CHƯƠNG 2 CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VIỄN THÁM
2.3. Tương tác năng lượng trong khí quyển
Những ảnh hưởng của khí quyển tới ánh sáng khi truyền qua nó là tán xạ, truyền qua và hấp thụ ánh sáng của khí quyển (hình 2.4). Những ảnh hưởng này có ngun nhân là sự tương tác cơ học của các thành phần khí quyển đối với ánh sáng. Với bất kỳ một nguồn sáng nào, toàn bộ bức xạ cảm nhận được bằng các thiết bị viễn thám đều phải truyền qua một khoảng cách nào đó trong khí quyển, khoảng cách đó được gọi là khoảng cách đường truyền (Path Length). Khoảng cách đường truyền có thể rất khác nhau, ví dụ các ảnh vũ trụ nhận được các tín hiệu phản xạ từ ánh sáng mặt trời, nghĩa là ánh sáng mặt trời phải đi qua bầu khí quyển hai lần trong đường hành trình của nó tới thiết bi thu nhận.
Hình 2.4. Ánh sáng mặt trời chiếu xuống trái đất chịu tác động của khí quyển: hấp thu, tán xạ và truyền qua
Trong khi đó, đối với chụp ảnh máy bay thì khoảng cách đường truyền rất ngắn. Ảnh hưởng của khí quyển rất khác nhau đối với các khoảng cách đường truyền khác nhau, ảnh hưởng đó liên quan đến các tính chất của ánh sáng như: bước sóng, cường độ. Tất nhiên đặc điểm của khí quyển lúc thu nhận tín hiệu viễn thám là yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến tín hiệu nhận được.
2.3.1. Sự tán xạ (Scattering)
Sự tán xạ của khí quyển là sự lan truyền ánh sáng một cách không định hướng gây ra bởi các phần tử nhỏ bé trong khí quyển.
Sự tán xạ Rayleigh là sự tương tác các bức xạ bởi các phần tử hoặc các hạt nhỏ bé khác trong khí quyển, khi đường kính của chúng nhỏ hơn bước sóng của tia bức xạ. Ảnh hưởng của tán xạ Rayleigh là tỉ lệ nghịch với mũ bậc 4 của bước sóng. Do đó khi bước sóng ngắn thì sự tán xạ mạnh hơn so với tán xạ của tia sáng có bước sóng dài.
Bầu trời có màu xanh Blue chính là một biểu hiện rõ ràng nhất của hiện lượng tán xạ Rayleigh, nếu không có hiện tượng tán xạ, bầu trời sẽ có màu đen. Trong trường hợp này sự tán xạ của các tia màu xanh lơ (blue) là nổi hơn cả so với các tia sáng khác trong dải nhìn thấy. Vào lúc buổi sáng sớm hoặc lúc mặt trời lặn các tia mặt trời phải truyền qua một khoảng cách đường truyền lớn hơn so với buổi trưa, khi đó sự tán xạ và hấp thụ của các sóng ngắn là hồn tồn chấm dứt và chúng ta chỉ nhìn thấy một phần nhỏ các tia được tán xạ ở bước sóng dài hơn đó là các tia màu đỏ (red) và da cam (magenta).
Hiện tượng tán xạ cũng là nguyên nhân đầu tiên gây nên hiện tượng sương mù trên ảnh vệ tinh. Tất nhiên hiện tượng sương mù sẽ làm giảm độ nét hay độ tương phản của hình ảnh. Đối với ảnh màu, đó là hiện tượng xuất hiện nhiều màu xanh lơ trải đều trên toàn ảnh. Để khác phục hiện tượng này, một tấm lọc thường được đặt trước ống kính để tránh cho những tia sáng có bước sóng ngắn truyền vào phim, tấm lọc đó gọi là lọc sương mù. Ngối ra, có thể có nhiều loại lọc khác như lọc tia xanh lơ (lọc Blue), lọc tia cực tím (lọc UV)
Ngồi hiện tượng tán xạ Rayleigh cịn có hiện tượng tán xạ Mie khi mà các hạt nhỏ trong khơng khí có đường kính bằng bước sóng của tia sáng. Hơi nước và khói (chúng có đường kính từ 5- lOOµm) là ngun nhân của hiện tượng tán xạ Mie. Hiện tượng tán xạ
Tỉa sáng mặt trời
này ảnh hưởng đến các tia sáng có bước sóng dài so với các tia có bước sóng ngắn ở tán xạ Rayleigh. Tuy nhiên, trong tự nhiên thì hiện tượng tán xạ Rayleigh là phổ biến hơn cả. Trong trường hợp ở vùng nhìn thấy, khi các tia màu lơ, lam và đỏ dược tán xạ, đều nhau do sương mù và mây thì thường xuất hiện màu trắng do ảnh hưởng của tán xạ Mie.
Hình 2.5. Các cửa sổ khí quyển và tác động của khí quyển tới ánh sáng mặt trời
2.3.2. Sư hấp thu (Absorption)
Ngược lại với hiện tượng tán xạ, sự hấp thụ bởi khí quyển là nguyên nhân dẫn đến sự giảm năng lượng của ánh sáng. Khi truyền qua khí quyển, hiện tượng hấp thụ năng lượng xảy ra khác nhau đối với một bước sóng nhất định. Hiên tượng hấp thụ năng lượng mặt trời của khí quyển là hơi nước, khí cacbonic và khí ozon. Trong dải phổ, vùng dải sóng mà ở đó năng lượng hấp thụ ít nhất và được truyền qua nhiều nhất thì gọi là các cửa sổ khí quyển (atmolsphcric windows).
2.3.3. Sự truyền qua (Transmition)
Ngoài phần bị hấp thụ hoặc tán xạ, năng lượng ánh sáng mặt trời có thổ được truyền qua khí quyển để đến Trái Đất. Cửa sổ khí quyển là vùng mà năng lượng ánh sáng có thể truyền qua và đến các đối tượng trên mặt đất, nhờ đó các máy cảm biến có thể ghi nhận được năng lượng ánh sáng.