C HỮ VIẾT TẮT TRONG GIÁO TRèNH
3.1.1Ảnh viễn thỏm vệ tinh và khỏi niệm phõn tớch ảnh
(đo bằng m) và nhiệt độ tuyệt đối T (đo bằng 0K); c là tốc độ ỏnh sỏng (đo bằng m/s), h=6,62.10-23 J* s là hằng số Planck, k=1,38.10-23 J/độ là hằng số Boltzmann, c1=2c2h=1,19. 10-16 W/(m2. ster . cm-4), c2=hc/k=1,439.10-2 K . cm.
Nếu thay bước súng ở bằng số súng ớ ta sẽ cú cụng thức Planck dưới dạng sau:
( , ) 1 3( 1) 12 2 − − = T c e c T B ν ν ν (2.12) Trong đú B(ớ,T) đo bằng W/(m2*ster*cm-1), ớ đo bằng cm-1.
Nhiệt độ T trong cụng thức Planck được gọi là nhiệt độ chúi (brightness temperature) do nú cú lịch sử gắn với thiờn văn học vụ tuyến, song nú cũng được gọi là nhiệt độ chúi bức xạ (radiance temperature) hay nhiệt độ vật đen tuyệt đối tương đương, hoặc nhiệt độ vật đen. Nhiệt độ chúi của một đối tượng quan trắc là nhiệt độ
của vật đen phỏt ra cựng một năng lượng bức xạ như đối tượng quan trắc. Nhiệt độ
chúi cú thể nhận được bằng cỏch nghịch đảo cụng thức Planck như sau:
1 3 1 2 ln( 1) − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + = ν ν ν B c c T (2.13a)
Một số tỏc giả cũn gọi T là nhiệt độ hữu hiệu ("effective" temperature), ớ là số
súng trung tõm của kờnh (số súng ở điểm giữa của kờnh viễn thỏm). Đối với một kờnh
đó cho nú cú thể thay đổi khụng đỏng kể trong phạm vi thiết bị dũ súng, nhưng nú thay
đổi khi thiết bị thay đổi. Trong thực hành người ta sử dụng số liệu quan trắc trờn 2 bước súng hồng ngoại để tớnh nhiệt độ chúi bằng cỏch tớch phõn Bở(T) từở1 đến ở 2, sau mới tớnh T [10].
Để chuyển đổi từ nhiệt độ chúi về nhiệt độ thực Tac (0K) của đối tượng quan trắc, người ta sử dụng cụng thức sau:
Tac = βT + α (2.13b)
Trong đú cỏc hằng số ớ,α và β phụ thuộc vào kờnh (chanel), thiết bị dũ súng (detector), và vệ tinh cụ thể (như GOES-8, GOES-9,...); chỳng thường được cho trước dưới dạng bảng cỏc hằng số.
2.4.3 Khả năng phỏt xạ của mõy
Hỡnh 2.12 Khả năng phỏt xạ của mõy [16]
Quay trở lại thớ dụ giữa cỏc kờnh 10,7μm đến 3,9μm chỳng ta cú thể quan sỏt
được nhiệt độ chúi khỏc nhau ở trong một đỏm mõy khi đi từ kờnh này sang kờnh khỏc, nhờ đú người ta cú thể nhỡn sõu vào trong mõy. Chỉ cú một đũi hỏi là mõy phải cú gradient nhiệt độ thẳng đứng nào đú nhưở hỡnh vẽ 2.12. Bức xạ phỏt ra từ trong mõy phải bắt nguồn từ nhiệt độ khỏc nhau.
Những ỏp dụng thực tếđược rỳt ra từ việc so sỏnh cỏc kờnh vệ tinh mà cỏc đối tượng của chỳng cú sự khỏc nhau về khả năng phỏt xạ. Hỡnh 2.13 là ảnh mõy lấy từ
thiết bị đo bức xạ tiờn tiến độ phõn giải rất cao (AVHRR) trong trường hợp cú lũ quột
ở Đụng nam Texas. Ảnh trờn phớa trỏi là kờnh 3,9 μm (kờnh3), cũn ảnh trờn bờn phải là kờnh 10,7μm (kờnh 4). Cả hai đều cú đỉnh cầu vồng được tăng cường màu cho những mõy cú nhiệt độ nhỏ hơn - 20 0 C. Màu đen sang mõy màu trắng bờn trong khu vực tụ màu ở kờnh 4 chỉ ra nhiệt độđỉnh mõy nhỏ hơn -70 0C sẽ cho ta biết vị trớ của mõy dụng hầu như dầy đặc.
Ta nhận thấy về trung bỡnh trờn cỏc đỉnh của mõy dụng kờnh 3 ấm hơn nhiều. Khi hiệu giữa kờnh 3 và 4 được lấy ra ta cú ảnh 3 ở phớa dưới hỡnh đú. Những khu vực màu đỏ chỉ cho ta ở đõu kờnh 3 ấm hơn như cỏc đỉnh mõy dụng. Chỳng ta cú thể thấy
được bức xạ từ phớa dưới phỏt triển lờn trờn ở phần mõy cú nhiệt độấm hơn. Song đụi khi gradient thẳng đứng cũng cho ta biết cú một lớp nghịch nhiệt (đỉnh thỡ ấm, đỏy thỡ lạnh). Trong những trường hợp như thế bức ảnh hiệu 2 kờnh lại cho ta màu xanh da trời (blue). Mõy thấp ở phớa tõy của mõy dụng là một thớ dụ loại này.
Hỡnh 2.13 So sỏnh khả năng phỏt xạ trờn cỏc kờnh khỏc nhau [16]
Trong hầu hết cỏc trường hợp, sương mự và mõy St (stratus) xảy ra ở cỏc lớp nghịch nhiệt và dạng hiệu cỏc kờnh này là rất hữu ớch trong việc phõn biệt cỏc khu vực
đú. Cần nhớ rằng khả năng phỏt xạ của mõy khụng chỉ thay đổi với bước súng mà cả
với thành phần của mõy.
2.5 Cõn bằng bức xạ vào - ra trong hệ thống khớ quyển và trỏi đất
Bức xạ mặt trời đi tới (thị phổ là chủ yếu) sẽđiều khiển khớ quyển trỏi đất (phỏt xạ hồng ngoại). Sự cõn bằng/cỏn cõn năng lượng thị phổ đi tới và năng lượng hồng ngoại đi ra được thể hiện trong chu trỡnh lớn. Trờn chu trỡnh hàng năm năng lượng bức xạ tới qua bề mặt trỏi đất (khoảng 50 %) cõn bằng với năng lượng nhiệt hồng ngoại phỏt ra qua khớ quyển như mụ tả trờn hỡnh 2.14 dưới đõy:
Hỡnh 2.14 Cõn bằng bức xạ thị phổ và hồng ngoại (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
( UV: cực tớm, VIS: thị phổ, Near IR: cận hồng ngoại, IR: hồng ngoại, Far IR: viễn hồng ngoại, Microwave: vi súng)
Hỡnh 2.15 Phõn bố cõn bằng bức xạ tới và bức xạđi ra
Khớ quyển truyền, hấp thụ (bởi H2O, bụi và O3), phản xạ (bởi mõy), và tỏn xạ
(bởi xon khớ) năng lượng thị phổ tới; bề mặt trỏi đất hấp thụ và phản xạ năng lượng thị phổ đó truyền tới. Khớ quyển lại truyền cú lựa chọn hoặc hấp thụ (bởi H2O, CO2, O3) bức xạ hồng ngoại đi ra.
Chớnh nhờ sự cõn bằng năng lượng bức xạ đi tới và đi ra trong hệ thống khớ quyển-trỏi đất mà trỏi đất của chỳng ta khụng bị núng mói lờn. Sự cõn bằng đú được thể hiện chi tiết hơn theo cỏc thành phần bức xạ trờn số liệu trung bỡnh ở hỡnh vẽ 2.15.
2.6 Cơ sở toỏn - lý
Cơ sở toỏn lý quan trọng nhất cho việc tớnh toỏn quỹ đạo vệ tinh (như độ cao, lực nõng, chu kỳ vũng quay, tốc độ,...) là định luật vạn vật hấp dẫn của Newton và 3
định luật về chuyển động của Kepler [13].
2.6.1 Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton
Newton đó biểu diễn lực hấp dẫn giữa hai vật thể dưới dạng một phương trỡnh
đơn giản: 12 2 r m m G F = (2.14) Trong đú F là lực hấp dẫn, m1 là khối lượng của vật thể thứ nhất, m2 là khối lượng của vật thể thứ hai, r là khoảng cỏch giữa tõm của hai vật thể, G là hằng số vạn vật hấp dẫn.
Sử dụng phương trỡnh này và khối lượng của vệ tinh cụ thể, thớ dụ như vệ tinh
địa tĩnh, cỏc nhà khoa học cú thể tớnh được độ cao cần thiết của vệ tinh cần phúng sao cho khoỏ chặt nú vào một quỹđạo vĩnh cửu trờn chớnh địa điểm ấy của trỏi đất.
Trong một quỹ đạo trũn, lực hướng tõm cần thiết để giữ cho vệ tinh cú khối lượng m chuyển động với vận tốc quỹđạo v sẽ là:
r mv2
(2.15) Ta cõn bằng 2 lực này và giải bài toỏn cho chu kỳ thời gian T=
v r π 2 , ta được: 2 1 2 3 4 ) ( e Gm r T = π (2.16)
Trong đú T là chu kỳ thời gian, v là tốc độ, me là khối lượng trỏi đất. Với số liệu trung bỡnh, vệ tinh quỹ đạo cực cú độ cao 850 km, ta cú r=6378+850=7228 km, cũn G=6,67259 x 10-11 N.m2.kg-2 , me=5,9737 x 1024 kg, ta sẽ cú chu kỳ quay T=102 phỳt, tốc độ gúc v= 7,29115X10-5 rad sec-1.
Đối với vệ tinh địa tĩnh, ta biết được tốc độ gúc của nú phải bằng gúc quay của trỏi đất là 2π/T nờn bỏn kớnh quỹ đạo sẽ là 42.164 km , hay cú độ cao trờn bề mặt trỏi
đất là 35.786 km.
Mọi tớnh toỏn trong thớ dụ trờn đõy chỉ là ước lượng gần đỳng, cũn trong thực tế
những tớnh toỏn quỹđạo vệ tinh phức tạp hơn nhiều, vỡ trỏi đất khụng phải là một khối cầu trũn trịa, mà là một khối cầu dẹt.
2.6.2 Định luật chuyển động Kepler
luật chuyển động của Kepler. Vỡ vậy để hiểu được cỏc quan trắc của vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh quỹ đạo cực, chỳng ta cần tỡm hiểu cỏc định luật này. Vật lý học về vật thể bất kỳ trờn quỹ đạo xoay quanh một vật thể khổng lồ được giải thớch tốt nhất bằng cỏc
định luật chuyển động của Kepler (hay cũn gọi là 3 định luật chuyển động của Kepler) như sau:
1) Đường đi của vật thể phải là một hỡnh ờ-lip với một tiờu cự là vật thể khổng lồ (hỡnh 2.16, a).
2) Đường thẳng nối vật thể ở tõm và vật thểở quỹđạo sẽ quột những diện tớch như nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau (hỡnh 2.16, b).
Cỏc vệ tinh di chuyển trờn quỹđạo khụng phải với một tốc độ khụng đổi mà lỳc nhanh, lỳc chậm. Thời gian di chuyển từ A đến B cũng bằng thời gian di chuyển từ C (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
đến D và diện tớch 2 hỡnh quạt này bằng nhau.
3) Bỡnh phương năm của hành tinh luụn luụn bằng bội số tam thừa nào đú của khoảng cỏch từ hành tinh đú đến mặt trời.
Cỏc quan hệ này đỳng với bất kỳ quỹ đạo hành tinh nào: một hành tinh quay quanh một ngụi sao, mặt trăng quay quanh một hành tinh hay vệ tinh nhõn tạo quay quanh trỏi đất. Chỳng cũn được kết hợp với định luật của Newton để tớnh toỏn cỏc
điểm giao, cỏc điểm cận địa (Perigee), viễn địa (Apogee),...
Hỡnh 2.16 ấ-lip 2 tiờu điểm (a) và 2 hỡnh quạt diện tớch bằng nhau (b) [22(1)]
2.7 Nguyờn tắc quan trắc vệ tinh từ khụng gian
2.7.1 Đo thụđộng và đo chủđộng
Trong KTTV cỏc thiết bị đo và cảm biến cỏc đặc trưng của đối tượng đo đạc
đựơc chia ra làm 2 loại: trực tiếp và giỏn tiếp, phụ thuộc vào phương tiện và đối tượng
đo đạc. Loại đo trực tiếp cú thể mọi người đều đó thấy tận mắt ở cỏc trạm khớ tượng khi người quan trắc viờn tiếp sỳc trực tiếp với thiết bị và đối tượng đo. Đo đạc giỏn tiếp là khi người đo khụng trực tiếp tiếp sỳc với thiết bị đo cũng như đối tượng đo. Những đo đạc giỏn tiếp cỏc đối tượng trong khụng gian được gọi là đo từ xa hay viễn thỏm. Viễn thỏm được định nghĩa là khoa học và cụng nghệ mà nhờ đú cỏc đặc tớnh của đối tượng cần biết cú thể được xỏc định, đo đạc hoặc phõn tớch được mà khụng phải tiếp sỳc trực tiếp với đối tượng đú.
Đo từ xa lại được chia ra làm 2 dạng: đo tớch cực (chủ động) và đo thụ động. Với cỏch đo xa tớch cực thiết bị đo phỏt ra cỏc súng điện từ tới đối tượng đo, gặp đối tượng đo nú phản xạ trở lại thiết bị cảm biến (như ra-đa thời tiết) , cũn cỏc thiết bị đo xa thụ động thỡ quan trắc (nhận) súng điện từ từ chớnh cỏc đối tượng (mà ta định đo) truyền tới nhờ quỏ trỡnh phỏt xạ và phản xạ. Quan trắc vệ tinh từ khụng gian vũ trụ
chủ yếu là loại đo xa thụđộng. Trong những năm gần đõy người ta đó đưa cả ra-đa lờn vệ tinh để thực hiện đo xa tớch cực (như vệ tinh QuickSCAT, RADASAT).
Thiết bị được vệ tinh mang theo nhằm nhận biết bức xạ điện từ phản xạ hoặc phỏt xạ từđối tượng đo được gọi là thiết bị cảm biến từ xa, hay gọi tắt là cảm biến kế
hay bộ cảm biến kế (nếu cú nhiều cảm biến kế trong một tổ mỏy).
Cỏc số liệu đo xa được truyền về cỏc trung tõm mỏy tớnh để xử lý và cung cấp cho người dựng.
2.7.2 Cỏc dải phổ điện từ trong viễn thỏm
Bức xạ điện từ dựng trong cỏc mục đớch khỏc nhau cú thểđược phõn loại khỏc nhau. Song để thuận tiện cho việc tham khảo và so sỏnh trong phõn tớch, ta dẫn ra bảng 2.8 dưới đõy về phõn loại bức xạđiện từ chủ yếu dựng trong viễn thỏm.
Phổđiện từđược xỏc định như là một dải liờn tục của tất cả cỏc loại bức xạđiện từ mà trong đú mỗi loại bức xạ được xếp tương ứng với bước súng của nú. Bức xạ điện từ phủ một dải rộng cỏc bước súng nhưng cỏc bước súng quan trọng đầu tiờn cho việc đo xa từ vũ trụ là dải súng từ cực tớm (UV) với bước súng từ 0,3 đến 0,4μm, đến cỏc bước súng vi súng khoảng (1mm - 1m).
Vựng phổ này được chia ra 2 phần thuận tiện là súng ngắn và súng dài, tương
ứng với bức xạ do mặt trời phản chiếu và phỏt xạ nhiệt từ trỏi đất và từ khớ quyển của nú. Đú là vỡ năng lượng mặt trời tập trung vào cỏc bước súng ngắn với đỉnh ở khoảng 0,5μm, cũn năng lượng bức xạ hồng ngoại nhiệt của khớ quyển trỏi đất cực đại ở bước súng dài, khoảng 10μm.
Vựng súng ngắn tương ứng với phần phổ cực tớm, thị phổ và cận hồng ngoại. Hầu hết năng lượng ở vựng súng dài rơi vào phổ hồng ngoại giữa 5μm và 50 μm .
Tại những bước súng cực ngắn năng lượng cú thể thấp hơn nhiều nhưng thụng tin hữu ớch lại cú thể thu được bằng cỏc cảm biến kế thớch hợp.
Đối với cỏc cảm biến kế viễn thỏm quan trọng nhất là 3 dải súng chủ yếu sau
đõy:
1) Dải thị phổ (VIS) ở 0,4 - 0,7ỡm trong dải phổđiện từ là phần mà mắt người thụ cảm (thấy) được; chi tiết hơn là mắt người thụ cảm được màu xanh nước biển (blue) ở dải hẹp 0,4- 0,5ỡm, màu xanh lỏ cõy ở 0,5 - 0,6ỡm, màu đỏ (red) ở 0,6 - 0,73ỡm.
2) Dải hồng ngoại (IR) ở 0,72 - 15ỡm được chia ra thành 3 vựng lụ-gic là: a) Cận hồng ngoại (NIR) ở 0,7 - 1,3ỡm và hồng ngoại súng ngắn ở 1,3 - 3ỡm, đụi khi cũn
được gọi là hồng ngoại phản chiếu, vỡ dải này chịu ảnh hưởng bởi phản xạ mặt trời nhiều hơn là phỏt xạ từ bề mặt trỏi đất.
Bức xạ phản chiếu này cú thểđược phim ảnh thụ cảm (ghi hỡnh được); b) Trung Hồng ngoại là bức xạ phản chiếu cú thểđược nhận biết bằng cảm biến kế quang điện;
c) Hồng ngoại nhiệt và viễn hồng ngoại là bức xạ phỏt xạ chỉ cú thể nhận biết được bằng cảm biến kế quang điện. 3) Dải vi súng cú bước súng từ 1mm đến 1m, được nhận biết bằng cỏc cảm biến kế ra-đa. Bảng 2.8 Phõn loại cỏc dải bức xạđiện từ Dải súng (lớp) Bước súng Tần số Cực tớm 100 A ~ 0,4ỡm 750~3000THz Thị phổ 0,4 ~ 0,7ỡm 430~750 THz Cận hồng ngoại 0,7 ~ 1,3ỡm 230~430 THz Hồng ngoại súng ngắn 1,3 ~ 3ỡm 100~230 THz Trung hồng ngoại 3 ~ 8 ỡm 38~100 THz Hồng ngoại nhiệt 8 ~ 14 ỡm 22~38 THz Hồng ngoại Viễn hồng ngoại 14ỡm ~ 1mm 0.3~22 THz Dưới 1mm 0,1~1mm 3~0.3THz mm (EHF) 1~10mm 30~300GHz cm (SHF) 1~10cm 3~30GHz Vi súng dm (UHF) 0,1~1m 0.3~3GHz Súng cực ngắn (VHF) 1~10m 30~300MHz Súng ngắn (HF) 10m~100m 3~30MHz Súng trung (MF) 0,1~1km 0.3~3MHz Súng dài (LF) 1~10km 30~300KHz Súng vụ tuyến (radio wave) Súng rất dài (VLF) 10~100km 3~30KHz Hỡnh 2.17 Dải phổđiện từ [16]
Trong khớ tượng vệ tinh chỳng ta quan tõm đến năng lượng bức xạ với bước súng giữa 0,1 và 100 ỡm. Măt trời phỏt phần lớn năng lượng bức xạ với bước súng giữa 0,2 đến 4ỡm. Năng lượng mặt trời thường được xem là năng lượng bức xạ súng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
10-5 10-2 3 102 104 106 μm
Gamma Tia X Cực tím Vi sóng Radio Thị phổ
Hồng ngoại phản xạ Hồng ngoại nhiệt 0.4 0.5 0.6 0.7μm
Sóng ngắn Sóng dài
ngắn, bao gồm bức xạ tia cực tớm, thị phổ và cận hồng ngoại. Trỏi đất cũng phỏt bức xạ được gọi bức xạ trỏi đất hay bức xạ súng dài. Nú yếu hơn bức xạ mặt trời nờn nú
được đặc trưng bởi bước súng dài hơn, điển hỡnh là quanh bước súng 10ỡm. Hệ thống khớ hậu trỏi đất luụn luụn cố giữ cõn bằng giữa năng lượng mà trỏi đất nhận được từ
mặt trời và năng lượng mà nú phỏt xạ vào khụng gian.
Vi súng cú lợi thế rất lớn về khả năng thõm nhập vào trong mõy, mự, khúi mưa nhỏ và tuyết, vỡ thế mà cỏc thiết bị đo bức xạ vi súng khụng cần phải cú bầu trời quang mõy để ghi hỡnh. Thụng tin về cỏc chỏm băng ở cực và cỏc nỳi băng trụi là những thớ dụ chung về thụng tin cú ý nghĩa mà cỏc thiết bịđo bức xạ vi súng đặt trờn vệ tinh cực
đó cung cấp cho chỳng ta.
Tương ứng với 3 dải phổ (thị phổ, hồng ngoại và vi súng) ta cú 3 loại (dạng) viễn thỏm:
1) Viễn thỏm thị phổ và hồng ngoại phản chiếu, nguồn năng lượng bức xạở đõy là từ mặt trời;
2) Viễn thỏm hồng ngoại nhiệt với nguồn năng lượng bức xạ từ chớnh đối tượng thỏm sỏt, ta cú thể so sỏnh năng lượng phổ (bỏ qua hấp thụ) của hai đối tượng mặt trời (60000K) và trỏi đất (3000K) ;
3) Viễn thỏm vi súng. Riờng viễn thỏm vi súng lại cú 2 loại: viễn thỏm tớch cực