng 0,5μm vµ nh− vËy m¾t ng−êi vµ phim cã thÓ dÔ dµng nh¹y c¶m víi n¨ng l−îng theo biªn ®é vµ b−íc sãng cña ¸nh s¸ng.Nhê vËy, khi mÆt trêi xuÊt hiÖn, chóng ta cã thÓ quan s¸t c¸c ®Æc ®iÓm cña tr¸i ®Êt nhê vµo ®Æc tÝnh ph¶n x¹ l¹i nguån n¨ng l−îng ¸nh s¸ng mÆt trêi. N¨ng l−îng bøc x¹ ë vïng sãng dµi h¬n th× th−êng ®−îc ph¸t ra tõ c¸c vËt chÊt trªn bÒ mÆt tr¸i ®Êt, nguån n¨ng l−îng nµy cã thÓ quan s¸t ®−îc víi thiÕt bÞ c¶m biÕn phi h×nh ¶nh (nonphotographic sensing system). §−êng ph©n chia gi÷a hång ngo¹i ph¶n x¹ vµ hång ngo¹i ph¸t x¹ lµ kho¶ng 3μm: nÕu λ < 3μm th× ph¶n x¹ chiÕm −u thÕ vµ λ > 3μm th× ph¸t x¹ chiÕm −u thÕ. 2.3.T−¬ng t¸c n¨ng l−îng trong khÝ quyÓn Nh÷ng ¶nh h−ëng cña khÝ quyÓn tíi ¸nh s¸ng khi truyÒn qua nã lµ t¸n x¹ ,truyÒn qua vµ hÊp thô ¸nh s¸ng cña khÝ quyÓn (h×nh 2.4). Nh÷ng ¶nh h−ëng nµy cã nguyªn nh©n lµ sù t−¬ng t¸c c¬ häc cña c¸c thµnh phÇn khÝ quyÓn ®èi víi ¸nh s¸ng. Víi bÊt kú mét nguån s¸ng nµo, toµn bé bøc x¹ c¶m nhËn ®−îc b»ng c¸c thiÕt bÞ viÔn th¸m ®Òu ph¶i truyÒn qua mét kho¶ng c¸ch nµo ®ã trong khÝ quyÓn, kho¶ng c¸ch ®ã ®−îc gäi lµ kho¶ng c¸ch Tia s¸ng HÊp mÆt trêi h ®−êng truyÒn (Path Length). Kho¶ng c¸ch ®−êng truyÒn cã thÓ rÊt kh¸c TruyÒn nhau, vÝ dô c¸c ¶nh vò trô nhËn ®−îc T¸n x¹ c¸c tÝn hiÖu ph¶n x¹ tõ ¸nh s¸ng mÆt Tr¸i trêi, nghÜa lµ ¸nh s¸ng mÆt trêi ph¶i ®i ®Êt qua bÇu khÝ quyÓn hai lÇn trong ®−êng hµnh tr×nh cña nã tíi thiÕt bÞ thu nhËn. H×nh 2.4: ¸nh s¸ng mÆt trêi chiÕu xuèng tr¸i ®Êt chÞu t¸c ®éng cña khÝ quyÓn: hÊp thô, t¸n x¹ vµ truyÒn qua 25
Trong khi ®ã, ®èi víi chôp ¶nh m¸y bay th× kho¶ng c¸ch ®−êng truyÒn rÊt ng¾n. ¶nh h−ëng cña khÝ quyÓn rÊt kh¸c nhau ®èi víi c¸c kho¶ng c¸ch ®−êng truyÒn kh¸c nhau, ¶nh h−ëng ®ã liªn quan ®Õn c¸c tÝnh chÊt cña ¸nh s¸ng nh−: b−íc sãng, c−êng ®é. TÊt nhiªn ®Æc ®iÓm cña khÝ quyÓn lóc thu nhËn tÝn hiÖu viÔn th¸m lµ yÕu tè rÊt quan träng ¶nh h−ëng ®Õn tÝn hiÖu nhËn ®−îc. 2.3.1. Sù t¸n x¹ (Scattering) Sù t¸n x¹ cña khÝ quyÓn lµ sù lan truyÒn ¸nh s¸ng mét c¸ch kh«ng ®Þnh h−íng g©y ra bëi c¸c phÇn tö nhá bÐ trong khÝ quyÓn. Sù t¸n x¹ Rayleigh lµ sù t−¬ng t¸c c¸c bøc x¹ bëi c¸c phÇn tö hoÆc c¸c h¹t nhá bÐ kh¸c trong khÝ quyÓn, khi ®−êng kÝnh cña chóng nhá h¬n b−íc sãng cña tia bøc x¹. ¶nh h−ëng cña t¸n x¹ Rayleigh lµ tØ lÖ nghÞch víi mò bËc 4 cña b−íc sãng. Do ®ã khi b−íc sãng ng¾n th× sù t¸n x¹ m¹nh h¬n so víi t¸n x¹ cña tia s¸ng cã b−íc sãng dµi. BÇu trêi cã mµu xanh Blue chÝnh lµ mét biÓu hiÖn râ rµng nhÊt cña hiÖn t−îng t¸n x¹ Rayleigh, nÕu kh«ng cã hiÖn t−îng t¸n x¹, bÇu trêi sÏ cã mµu ®en. Trong tr−êng hîp nµy sù t¸n x¹ cña c¸c tia mµu xanh l¬ ( blue ) lµ næi h¬n c¶ so víi c¸c tia s¸ng kh¸c trong d¶i nh×n thÊy. Vµo lóc buæi s¸ng sím hoÆc lóc mÆt trêi lÆn c¸c tia mÆt trêi ph¶i truyÒn qua mét kho¶ng c¸ch ®−êng truyÒn lín h¬n so víi buæi tr−a, khi ®ã sù t¸n x¹ vµ hÊp tô cña c¸c sãng ng¾n lµ hoµn toµn chÊm døt vµ chóng ta chØ nh×n thÊy mét phÇn nhá c¸c tia ®−îc t¸n x¹ ë b−íc sãng dµi h¬n ®ã lµ c¸c tia mµu ®á (red) vµ da cam (magenta). HiÖn t−îng t¸n x¹ còng lµ nguyªn nh©n ®Çu tiªn g©y nªn hiÖn t−îng s−¬ng mï trªn ¶nh vÖ tinh. TÊt nhiªn hiÖn t−îng s−¬ng mï sÏ lµm gi¶m ®é nÐt hay ®é t−¬ng ph¶n cña h×nh ¶nh. §èi víi ¶nh mµu, ®ã lµ hiÖn t−îng xuÊt hiÖn nhiÒu mµu xanh l¬ tr¶i ®Òu trªn toµn ¶nh. §Ó kh¸c phôc hiÖn t−îng nµy, mét tÊm läc th−êng ®−îc ®Æt tr−íc èng kÝnh ®Ó tr¸nh cho nh÷ng tia s¸ng cã b−íc sãng ng¾n truyÒn vµo phim, tÊm läc ®ã gäi lµ läc s−¬ng mï. Ngoµi ra, cã thÓ cã nhiÒu lo¹i läc kh¸c nh− läc tia xanh l¬ (läc Blue), läc tia cùc tÝm ( läc UV) Ngoµi hiÖn t−îng t¸n x¹ Rayleigh cßn cã hiÖn t−îng t¸n x¹ Mie khi mµ c¸c h¹t nhá trong kh«ng khÝ cã ®−êng kÝnh b»ng b−íc sãng cña tia s¸ng. H¬i n−íc vµ khãi (chóng cã ®−êng kÝnh tõ 5- 100μm) lµ nguyªn nh©n cña hiÖn t−îng t¸n x¹ Mie. HiÖn t−îng t¸n x¹ nµy ¶nh h−ëng ®Õn c¸c tia s¸ng cã b−íc sãng dµi so víi c¸c tia cã b−íc sãng ng¾n ë t¸n x¹ Rayleigh. Tuy nhiªn, trong tù nhiªn th× hiÖn t−îng t¸n x¹ Rayleigh lµ phæ biÕn h¬n c¶. Trong tr−êng hîp ë vïng nh×n thÊy, khi c¸c tia mµu l¬, lam vµ ®á ®−îc t¸n x¹, ®Òu nhau do s−¬ng mï vµ m©y th× th−êng xuÊt hiÖn mµu tr¾ng do ¶nh h−ëng cña t¸n x¹ Mie. 26
H×nh 2.5: C¸c cöa sæ khÝ quyÓn vµ t¸c ®éng cña khÝ quyÓn tíi ¸nh s¸ng mÆt trêi 2.3.2. Sù hÊp thô (Absorption) Ng−îc l¹i víi hiÖn t−îng t¸n x¹, sù hÊp thô bëi khÝ quyÓn lµ nguyªn nh©n dÉn ®Õn sù gi¶m n¨ng l−îng cña ¸nh s¸ng. Khi truyÒn qua khÝ quyÓn, hiÖn t−îng hÊp thô n¨ng l−îng x¶y ra kh¸c nhau ®èi víi mét b−íc sãng nhÊt ®Þnh. HiÖn t−îng hÊp thô n¨ng l−îng mÆt trêi cña khÝ quyÓn lµ h¬i n−íc, khÝ cacbonic vµ khÝ ozon. Trong d¶i phæ, vïng d¶i sãng mµ ë ®ã n¨ng l−îng hÊp thô Ýt nhÊt vµ ®−îc truyÒn qua nhiÒu nhÊt th× gäi lµ c¸c cöa sæ khÝ quyÓn (atmotspheric windows). 2.3.3. Sù truyÒn qua (Transmition) Ngoµi phÇn bÞ hÊp thô hoÆc t¸n x¹, n¨ng l−îng ¸nh s¸ng mÆt trêi cã thÓ ®−îc truyÒn qua khÝ quyÓn ®Ó ®Õn Tr¸i §Êt. Cöa sæ khÝ quyÓn lµ vïng mµ n¨ng l−îng ¸nh s¸ng cã thÓ truyÒn qua vµ ®Õn c¸c ®èi t−îng trªn mÆt ®Êt, nhê ®ã c¸c m¸y c¶m biÕn cã thÓ ghi nhËn ®−îc n¨ng l−îng ¸nh s¸ng. 2.4. C¸c cöa sæ khÝ quyÓn NÕu tæng n¨ng l−îng tíi ®−îc coi lµ cã gi¸ trÞ =100 % th× khi ®i qua khÝ quyÓn nã ®−îc chia ra lµm 3 thµnh phÇn : truyÒn qua, hÊp thô vµ t¸n x¹. E tíi (λ) =E t¸n x¹(λ) + E hÊp thô(λ) + E truyÒn qua(λ) Khi ¸nh s¸ng truyÒn qua vµ t−¬ng t¸c víi bÇu khÝ quyÓn, cã sù t¸c ®éng cña c¸c phÇn tö kh«ng khÝ nh− ozon, nit¬, khÝ cacbonic, h¬i n−íc... chóng hÊp thô hoÆc 27
cho truyÒn qua tõng phÇn hoÆc toµn bé c¸c tia s¸ng ®¬n s¾c, tïy theo b−íc sãng cña ¸nh s¸ng (hay chÝnh lµ tïy thuéc vµo n¨ng l−îng cña tõng tia s¸ng). C¸c d¶i b−íc sãng nh− vËy ®−îc gäi lµ c¸c cöa sæ khÝ quyÓn. C¸c cöa sæ khÝ quyÓn ®−îc nghiªn cøu vµ x¸c ®Þnh nh»m phôc vô cho viÖc chÕ t¹o c¸c m¸y c¶m biÕn (c¸c sensor) trong viÔn th¸m. §ã còng lµ c¬ së ®Ó h×nh thµnh c¸c ph−¬ng ph¸p viÔn th¸m bÞ ®éng hay chñ ®éng( h×nh 2.5). Khu vùc tèi lµ vïng ¸nh s¸ng kh«ng truyÒn qua ®−îc vµ nh− vËy khu vùc cöa sæ khÝ quyÓn lµ rÊt hÑp, n¬i mµ ¸nh s¸ng cã thÓ truyÒn qua vµ c¸c thiÕt bÞ viÔn th¸m ghi nhËn ®−îc tÝn hiÖu cña chóng. Trong c¸c cöa sæ khÝ quyÓn th× d¶i nh×n thÊy lµ vïng cöa sæ khÝ quyÓn réng nhÊt vµ n¨ng l−îng ¸nh s¸ng ®−îc truyÒn qua còng m¹nh nhÊt. D¶i n¨ng l−îng nhiÖt ph¸t ra tõ Tr¸i §Êt ®−îc thÓ hiÖn bëi ®−êng cong nhá trong h×nh 2.6. Cöa sæ khÝ quyÓn cña d¶i n¨ng l−îng nµy tõ 3 - 5μm vµ tõ 8 - 14μm vµ ghi nhËn chóng b»ng c¸c m¸y quÐt nhiÖt (Thermal Scanners). M¸y quÐt ®a phæ (Multispectral Scanners) cã kh¶ n¨ng c¶m nhËn ®ång thêi nh÷ng n¨ng l−îng ¸nh s¸ng ë c¸c d¶i phæ hÑp. VÝ dô hÖ thèng quÐt radar chñ ®éng cã thÓ thu c¸c tÝn hiÖu sãng víi cöa sæ ë kho¶ng 1mm ®Õn 1m. Tãm l¹i ®iÒu quan träng lµ sù t−¬ng t¸c vµ phô thuéc gi÷a nguån n¨ng l−îng ®iÖn tõ víi khÝ quyÓn. C¸c cöa sæ khÝ quyÓn lµ n¬i mµ c¸c n¨ng l−îng ®iÖn tõ cã thÓ truyÒn qua vµ t¸c ®éng vµo c¸c thiÕt bÞ thu nhËn, tõ ®ã c¸c thiÕt bÞ cã thÓ ghi l¹i c¸c tÝn hiÖu n¨ng l−îng ®ã. V× vËy viÖc lùa chän c¸c thiÕt bÞ thu nhËn ph¶i c¨n cø vµo nhiÒu yÕu tè: - D¶i phæ cã thÓ thu nhËn ®−îc. - C¸c cöa sæ khÝ quyÓn cã thÓ sö dông. - Nguån n¨ng l−îng, c−êng ®é vµ thµnh phÇn phæ cña nguån cã thÓ thu nhËn ®−îc. 2.5. Sù t−¬ng t¸c n¨ng l−îng víi c¸c ®èi t−îng ë trªn mÆt ®Êt Khi n¨ng l−îng ®iÖn tõ r¬i vµo mét vËt thÓ ë trªn mÆt ®Êt, sÏ cã 3 thµnh phÇn n¨ng l−îng c¬ b¶n t−¬ng t¸c víi ®èi t−îng, ®ã lµ: ph¶n x¹, hÊp thô vµ (hoÆc) truyÒn qua (h×nh 2.6): E I(λ) = E R(λ) + E A(λ) + E T(λ) trong ®ã: E I - n¨ng l−îng r¬i xuèng; E R - n¨ng l−îng ph¶n x¹; E A - n¨ng l−îng hÊp thô; E T - n¨ng l−îng truyÒn qua. Toµn bé c¸c n¨ng l−îng nµy lµ hµm cña mét b−íc sãng λ nµo ®ã. 28
H×nh 2.6: T−¬ng t¸c c¬ b¶n gi÷a n¨ng l−îng ®iÖn tõ víi ®èi t−îng bÒ mÆt TØ lÖ gi÷a c¸c hîp phÇn n¨ng l−îng ph¶n x¹, hÊp thô vµ truyÒn qua rÊt kh¸c nhau, tïy thuéc vµo c¸c ®Æc ®iÓm cña ®èi t−îng trªn bÒ mÆt, cô thÓ lµ thµnh phÇn vËt chÊt vµ t×nh tr¹ng cña ®èi t−îng. Ngoµi ra tØ lÖ gi÷a c¸c hîp phÇn ®ã cßn phô thuéc vµo c¸c b−íc sãng kh¸c nhau. Nh− vËy, sÏ cã nhiÒu tr−êng hîp lµ hai ®èi t−îng cã cïng mét ®Æc ®iÓm trong c¸c d¶i phæ kh¸c. ChÝnh v× vËy, trong vïng nh×n thÊy mµu s¾c cña mét ®èi t−îng chÝnh lµ thÓ hiÖn sù ph¶n x¹ tréi h¬n c¶ trong mét d¶i sãng nµo ®ã. Ch¼ng h¹n mµu xanh l¬ cña mét vËt chÝnh lµ sù ph¶n x¹ cña nã tréi h¬n ë vïng sãng Blue (0,4 - 0,5μm). L¸ c©y cã mµu xanh chµm do chóng ph¶n x¹ m¹nh d¶i phæ Green (0,5 - 0,6μm). Nh− vËy, m¾t sö dông sù kh¸c nhau vÒ c−êng ®é n¨ng l−îng ph¶n x¹ phæ ®Ó ph©n biÖt c¸c ®èi t−îng. Trong viÔn th¸m, thµnh phÇn n¨ng l−îng phæ ph¶n x¹ lµ rÊt quan träng vµ viÔn th¸m nghiªn cøu sù kh¸c nhau ®ã ®Ó ph©n biÖt c¸c ®èi t−îng. V× vËt, n¨ng l−îng phæ ph¶n x¹ th−êng ®−îc sö dông ®Ó tÝnh sù c©n b»ng n¨ng l−îng: E I(λ) = E R(λ) + [ E A(λ) + E T(λ) ]. C«ng thøc trªn nãi lªn r»ng n¨ng l−îng ph¶n x¹ th× b»ng n¨ng l−îng r¬i xuèng mét ®èi t−îng sau khi ®· bÞ suy gi¶m do viÖc truyÒn qua hoÆc hÊp thô ®èi t−îng. TØ lÖ gi÷a c¸c hîp phÇn n¨ng l−îng ®ã lµ kh¸c nhau tuú thuéc vµo b−íc sãng. Trong tù nhiªn cã c¸c tr¹ng th¸i ph¶n x¹ n¨ng l−îng ¸nh s¸ng th«ng th−êng liªn quan ®Õn ®Æc ®iÓm cÊu t¹o bÒ mÆt vµ thµnh phÇn vËt chÊt cña ®èi t−îng. Trong tù nhiªn cã c¸c tr−êng hîp t−¬ng t¸c nh− sau (h×nh 2.7): 29
Tia mÆt trêi Tia mÆt trêi Tia mÆt trêi Tia mÆt trêi a. Ph¶n x¹ hoµn toµn b. Ph¶n x¹ kh«ng hoµn toµn c. T¸n x¹ hoµn toµn d. T¸n x¹ kh«ng hoµn toµn H×nh 2.7: C¸c tr−êng hîp t−¬ng t¸c cña ¸nh s¸ng mÆt trêi víi vËt chÊt - Ph¶n x¹ hoµn toµn ( hay ph¶n x¹ toµn phÇn, ph¶n x¹ g−¬ng-Specular) lµ sù ph¶n x¹ cña ®èi t−îng cã bÒ mÆt nh½n nh− g−¬ng. Khi ®ã gãc tíi b»ng gãc ph¶n x¹. Ph¶n x¹ toµn phÇn (ph¶n x¹ g−¬ng) ng−îc l¹i víi sù t¸n x¹. Bªn c¹nh sù ph¶n x¹ toµn phÇn lµ sù ph¶n x¹ gÇn toµn phÇn - Sù t¸n x¹ hoµn toµn ( hay t¸n x¹ toµn phÇn (Lambertian) lµ hiÖn t−îng bÒ mÆt ®èi t−îng cã sù ph¶n x¹ ®Òu theo mäi h−íng. HÇu hÕt c¸c ®èi t−îng trªn mÆt ®Êt ®Òu kh«ng cã sù ph¶n x¹ g−¬ng hay t¸n x¹ tuyÖt ®èi. Bªn c¹nh sù t¸n x¹ hoµn toµn lµ sù t¸n x¹ gÇn hoµn toµn. Mét bÒ mÆt cã thÓ lµ ph¶n x¹ g−¬ng ®èi víi mét sãng cã b−íc sãng dµi, song l¹i lµ bÒ mÆt t¸n x¹ ®èi víi mét sãng cã b−íc sãng ng¾n h¬n. VÝ dô: BÒ mÆt ®¸ rÊt cã thÓ cã ph¶n x¹ g−¬ng (bÒ mÆt nh½n) ®èi víi sãng radio song l¹i lµ bÒ mÆt th«, t¸n x¹ ®èi víi c¸c d¶i sãng ë vïng nh×n thÊy. Khi ®ã b−íc sãng cña ¸nh s¸ng tíi nhá h¬n rÊt nhiÒu so víi kÝch th−íc c¸c h¹t c¸t cÊu t¹o nªn bÒ mÆt vËt chÊt. HiÖn t−îng t¸n x¹ còng chøa ®ùng nh÷ng th«ng tin vÒ mµu cña ®èi t−îng. Th«ng th−êng trong viÔn th¸m ng−êi ta ®o c¸c tÝnh chÊt cña hiÖn t−îng t¸n x¹ h¬n lµ sù ph¶n x¹ g−¬ng cña c¸c ®èi t−îng bÒ mÆt v× trong thùc tÕ rÊt Ýt khi cã hiÖn t−îng ph¶n x¹ g−¬ng (hay ph¶n x¹ toµn phÇn).Tuy nhiªn, ®«i khi cã thÓ gÆp hiÖn t−îng nµy ë ¶nh m¸y bay. §Æc ®iÓm ph¶n x¹ phæ cña c¸c ®èi t−îng trªn bÒ mÆt Tr¸i §Êt lµ th«ng sè quan träng nhÊt trong viÔn th¸m. §é ph¶n x¹ phæ ®−îc ®o theo c«ng thøc: ER(λ ) ρλ = *100 , víi ρλ lµ ®é ph¶n x¹ phæ (tÝnh b»ng %). EI (λ ) Nh− vËy, ®é ph¶n x¹ phæ lµ tØ lÖ phÇn tr¨m cña n¨ng l−îng r¬i xuèng ®èi t−îng vµ ®−îc ph¶n x¹ trë l¹i. Víi cïng mét ®èi t−îng, ®é ph¶n x¹ phæ kh¸c nhau ë c¸c b−íc sãng kh¸c nhau. 30
2.6. Phæ ph¶n x¹ cña mét sè ®èi t−îng tù nhiªn chÝnh §å thÞ phæ ph¶n x¹ ®−îc x©y dùng víi chøc n¨ng lµ mét hµm sè cña gi¸ trÞ phæ ph¶n x¹ vµ b−íc sãng, ®−îc gäi lµ ®−êng cong phæ ph¶n x¹. H×nh d¸ng cña ®−êng cong phæ ph¶n x¹ cho biÕt mét c¸ch t−¬ng ®èi râ rµng tÝnh chÊt phæ cña mét ®èi t−îng vµ h×nh d¹ng ®−êng cong phô thuéc rÊt nhiÒu vµo viÖc lùa chän c¸c d¶i sãng mµ ë ®ã thiÕt bÞ viÔn th¸m cã thÓ ghi nhËn ®−îc c¸c tÝn hiÖu phæ (h×nh 2.8). Ph¶n x¹ (%) 60 §Êt kh« 40 20 §Êt −ít N−íc Thùc vËt 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 B−íc sãng (λ) Hång ngo¹i gÇn Hång ngo¹i trung vµ xa H×nh 2.8: §Æc ®iÓm phæ ph¶n x¹ cña nhãm c¸c ®èi t−îng tù nhiªn chÝnh H×nh d¹ng cña ®−êng cong phæ ph¶n x¹ cßn phô thuéc rÊt nhiÒu vµo tÝnh chÊt cña c¸c ®èi t−îng. Trong thùc tÕ, c¸c gi¸ trÞ phæ cña c¸c ®èi t−îng kh¸c nhau, cña mét nhãm ®èi t−îng còng rÊt kh¸c nhau, song vÒ c¬ b¶n chóng dao ®éng xung quanh gÝa trÞ trung b×nh (h×nh 2.8). • Thùc vËt : Thùc vËt khoÎ m¹nh chøa nhiÒu diÖp lôc tè (Chlorophil), ph¶n x¹ rÊt m¹nh ¸nh s¸ng cã b−íc sãng tõ 0,45 - 0,67μm (t−¬ng øng víi d¶i sãng mµu lôc - Green) v× vËy ta nh×n thÊy chóng cã mµu xanh lôc. Khi diÖp lôc tè gi¶m ®i, thùc vËt chuyÓn sang cã kh¶ n¨ng ph¶n x¹ ¸nh s¸ng mµu ®á tréi h¬n. KÕt qu¶ lµ l¸ c©y cã mµu vµng (do tæ hîp mµu Green vµ Red) hoÆc mµu ®á h¼n (rõng ë khÝ hËu l¹nh, hiÖn t−îng nµy kh¸ phæ biÕn khi mïa ®«ng ®Õn), ë vïng hång ngo¹i ph¶n x¹ (tõ 0,7 -1,3 μm) thùc vËt cã kh¶ n¨ng ph¶n x¹ rÊt m¹nh, khi sang vïng hång ngo¹i nhiÖt vµ vi sãng (Microwave) mét sè ®iÓm cùc trÞ ë vïng sãng dµi lµm t¨ng kh¶ n¨ng hÊp thô ¸nh s¸ng cña h¬i n−íc trong l¸, kh¶ n¨ng ph¶n x¹ cña chóng gi¶m ®i râ rÖt vµ ng−îc l¹i, kh¶ n¨ng hÊp thô ¸nh s¸ng l¹i t¨ng lªn. §Æc biÖt ®èi víi rõng cã nhiÒu tÇng l¸, kh¶ n¨ng ®ã cµng t¨ng lªn (vÝ dô rõng rËm nhiÖt ®íi). • N−íc : n−íc trong chØ ph¶n x¹ m¹nh ë vïng sãng cña tia xanh l¬ (Blue) vµ yÕu dÇn khi sang vïng tia xanh lôc (Green), triÖt tiªu ë cuèi d¶i sãng ®á (Red). Khi n−íc bÞ ®ôc, kh¶ n¨ng ph¶n x¹ t¨ng lªn do ¶nh h−ëng sù t¸n x¹ cña c¸c vËt chÊt l¬ 31
löng. Sù thay ®æi vÒ tÝnh chÊt cña n−íc (®é ®ôc, ®é mÆn, ®é s©u, hµm l−îng Clorophyl,...) ®Òu ¶nh h−ëng ®Õn tÝnh chÊt phæ cña chóng. NghÜa lµ khi tÝnh chÊt n−íc thay ®æi, h×nh d¹ng ®−êng cong vµ gi¸ trÞ phæ ph¶n x¹ sÏ bÞ thay ®æi. • §Êt kh«: ®−êng cong phæ ph¶n x¹ cña ®Êt kh« t−¬ng ®èi ®¬n gi¶n, Ýt cã nh÷ng cùc ®¹i vµ cùc tiÓu mét c¸ch râ rµng, lý do chÝnh lµ c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn tÝnh chÊt phæ cña ®Êt kh¸ phøc t¹p vµ kh«ng râ rµng nh− ë thùc vËt. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn ®−êng cong phæ ph¶n x¹ cña ®Êt lµ: l−îng Èm, cÊu tróc cña ®Êt (tØ lÖ c¸t, bét vµ sÐt ), ®é nh¸m bÒ mÆt, sù cã mÆt cña c¸c lo¹i oxyt kim lo¹i, hµm l−îng vËt chÊt h÷u c¬,... c¸c yÕu tè ®ã lµm cho ®−êng cong phæ ph¶n x¹ biÕn ®éng rÊt nhiÒu quanh ®−êng cong cã gi¸ trÞ trung b×nh. Tuy nhiªn quy luËt chung lµ gi¸ trÞ phæ ph¶n x¹ cña ®Êt t¨ng dÇn vÒ phÝa sãng cã b−íc sãng dµi. C¸c cùc trÞ hÊp thô phæ do h¬i n−íc còng diÔn ra ë vïng 1,4; 1,9; vµ 2,7 μm. • §¸: ®¸ cÊu t¹o khèi, kh« cã d¹ng ®−êng cong phæ ph¶n x¹ t−¬ng tù nh− cña ®Êt song gi¸ trÞ tuyÖt ®èi th−êng cao h¬n. Tuy nhiªn, còng nh− ®èi víi ®Êt, sù biÕn ®éng cña gi¸ trÞ phæ ph¶n x¹ phô thuéc vµo nhiÒu yÕu tè cña ®¸: møc ®é chøa n−íc, cÊu tróc, cÊu t¹o, thµnh phÇn kho¸ng vËt, t×nh tr¹ng bÒ mÆt,... Tãm l¹i - Phæ ph¶n x¹ lµ th«ng tin quan träng nhÊt mµ viÔn th¸m thu ®−îc vÒ c¸c ®èi t−îng. Dùa vµo ®Æc ®iÓm phæ ph¶n x¹ (c−êng ®é, d¹ng ®−êng cong ë c¸c d¶i sãng kh¸c nhau) cã thÓ ph©n tÝch, so s¸nh vµ nhËn diÖn c¸c ®èi t−îng trªn bÒ mÆt. Th«ng tin vÒ phæ ph¶n x¹ lµ th«ng tin ®Çu tiªn, lµ tiÒn ®Ò cho c¸c ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch xö ¶nh trong viÔn th¸m, ®Æc biÖt lµ xö lý sè. - C¸c ®èi t−îng kh¸c nhau trong cïng mét nhãm ®èi t−îng sÏ cã d¹ng ®−êng cong phæ ph¶n x¹ chung, t−¬ng ®èi gièng nhau, song sÏ kh¸c nhau vÒ c¸c chi tiÕt nhá trªn ®−êng cong, hoÆc kh¸c nhau vÒ ®é lín gi¸ trÞ c−êng ®é ph¶n x¹. Khi tÝnh chÊt cña ®èi t−îng bÞ thay ®æi th× ®−êng cong phæ ph¶n x¹ còng sÏ bÞ biÕn ®æi. 32