фициент излучения, тогда получаем

8= 1 -р.

Это выражение - закон излучения Кирхгофа. Следует отметить, что это соотношение может быть применено только для части спектра, где рассматриваемые материалы непрозрачны, что часто имеет место в тепловой области спектра. В области более коротких волн, где преобладает солнечная энергия, мы должны, однако, учитывать пропускание излучения через естественные материалы, поскольку вода на более коротких волнах частично прозрачна.

Если об исследуемом объекте известно достаточно много, можно излучение в диапазоне Х=7-15 мкм интерпретировать в терминах температуры; однако необходимо учитывать коэффициенты излучения, отличные от единицы, а также тот факт, что при исследовании поверхности объекта можно иметь либо не иметь изменений, показывающих среднюю объемную температуру объекта. Например, в день с низкой влажностью воздуха температура поверхности воды может быть значительно ниже температуры основной массы воды или контактной температуры вследствие охлаждения при испарении на поверхности, однако наблюдаемая температура излучения воды будет такой же, как температура на поверхности.

Объекты, отличающиеся от идеального абсолютно черного тела, могут быть описаны различными методами. Например, серое тело имеет кривую спектрального радиационного выхода энергии такой же функциональной формы, что и кривая идеального излучателя - абсолютно черного тела, но она ниже на постоянный множитель, чем идеальная кривая для всех длин волн. Говорят, что серое тело имеет коэффициент излучения меньше 1, но больше нуля, и когда эта постоянная дробь приводится к соответствующему математическому отношению, применимы все законы излучения. Иногда объект имеет кривую спектрального радиационного выхода энергии не той функциональной формы, что требует закон Планка; в этом случае это тело не является ни серым, ни черным, и удобно связать выход спектрального излучения на каждой длине волны с абсолютно черным телом, температура излучения которого совпадает с контактной температурой исследуемого объекта. Если соотнести излучение на каждой длине волны с излучением идеального излучателя, тогда можно исследуемому объекту приписать значение коэффициента излучения для каждой длины волны так, что излучательная способность в этом случае является функцией длины волны. Это позволит нам обобщить тепловые характеристики материалов следующим образом:

А-бсолютно черное тело......е=1

Серое тело........0<е<1

Идеальный отражатель..... е=0

Все прочие........ -fC)

Фон: 7=23°С = 29бК

Излучение фона

Датчик

Отраженное излучение фона

Излуче-ние,испу-скаемое , объектом

Объект:

Г=25°С=298К е = ОД

Я = 1-0,8 = 0,2

фона

изл « 7"обьекта = 0,24

Рис. 11.6. Влияние фона в тепловом дистанционном зондировании, (Заметим, что излучение объекта по существу меньше излучения фона.)

Иначе мы можем объяснить разницу в спектральном радиационном выходе энергии идеально черного тела и естественного объекта, предполагая, что объект обладает коэффициентом излучения! равным 1, но что его температура - функция длины волны. Таким образом, для каждой длины волны спектральный радиационный выход энергии действительного объекта сравнивается со спектральным радиационным выходом энергии, который имело абсолютно черное тело при той же температуре. Поскольку предполагается, что коэффициент излучения природного материала равен 1, тогда для каждой длины волны естественному объекту можно приписать эквивалентную температуру излучения. Если бы сам объект был идеальным абсолютно черным телом, он бы имел постоянную температуру как функцию длины волны, точно равную температуре соответствующего абсолютно черного тела. Если бы объект был серым телом, он бы имел постоянную эффективную температуру излучения как функцию длины волны, но эта температура была бы на некоторый множитель меньше, чем соответствующая температура эталонного абсолютно черного тела. Если объект не был ни абсолютно черным, ни серым телом, тогда температура излучения объекта была бы функцией длины волны и все температуры - равными или меньшими, чем температура эталонного абсолютно черного тела.

Если измерять эффективную температуру излучения объекта, то возникает интересная задача, особенно если объект - не идеальное абсолютно черное тело и имеет контактную температуру, приблизительно равную температуре окружающей среды. Рассмотрим случай, приведенный на рис. П.6. Предположим, что объект при температуре 25 °С - серое тело с коэффициентом излучения 0,8. Далее предположим, что оно не пропускает никакого излучения, отвечая поэтому закону излучения Кирхгофа; е=1-р. Излучение фона от окружающих объектов отражается от объекта, имеющего коэффициент отражения Р= l-s= 1-0,8 = 0,2, в направлении датчика; но датчик не может уловить разницу между излучением, испускаемым объектом, и излучением фона, отраженным этим объектом. Поскольку

излучение объекта и фона идет от объектов с близкими аб солютными температурами излучения, невозможно верно определить тепловые характеристики объекта. Однако если бы температура объекта была значительно выше температуры окружающей среды, например 100 °С, то по закону Стефана - Больцмана радиационный выход энергии объекта был бы больше, чем излучение фона, так как радиационный выход энергии изменяется как четвертая степень температуры. В этом случае датчик мог бы с достаточной степенью вероятности различить радиационный выход энергии объекта и фона. Иначе, если выполнять измерения объекта при температуре 25 °С и гарантировать, что радиационный выход энергии идет от источников, имеющих температуру излучения значительно ниже, чем температура объекта, то датчик мог бы уловить различие между радиационным выходом энергии фона и объекта.

Эти фоновые эффекты необходимо тщательно рассматривать при калибровке приборов, измеряющих излучение в дальней инфракрасной области спектра. Также они должны быть учтены при измерениях в полевых условиях естественных объектов. Например, при большой облачности обычно невозможно проводить измерения теплового излучения естественной сцены, такой, как кукурузное поле; датчик будет улавливать излучение от облаков. Обычно приходится ждать относительно ясной погоды, так как эффективная температура излучения ясного неба значительно ниже температуры земной поверхности. Эти вопросы вместе с вопросами калибровки будут рассмотрены далее в этой главе.

Электромагнитный спектр

Как вы помните из гл. I (см. рис. 1.6), под электромагнитной энергией понимается энергия в диапазоне Я=10~° (космические лучи) - 10° мкм (радиоволны). В дистанционном зондировании нас больше всего интересуют длины волн оптического диапазона 0,30-15 мкм. Электромагнитная энергия на этих длинах волн может отражаться и преломляться твердыми телами - зеркалами, линзами, которые можно изготовить с жесткими допусками.

На рис. II.7 приведена оптическая часть спектра. Область Я=0,38-3,0 мкм обычно называется отражательной частью спектра. Энергия, улавливаемая на этих длинах волн, - это главным образом излучение Солнца и отраженное от земных объектов излучение.

Далее отражательная часть спектра делится на видимый и отражательный инфракрасный диапазоны длин волн. Поскольку человеческий глаз чувствителен к излучению в диапазоне длин волн приблизительно 0,38-0,72 мкм, эти длины волн называют видимыми. Область 0,72-3,0 мкм называется отражательной инфракрасной частью спектра, которая в свою очередь подразделяется на ближнюю (0,72-1,3 мкм) и среднюю (1,3-