RADIATII ELECTROMAGNETICE SI ROLUL LOR IN TELEDETECTIE

Radiatii electromagnetice si rolul lor in teledetectie

Continut

• Notiunile de radiatii si spectru electromagnetic.
• Comportamentul radiatiilor in atmosfera si aplicatiile de teledetectie.

Obiective

• Intelegerea sensului unor notiuni (radiatii, spectru, fereastra atmosferica).
• Cunoasterea radiatiilor cu rol important in obtinerea de imagini.
• Cunoasterea limitarilor impuse de atmosfera in preluarea de imagini.

RADIATII ELECTROMAGNETICE

Radiatiile electromagnetice reprezinta o forma de manifestare a materiei, concretizata in emisii energetice, care pot fi detectate, masurate si chiar inregistrate, folosind diferite instrumente, in anumite conditii.

Radiatiile mai precis, o parte a acestora pot fi si generate cu ajutorul unor sisteme speciale, in laboratoare, in diferite scopuri.

Orice obiect din natura emite radiatii, indiferent de proprietatile lui fizice, chimice si biologice.

In natura, radiatiile se diferentiaza in functie de caracteristicile lor energetice, de lungimea lor de unda , frecventa si modul de propagare. Lungimea de unda (λ) este elementul cel mai important pentru teledetectie, aceasta fiind rezultatul raportului dintre viteza de propagare (c sau viteza luminii in vid) si frecventa (ν

λ= c/ ν

Comportamentul radiatiilor. Orice corp din natura emite radiatii in functie de proprietatile sale fizice sau chimice. Emisiile de radiatie ale corpurilor nu sunt identice, deoarece acestea sunt legate de individualitatea fiecarui corp.

Doua corpuri din natura (ex. un copac inverzit emite radiatie in infrarosu si o casa emite radiatie in vizibil, zonele verde si rosu) emit radiatii cu lungimi de unda diferite, fapt ce permite identificarea lor. Corpurile din natura pot fi identificate pe baza emisiilor de radiatii. Radiatiile electromagnetice au un comportament diferentiat, ce se defineste prin patru forme:

Transmisia sau propagarea radiatiilor este penetrarea unui mediu de catre radiatiile electro-magnetice (trecerea radiatiilor printr-un mediu oarecare), fara a suferi modificari substantiale (ex. trecerea radiatiei solare directe, din zona infrarosului termal prin atmosfera).

Reflexia se produce atunci cand radiatia se intoarce din mediul de unde a venit, sub un unghi egal, cu cel de incidenta, numit si unghi de reflexie (ex. radiatia vizibila la contactul cu un teren calcaros sau cu o constructie de culoare alba din zona mediteraneana).

Difuzia reprezinta risipirea radiatiilor la contactul cu un mediu (ex. lumina solara la trecerea prin norii compacti).

Absorbtia este datorata pierderii radiatiilor intr-un mediu (ex. radiatia solara ultravioleta absorbita de stratul de ozon).

Surse de radiatii in teledetectie sunt diversificate si au un rol diferit in obtinerea de imagini de teledetectie:

Soarele - este cea mai importanta sursa, mai ales pentru teledetectia pasiva,  cu senzor optic (ex. fotografierea aeriana). Soarele emite  radiatie luminoasa si calorica, datorita reactiilor de fuziune nucleara, prin care hidrogenul devine heliu.

Pamantul emite radiatiile Gamma la nivelul nucleului radioactiv, care nu au aplicatii in teledetectie. Obiectele de pe suprafata terestra, diferitele medii ca apa oceanelor, vegetatia, culturile agricole sau constructiile care se afla pe suprafata terestra intra in contact cu radiatia solara si emit diferite radiatii.

Radiatiile emise artificial, sunt: microundele, emise cu ajutorul radarului; lumina polarizata sau laserul, undele sonore (pentru ecosonda).

Spectrul radiatiilor electromagnetice

Este o reprezentare schematica, un model fizic, ce prezinta radiatiile electro-magnetice cunoscute si masurate, in functie de lungimea lor de unda si nivelul energetic specific (fig.5).

Fig. 5. Spectrul electromagnetic. Reprezentare schematica.

Spectrul prezinta o serie de zone, in care radiatia electromagnetica este delimitata pe baza lungimii de unda. Aplicatiile de teledetectie se limiteaza la producerea de imagini, imposibila in anumite zone spectrale.

• Radiatiile Gamma (γ), avand sub 0,1 nm, sunt emise de nucleul Pamantului si nu se folosesc in teledetectie.
• Radiatiile X, cu lungimi de unda cuprinse intre 0,1 nm si 1 nm, pot fi generate artificial, dar nu se folosesc in teledetectie, fiind importante in medicina.
• Radiatiile ultraviolete sau UV, sunt absorbite de in mare masura la nivelul stratului de ozon atmosferic  si nu se pot folosi in teledetectie. O exceptie o constituie radiatiile ultraviolete UV fotografic, cu lungimi de unda intre 300 si 400 nm, la limita cu spectrul vizibil. Ele se pot inregistra sub forma de imagini cu filme sau senzori speciali..

• Spectrul vizibil, cuprins intre intre 400 si 700 nm. In aceasta zona a spectrului se formeaza imaginile pe care le percepe omul. Este deosebit de important pentru teledetectie (obtinerea fotografiilor aeriene color normale sau a imaginilor multispectrale in culori naturale). Zona spectrului vizibil este divizata in trei interval :  albastru: 400-500 nm, verde 500-600 nm, rosu 600-700 nm.
• Infrarosul sau IR, intre 700 nm si 0,1 cm. Sunt foarte importante in teledetectie, desi nu sunt vizibile. Radiatiile permit obtinerea de imagini cu senzori optici (infrarosul reflectat) si termici (infrarosul termal cu doua zone, figura 6). O serie de componente de mediu, ca de pilda copacii inverziti sau argila reflecta radiatii luminoase infrarosii. Corpurile calde emit radiatii infrarosii sub forma radiatiilor calorice (ex. asfaltul drumurilor in timpul verii). Pot penetra formatiunile noroase.
• Microundele cu peste 0,1 cm, sunt folosite pentru aplicatiile radar de teledetectie activa si se propaga in bune conditii prin diverse medii. Imaginile rezultate au aplicatii largi in modelarea digital a reliefului.
• Undele radio, cu lungimi de unda de peste 100 cm, nu permit obtinerea de iamgini dar sunt folosite in transmiterea de la sateliti la sol a semnalelor ce vor fi convertite in imagini.

Dintre aceste interval, doar zonele cuprinse intre 300 nm si 100 cm sunt importante in teledetectie, dar, si acestea, numai partial, in conditiile problemelor de propagare prin atmosfera.

Propagarea radiatiilor in atmosfera.

Atmosfera este un mediu gazos eterogen, un amestec de gaze care contine si particule solide. Atmosfera terestra nu este traversata la fel de catre toate radiatiile electromagnetice. O mare parte din radiatii isi pierd proprietatile initiale, suferind diferite transformari, legate de refractie, reflexie, difuzie sau absorbtie.

In teledetectie, radiatia electromagnetica strabate atmosfera de doua ori, ca radiatie incidenta, de la Soare catre obiect si in calitate de radiatie reflectata, de la obiect catre senzorul de teledetectie de pe avion sau satelit.

Pentru a defini comportamentul atmosferic al radiatiilor, se folosesc doua notiuni.

Rata de transmisie atmosferica, reprezinta procentul in care radiatia cu o anumita lungime de unda penetreaza atmosfera terestra pe toata inaltimea acesteia (fig. 6).

Fereastra atmosferica (engl. atmospheric window) constituie un interval de lungime de unda caracteristic radiatiilor din spectrul electromagnetic, care poate trece prin atmosfera in anumite conditii. Aceasta se poate defini ca intervalul de lungimi de unda, in limitele caruia rata de transmitere atmosferica este aproape de 100%. Aceste notiuni sunt reprezentate grafic in figura 6.

Fig. 6. Comportamentul atmosferic al radiatiilor electromagnetice si aplicatii de teledetectie (dupa Sabins, 1997).

Din graficul prezentat mai sus, se observa o parte a spectrului radiatiilor cu cele mai numeroase aplicatii in teledetectia pasiva. Ferestrele atmosferice sunt evidente prin varfurile curbei ce semnifica rata de transmisie atmosferica, in timp ce pauzele sunt prezente in conditiile absorbtiei radiatiilor de catre unele componente ale atmosferei (ex. ozonul pentru ultraviolete sau unele radiatii calorice, vapori de apa pentru unele radiatii infrarosii etc.). Ratele cele mai mari de transmisie coresopund UV fotografic, dar mai ales radiatiilor vizibilului si partial pe intervale, infrarosului sau microundelor.

Aplicatiile teledetectiei utilizeaza astfel ferestrele atmosferice, deoarece radiatia electromagnetica tranziteaza de doua ori atmosfera si trebuie sa ajunga cat mai putin alterata la senzori, mai ales in cazul celor satelitari plasati pe orbite ce depasesc limita atmosferei, la 400 km la Ikonos, 700-900 km la Landsat (din diferite generatii) si chiar 36000 km la sateliti meteorologici geostationari.

Intrebari de autoevaluare

Explicati care sunt cele mai utile radiatii folosite in teledetectie.

Cum se comporta radiatiile la traversarea atmosferei terestre

Ce sunt ferestrele atmosferice si cum se folosesc in aplicatiile de teledetectie.

Tema de control (referat)

Clasificati pe baza informatiilor de pe site-urile internet, aplicatiile de teledetectie in functie de radiatiile folosite si scopul lor aplicativ.