Ugrás a tartalomhoz

Műholdakról távérzékelt adatok feldolgozása és hasznosítása

Mika János, Utasi Zoltán, Biró Csaba, Pénzesné Kónya Erika (2011)

EKF TTK

1.Az elektromágneses sugárzás (CCR Tutorial, 2011 nyomán)

1.Az elektromágneses sugárzás (CCR Tutorial, 2011 nyomán)

A látható fény csak egy vékony szelete az elektromágneses sugárzásnak, melynek a látható fényen kívül sokféle formája létezik (pl. rádióhullámok, hő sugarak, Röntgen-sugárzás, stb.). Azonban bármilyen is legyen a sugárzási energia, tulajdonságaik a hullámelmélettel írhatók le. Az elektromágneses sugárzás az elektromos térből (E) és a mágneses térből (M) áll. Az elektromos tér a hullámterjedés irányára merőlegesen változtatja nagyságát, míg a mágneses térrel 90 fokos szöget zár be. Mindkét tér sebessége azonos a fény sebességével (C).

3.1 ábra: A fény elektromos és mágneses terének sémája (balra) és a fény hullámtermészetét leíró jellemző, a hullámhossz (jobbra). Bővebben lásd a szomszédos bekezdések szövegében.

A távérzékelés folyamatainak megértéséhez az elektromágneses sugárzás két tulajdonsága különösen fontos: a hullámhossz és a frekvencia. A hullámhossz két szomszédos hullám csúcsa közötti távolság, jelölése , a  frekvencia pedig egy időegység alatt egy rögzített ponton áthaladó csúcsok száma. A következő összefüggés teljesül a hullámokra: C = *.

A hullámhossz mértékegysége a méter ill. a méter kisebb egységei (nm, m, cm). A frekvencia mértékegysége a Hertz (Hz), azaz 1/sec.

1.1Az elektromágneses spektrum (színkép)

Az elektromágneses spektrumban a rövidebb hullámhosszú sugárzási tartományokat (többek között: gamma-sugárzás, Röntgen-sugarak) a hosszabb hullámhosszú sugárzási tartományok követik A teljes spektrum 10-12 méter és 104 méter közé esik (3.2 ábra).

A látható fény (amit a szemünkkel is érzékelünk) fontos szerepet játszanak a távérzékelésben. A látható fény a teljes spektrumon belül keskeny, mindössze a 0,4–0,7 mkm-es tartományba esik. A körülöttünk lévő valamennyi elektromágneses hullám érzékelésére nem vagyunk képesek, de tudunk olyan szenzorokat előállítani, melyek érzékelik a spektrum nem látható részét is. A látható tartomány a következő színekre bontható (hullámhossz szerint):

Lila (0,400-0,446 mkm), zöld (0,500-0,578 mkm), sárga (0,578-0,592 mkm), narancs (0,592-0,620 mkm), vörös (0,620-0,700 mkm)

3.2 ábra: A teljes elektromágneses spektrum (balra) illetve annak mikrohullámú része (jobbra).

A spektrum következő fontos része az infravörös tartomány. Az infravörös sugárzás kb. 0,7 – 100 mkm hullámhossz tartományba esik (tehát több mint százszor szélesebb a látható fény hullámhossz-tartományánál). Ezt a tartományt két alapvető részre szokás osztani: a visszavert (reflektált) és az emittált (hő) infravörös sugárzásra. A távérzékelésben a visszavert infravörös sugarakat ugyanúgy használjuk fel, mint a látható sugarakat. A visszavert infravörös tartomány a 0,7–3,0 mkm közzé esik. Az emittált (hő) sugárzás a felszín saját hőjének kibocsátását jelenti, e tartomány határai: 3,0–100 mkm.

A harmadik tartomány, melyet a távérzékelés kihasznál, a mikrohullámú sugárzás. Ez a hullámhossz tartomány 1 mm-től 1 m-ig terjed és további sávokra szokás osztani (3.3 ábra).

A felszín részei (növénytakaró, talaj, kőzetek, stb.) a különböző hullámhosszakon más-más mértékben verik vissza a rájuk eső elektromágneses sugarakat. Minél több, jól elkülönülő hullámhosszon rögzítjük a visszavert sugarakat, annál több információt szerezhetünk.

Pl. a vízfelszín és a vegetáció a látható fény meghatározott részein hasonló mennyiségben veri vissza a beeső sugárzást, de az infravörös tartományban a két felszín teljesen különbözőképpen viselkedik, tehát ott egymástól megkülönböztethető. A visszaverés egyazon tárgyról

3.3 ábra: A három elméleti felszínfajta által is lehet különböző a tárgy állapotától, függően.

elnyelt energiahányad sémája (%)

Az elektromos hullámoknak ahhoz, hogy elérjék a Föld felszínét, át kell haladniuk a teljes atmoszférán. A légkörben található gázmolekulák, vízgőz és egyéb szennyező részecskék hatással lehetnek a beeső fényre . A kölcsönhatásnak két típusát szoktuk megkülönböztetni: a szóródást és az abszorpciót.

A szóródás akkor következik be, ha viszonylag nagy méretű gázmolekulák és egyéb részecskék vannak jelen a légkörben, melyek eltérítik az elektromágneses sugarakat eredeti irányukból. A szóródás nagysága több tényezőtől függ, nevezetesen a sugárzás hullámhosszától, a gázmolekulák és egyéb részecskék mennyiségétől és a légkörben megtett út hosszától.

Az abszorpció (elnyelés) a légkörben található molekulák energia elnyelő képességének a következménye. Az ózon, a vízgőz és a széndioxid a három fő energia elnyelő közeg.

Az ózon az ultraviola sugarak elnyeléséért felelős, a széndioxid a távoli infravörös sugarakat nyeli el, a vízgőz elnyelési tartománya a hosszúhullámú infravörös és a rövidhullámú sugárzási tartomány.

A gázmolekulák és vízgőz energiaelnyelő tulajdonságának köszönhetően a spektrum egyes részein képesek vagyunk a távérzékelés módszerével adatokat gyűjteni, más részein pedig nem. Azokat a spektrum szakaszokat, melyeken a légköri abszorpció nincs jelen, ennek megfelelően távérzékelési adatgyűjtésre

3.4 ábra A légkör sugárzás-áteresztő képessége alkalmasak – légköri ablakoknak nevezzük.

(felül) és a nap illetve a Föld ún. fekete test

sugárzásának energiatartalma (alul). A felszínre

érkező, illetve onnan távozó sugarak a különböző

hullámhosszakon ilyen arányban jutnak át a légkörön.

1.2 Példák a spektrális tulajdonságok kihasználására

A következőkben néhány példán jellemezzük, hogy az adott optikai tulajdonságok miként befolyásolták a kapott műholdképet. Elsőként megmutatjuk, hogy mennyi a légköri vízgőz összes mennyisége a Föld vertikális légoszlopában. Ennek megfigyeléséhez olyan tartományokra van szükség, amelyekben a vízgőz erősen gyengít, de nem annyira, hogy már csekély mennyiség esetén teljes legyen az elnyelés. Amint ezt fejezetünk végén, a Meteosat MSG holdak SEVIRI műszerénél megmutatjuk, az infravörös tartomány 6-7 mkm körüli sávjai ilyenek. Hasonló sávokban mér a MetOp is, amelynek produktuma a 3.5 ábrán látható.

3.5 ábra: Függőleges légoszlop vízgőztartalma, 2007. június. (Forrás: EUMETSAT.)

A következő példánk az aeroszolok megfigyelése (Alföldy B., 2004 nyomán). Az aeroszol optikai mélység a légoszlop teljes aeroszol tartalmára jellemző dimenzió nélküli fizikai mennyiség. Az optikai mélység egy adott közegbeli sugárzásgyengítésre jellemző, amely az adott közegben lévő gázok és aeroszolok sugárzáselnyelésének és szórásának együttes hatását jelenti. Minél nagyobb az aeroszol optikai mélység értéke, annál több aeroszol van jelen a légkörben.

Egy adott hullámhosszra vonatkozó aeroszol optikai mélység számításához ismernünk kell a napsugárzás légkör tetejére beérkező spektrális intenzitásait, az adott hullámhosszon abszorbeáló (elnyelő) légköri gázok összmennyiségét, abszorpciós együtthatóját, valamint azt, hogy a mérés időpontjában mekkora volt az ún. relatív optikai légtömeg, azaz, hogy a mért sugárnyaláb mennyivel hosszabb utat tett meg a légkörben ahhoz képest, mintha merőleges pályán érkezett volna. Tudni kell, továbbá, a légköri molekuláris szórás okozta optikai mélységet az adott hullámhosszon, ami a levegő alapvető összetételének ismeretében kiszámítható.

Az aeroszol optikai mélységet azon hullámhosszokon érdemes meghatározni, ahol vagy nincs számottevő gázabszorpció, vagy pedig az elnyelő gáz(ok) összes mennyisége a mérési időpontban pontosan ismert. Ezek a hullámhosszok: 368, 380, 412, 450, 500, 610, 675, 778, 862, 1024 nm. A fizikai elmélet elvben lehetőséget ad az aeroszol optikai mélység meghatározására bármely hullámhosszon is, de az eredmények bizonytalansággal lesznek terheltek, ha nem ismerjük pontosan a zavaró molekulák mennyiségét. Nem célszerű például meghatározni az aeroszol optikai mélységet a vízgőz széles abszorpciós sávjaiban.

Az aeroszol optikai mélység értékek hullámhosszal való változását aeroszol spektrumnak hívjuk. Az erre illesztett görbe meredekségéből következtehetünk az aeroszol részecskék aktuális méreteloszlására is, pontosabban egy, a méreteloszlásra jellemző mennyiségre, amelyet α-val jelölünk. Ha csak a fenti 10 hullámhosszra határozzuk meg az aeroszol optikai mélységeket, akkor két kiválasztott hullámhosszra egy formula segítségével számíthatjuk α értékét, amely minél nagyobb, annál nagyobb a kis részecskék részaránya az aeroszolban.

A 4. ábrán a mért napspektrumból számított aeroszol optikai mélység (AOD) értékeit láthatjuk a hullámhossz függvényében. (Alföldy B., 2004 nyomán). Az ábrán a piros színnel jelzett pontok származnak a fenti tíz hullámhosszból. A kék görbe egy felszíni multi-spektrális műszer mérésiből származó becslések. Látható, hogy a tíz hullámhosszból származó aeroszol optikai becslés elég jól megközelíti a teljes sávból kapott értéket. Ennek az a jelentősége, hogy a műholdas eszközön csak ilyen korlátozott számú sávban mérő szenzorok elhelyezésére van lehetőség.

3.6 ábra Az aeroszol optikai mélység (AOD) a hullámhossz függvényében a teljes napspektrumban (kék vonal)illetve a 10 szokásosan használt hullámhossz alapján (piros pontok).

A következőkben a hóborítottságra mutatunk példát. Ehhez elég a látható tartományban ismerni az albedót és hozzá az adott pontban megmutatkozó kisugárzási hőmérsékletet. Ha ugyanis nagy hányadát veri vissza a felszín a beeső sugárzásnak, akkor az vagy felhő, vagy hó (jég). A kérdést a hosszúhullámon kisugárzott energia ismeretében lehet eldönteni.

. Végül, a 3.8 ábrán azt mutatjuk be, hogy egy adott napon is meg tudjuk határozni a vízfelszín kisugárzásából a tengerfelszín hőmérsékletét. Ehhez persze derült időnek kell ott lenni, mert különben a felhőtető hőmérsékletét határoznánk meg.

3.7 ábra: Hóborítottság a NOAA műholdak AVHRR mérései alapján, 2008. 01.19. (Forrás: EUMETSAT.)

3.8 ábra: A MetOp műhold mérései alapján számított tengerfelszín hőmérséklet (oC), 2008. november 12, 12 UTC. (Forrás: EUMETSAT.)