See blogipostitus süveneb sellesse, kuidas spektraalne peegeldusvõime, mis varieerub lainepikkuse järgi, on võtmetähtsusega Maa pinna koostise ja seisundi kindlakstegemisel. See keskendub kaugseire põhimõtetele ja rakendustele.
Arvukad Maa ümber tiirlevad satelliidid kannavad mitmesuguseid pildisensoreid, mis on võimelised pinda detailselt jälgima. Satelliidipildisensoreid, mis on välja töötatud peamiselt sõjalistel eesmärkidel alates 1960. aastate algusest, kasutatakse nüüd laialdaselt teaduslikel eesmärkidel Maa keskkonna mõistmiseks. Kaugseire on teadus, mis kogub ja analüüsib objektide kohta teavet kontaktivabalt nende andurisüsteemide abil. Selle täielikuks mõistmiseks peame lähemalt uurima kaugseires kasutatava energia ja uuritavate objektide vahelist keerukat vastastikmõju.
Päikesest kiirgav kiirgusenergia liigub läbi kosmose valguse kiirusel elektromagnetlainetena. See läbib Maa atmosfääri, peegeldub pinnalt ja liigub seejärel läbi atmosfääri tagasi satelliidisensoriteni, kus seda mõõdetakse. Langeva ja peegeldunud energia suhet nimetatakse peegeldusvõimeks. Kaugseire kasutab spektraalset peegeldust – peegeldust erinevatel lainepikkustel – objekti omaduste määramiseks.
Objektid kiirgavad energiat erinevatel lainepikkustel, kusjuures lainepikkust, mille juures energia on maksimaalne, nimetatakse „maksimaalseks energia lainepikkuseks“. Päikesel, mille pinnatemperatuur on umbes 6,000 K, on maksimaalne energia lainepikkus 0.48 μm. Esialgsed satelliidipildid kasutasid selle tipu saavutamiseks ainult nähtavat valgust (0.4–0.7 μm). Hiljutiste tehnoloogiliste edusammudega on aga võimalik kasutada erinevaid inimsilmale nähtamatuid lainepikkuste vahemikke, näiteks lähiinfrapuna, keskinfrapuna ja termiline infrapuna. Sellest tulenevalt on kaugseire kasulikkus oluliselt laienenud.
Näiteks kuigi nii looduslik kui ka kunstmuru tunduvad inimsilmale rohelised, on need lähiinfrapunakiirguse (0.7–1.2 μm) abil selgelt eristatavad. Selle põhjuseks on asjaolu, et rohelised lehed peegeldavad selles vahemikus tugevalt umbes 50% valgusest, mistõttu satelliidipiltidel need heledad paistavad, samas kui kunstmuru peegeldab vaid umbes 5% ja paistab tume.
Keskmine infrapunakiirgus (1.2–3.0 μm) pakub lehtede niiskusesisalduse suhtes palju suuremat tundlikkust kui nähtav valgus, mistõttu on see väärtuslik põllukultuuride kasvustaatusega seotud kriitilise teabe saamiseks. Keskmine infrapunakiirgus on efektiivne ka ressursside uurimisel, kasutades ära vee või kivimi ainulaadseid spektraalse peegelduse omadusi. Näiteks kaoliniit, keraamika tooraine, neelab keskmist infrapunakiirgust lainepikkustel 2.17, 2.21, 2.32 ja 2.58 μm. Kui objekti spektraalne peegeldusvõime näitab neid omadusi, saab seda identifitseerida kaoliniidina.
Termiline infrapunakiirgus (3–14 μm), mis kontsentreerib Maa kiiratava termilise kiirguse energia, annab teavet pinnatemperatuuri jaotuse kohta. Kuna objekti kiiratava kiirgusenergia maksimaalne lainepikkus on pöördvõrdeline selle temperatuuriga, on termilised infrapunaandurid eriti kasulikud metsatulekahjude jälgimiseks (temperatuur ~800 K, maksimaalne lainepikkus 3.62 μm) või pinnase, vee ja kivimite temperatuuride tuvastamiseks (temperatuur ~300 K, maksimaalne lainepikkus 9.67 μm).
Oluline on märkida, et elektromagnetlained hajuvad ja neelduvad atmosfääriosakeste poolt nii enne maapinnale jõudmist kui ka pärast peegeldumist. Isegi selgetel päevadel, kui atmosfääris pole tolmu, udu ega pilvi, toimub hajumine atmosfääriosakeste, näiteks hapniku- või lämmastikumolekulide tõttu, mille efektiivne läbimõõt on palju väiksem kui langeva laine lainepikkus. Seda nimetatakse Rayleigh' hajumiseks ja selle intensiivsus on pöördvõrdeline lainepikkuse neljanda astmega. Näiteks ultraviolettvalgus lainepikkusega 0.32 μm hajub ligikaudu 16 korda tugevamalt kui punane valgus lainepikkusega 0.64 μm. Rayleigh' hajumine on oluline atmosfääri koostise ja tiheduse näitaja, kuid seda tuleb arvestada, kuna see nõrgendab Maa pinda jäädvustavate satelliidipiltide heledust ja kontrasti. Mõned kaugseiresüsteemid loobuvad julgelt loomulike värvidega kujutiste saamisest, jättes välja sinise lainepikkuse riba, kus Rayleigh' hajumisefektid on olulised, ja kasutavad selle asemel ainult rohelisi, punaseid ja lähiinfrapuna andureid.
Elektromagnetlainete neeldumine atmosfääris toimub kindlatel lainepikkusribadel, mis vastavad koostisosade sisemistele resonantssagedustele. Erinevate atmosfääri ainete – veeauru, süsiniku, hapniku, osooni, lämmastikoksiidide jne – kattuvad neeldumisefektid tähendavad, et teatud lainepikkusribade elektromagnetlained tungivad Maa atmosfääri vaevu läbi isegi selge ilmaga. Õnneks kuuluvad mitmed elektromagnetlainete ribad, sealhulgas nähtav valgus, „atmosfääriaknasse“, kust energia läbib väga tõhusalt. Seetõttu tuleb satelliitsensorid konstrueerida nii, et need töötaksid nendes atmosfääriakna lainepikkusribades. Sellest tulenevalt on keskmise infrapunakiirguse sensorid konstrueeritud nii, et need välistaksid atmosfääri veeauru põhjustatud tugevad neeldumislainepikkused 1.4, 1.9 ja 2.7 μm, samas kui termilised infrapunasensorid kasutavad peamiselt ainult 3–5 μm ja 8–14 μm ribasid.
Elektromagnetlainete omaduste, nende koostoime atmosfääriga ja erinevate lainepikkuste vahemike kasulikkuse mõistmine on oluline kaugseiresüsteemide täpseks tõlgendamiseks ja rakendamiseks. Sellele arusaamale tuginedes on satelliidipildid oluliseks tööriistaks Maa pinna ja keskkonna keerukamaks analüüsiks.
