电磁辐射与大气的相互的作用

(1）大气散射

电磁波在非均匀介质或各向异性介质中传播时改变原来传播方向的现象称为散射。大气散射是指电磁辐射受到大气中微粒(大气分子或气溶胶等)的影响而改变传播方向的现象。散射强度取决于微粒的大小、微粒的含量、辐射波长和能量传播穿过大气的厚度。散射的结果改变辐射方向,产生天空散射光,其中一部分上行被空中遥感器接收,一部分下行到达地表。

大气的散射有以下几种不同的形式:①选择性散射。当引起散射的大气子直径远小于入射电磁波波长时,出现瑞利散射,波长越长其散射越强;当大气粒子直径约等于入射波波长时,出现米氏散射,往往影响到比瑞利散射更长的波段,散射效果依赖于波长。②无选择性散射。在引起散射的大气粒子直径远大于入射电磁波波长时出现,其散射强度与波长无关。

大气散射辐射对遥感、遥感数据传输的影响极大。大气散射降低了太阳光直射的强度,改变了太阳辐射的方向,造成遥感图像辐射畸变,并使暗色物体表现得比自身更亮,降低了遥感影像的反差、图像的质量和空间信息的表达能力。

(2）大气折射

电磁辐射穿过大气层时,会发生折射现象,改变传播方向。大气的折射率与大气密度相关,密度越大,折射率越大;离地面越高,空气越稀薄,折射率越小。由于电磁辐射在大气传播中折射率的变化,它的行进轨迹是一条曲线这样当它到达地面后,地面接收的电磁辐射方向与实际的太阳辐射方向相比就会偏转一个方向。

(3）大气吸收与大气窗口

由于大气分子,如臭氧、二氧化碳和水汽等的吸收,电磁辐射穿过大气时，发生能量衰减。气体通过转动状态、振动状态或电子状态的变化吸收辐射。气体转动能量的微弱变化导致低频光子(微波或远红外波段)的吸收和散射,而振动传递对应能量高,相应导致近红外波段的吸收。而电子状态变化对应主要能量的变化,导致可见光和超声波波段的吸收和散射。水蒸气的吸收作用主要集中在大于0.7 μm光谱波段,而臭氧主要在0.55～0.65 μm光谱波段二氧化碳的影像作用在0.7μm波长左右有较强反应。甲烷在2.3 um和3.35 μm波长处有两个较强的吸收带。由于这些气体以特定的波长范围吸收电磁能量,因而对遥感系统影响很大。大气的选择性吸收不仅使气温升高,而且造成太阳发射的连续光谱中某些波段不能传播到地球表面。