CHƯƠNG 2 CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VIỄN THÁM
2.2. Tính chất hạt và sự truyền năng lượng của ánh sáng
Ngồi tính chất sóng thì ánh sáng cịn có tính chất hạt. Ánh sáng bao gồm rất nhiều phân tử nhỏ riêng biệt dược gọi là các photon hay lượng tử (quanta). Năng lượng của mỗi lượng tử được xác định theo công thức sau:
Do năng lượng ở vùng sóng dài thấp nên trong viễn thám, hệ thống thu nhận tín hiệu bức xạ điện từ với bước sóng dài thường phải có trường nhìn rộng nhằm thu được những tín hiệu bức xạ đó.
Mặt trời thường là nguồn năng lượng bức xạ điện từ điển hình trong viễn thám. Tất nhiên, tồn bộ các vật chất có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tuyệt đối (K hay - 273° C) đều thường xuycn plìál xạ bức xạ điện từ. Như vậy các đôi tượng trên trái đất đều là những nguồn bức xạ tự nhiên, mặc dù chúng dường như có những sự khác biệt về biên độ và thành phần phổ so với mặt trời.
Có thê tính tốn năng lượng bức xạ phát ra từ bề mặt một đối tượng theo quy luật Stefan - Bolzman:
Các đơn vị tính ở trong cơng thức là khó nhớ song điều quan trọng cần lưu ý là năng lượng phát ra ti lệ với T 4, nghĩa là nếu nhiệt độ tăng lên thì năng lượng phát ra sẽ nhanh chóng tăng lên theo cơ chế luỹ thừa bậc 4, cũng có thể hiểu năng lượng phát ra là hàm nguyên thủy của nhiệt độ đối tượng.
Một khái niệm đưực đưa ra là vật đen tuyệt đối. Đó là một vật lý tưởng, là vật mà có thể hấp thụ và tái phát ra tồn bộ năng lượng rơi vào nó.
Bức xạ nhiệt, có một số tính chất sau:
- Khi nhiệt độ bức xạ cao hơn thì tổng năng lượng phát ra cũng cao hơn.
- Nhiệt độ cực đại khi vật đen bức xạ chuyển dần về phía có bước sóng ngắn hơn. - Cực trị của đường cong bức xạ tuân theo quy luật chuyển dịch của Vien (Wien’s
displacement Law), nội dung của quy luật này là khi nhiệt độ của vật tăng lên thì cực trị bức xạ của vật chuyển dịch về phía có bước sóng ngắn hơn (hình 2.3):
Toả nhiệt của vật den
Hình 2.3. Sự thay đổi cực trị của đường cong bức xạ nhiệt của vật chất ở nhiệt độ khác nhau
Mặt trời có bức xạ giống như của vật đen tuyệt đối khi nhiệt độ của vật đen lên tới 6.000 K, các bóng đèn sợi đốt thường có nhiệt độ khoảng 3.000 K. Kết quả là bóng đèn sợi đốt thường phát ra ánh sáng màu xanh với năng lượng thấp và không giống như cấu thành
trong dải phổ của mặt trời.
Ta có thể quan sát thấy hiện tượng này khi một mẩu thép được nung nóng đó. Khi nhiệt độ tăng dần lên thì màu của mẩu thép chuyển từ màu đó sang da cam, vàng và cuối cùng là màu trắng. Như vậy khi nhiệt độ của vật tăng lên, cực trị bức xạ chuyển dần từ vùng sóng dài khơng nhìn thấy, sang vùng sóng ngắn nhìn thấy. Khi bước sóng phát xạ càng dài thì nhiệt độ tuyệt đối của vật đen càng thấp .
Trong kỹ thuật làm phim ảnh, người ta chế tạo ra các loại phim có sự nhạy cảm ánh sáng khác nhau với các điều kiện chiếu sáng khác nhau, khi cửa mở thì phim nhạy cảm với điều kiện ánh sáng của bên ngồi, nếu ở trong phịng ta dùng ánh sáng đèn sợi đốt làm nguồn sáng thì kết quả phim sẽ có màu vàng. Ánh đèn flash thường được dùng để lạo nên nguồn sáng có nâng lượng mạnh tương tự như ánh sáng mặt trời trong một thời gian rất ngắn đủ để phim nhạy cảm. Tất nhiên có những loại phim được chế lạo để nhạy cảm với ánh sáng đèn sợi đốt.
Nhiệt độ bên ngoài của trái đất (nghĩa là nhiệt độ của vật chất trên bề mặt trái đất như đất, nước, thực vật...) vào khoảng 300 K (27°C). Như vậy, theo luật chuyển đổi Wiens thì cực đại bức xạ của bề mặt trái đất là ở bước sóng khoảng 9,7µm. Bức xạ đó liên quan đến độ nóng của vật chất và liên quan đến khái niệm hồng ngoại nhiệt. Các bức xạ này khơng thể nhìn thấy hoặc khơng thể chụp ảnh được, song có thể thu nhận được bằng các thiết bị đo hoặc quét bức xạ (sẽ mô tả ở phần sau). Trong khi đó mặt trời có bức xạ vùng nhìn thấy cực đại về nhiệt độ ở dải sóng 0,5µm và như vậy mắt người và phim có thể dễ dàng nhạy cảm với năng lượng theo biên độ và bước sóng của ánh sáng. Nhờ vậy, khi mặt trời xuất hiện, chúng ta có thể quan sát các đặc điểm của trái đất nhờ vào đặc tính phản xạ lại nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời. Năng lượng bức xạ ở vùng sóng dài hơn thì thường được phát ra từ các vật chất trên bề mặt trái đất, nguồn năng lượng này có thể quan sát được với thiết bị cảm biến phi hình ảnh (nonpholographic sensing system). Đường phân chia giữa hồng ngoại phản xạ và hồng ngoại phát xạ là khoảng 3µm: nếu λ < 3µm thì phản xạ chiếm ưu thế và λ > 3µm thì phát xạ chiêm ưu thế.