Šajā emuāra ierakstā tiek padziļināti aplūkots, kā spektrālā atstarošanās spēja, kas mainās atkarībā no viļņa garuma, kalpo kā galvenais pavediens Zemes virsmas sastāva un stāvokļa noteikšanā. Tajā galvenā uzmanība tiek pievērsta tālizpētes principiem un pielietojumiem.
Daudzi Zemes orbītā esošie satelīti pārvadā dažādus attēlveidošanas sensorus, kas spēj detalizēti novērot virsmu. Satelītu attēlveidošanas sensori, kas izstrādāti galvenokārt militāriem mērķiem kopš 1960. gs. sešdesmito gadu sākuma, tagad tiek plaši izmantoti zinātniskiem mērķiem, lai izprastu Zemes vidi. Tālizpēte ir zinātne par informācijas iegūšanu un analīzi par objektiem bezkontakta veidā, izmantojot šīs sensoru sistēmas. Lai to pareizi izprastu, mums rūpīgi jāizpēta sarežģītā mijiedarbība starp tālizpētē izmantoto enerģiju un pētāmajiem objektiem.
Saules izstarotā starojuma enerģija pārvietojas kosmosā ar gaismas ātrumu kā elektromagnētiskie viļņi. Tā iziet cauri Zemes atmosfērai, tiek atstarota no virsmas un pēc tam ceļo atpakaļ caur atmosfēru, lai sasniegtu satelītu sensorus, kur tā tiek izmērīta. Ienākošās un atstarotās enerģijas attiecību sauc par atstarošanos. Tālizpēte izmanto spektrālo atstarošanos — atstarošanos dažādos viļņu garumos —, lai noteiktu objekta īpašības.
Objekti izstaro starojuma enerģiju dažādos viļņu garumos, un viļņa garumu, pie kura enerģija tiek maksimāli palielināta, sauc par "maksimālo enerģijas viļņa garumu". Saulei, kuras virsmas temperatūra ir aptuveni 6,000 K, maksimālais enerģijas viļņa garums ir 0.48 μm. Sākotnējos satelītattēlos tika izmantota tikai redzamā gaisma (0.4–0.7 μm), lai atbilstu šim maksimumam. Tomēr, pateicoties jaunākajiem tehnoloģiskajiem sasniegumiem, ir kļuvis iespējams izmantot dažādas viļņu garuma joslas, kas nav redzamas cilvēka acij, piemēram, tuvā infrasarkanā starojuma, vidējā infrasarkanā starojuma un termālā infrasarkanā starojuma. Līdz ar to tālizpētes lietderība ir ievērojami paplašinājusies.
Piemēram, lai gan gan dabīgais zāliens, gan mākslīgais zāliens cilvēka acij šķiet zaļi, tos var skaidri atšķirt, izmantojot tuvā infrasarkanā starojuma diapazonu (0.7–1.2 μm). Tas ir tāpēc, ka zaļās lapas spēcīgi atstaro aptuveni 50% gaismas šajā joslā, satelītattēlos izskatoties spilgtas, savukārt mākslīgais zāliens atstaro tikai aptuveni 5%, izskatoties tumšas.
Vidējais infrasarkanais starojums (1.2–3.0 μm) piedāvā daudz lielāku jutību pret lapu mitruma saturu nekā redzamā gaisma, padarot to vērtīgu, lai iegūtu svarīgu informāciju par kultūraugu augšanas statusu. Vidējais infrasarkanais starojums ir efektīvs arī resursu izpētē, izmantojot ūdens vai iežu unikālās spektrālās atstarošanas īpašības. Piemēram, kaolinīts, keramikas izejviela, absorbē vidējo infrasarkano starojumu 2.17, 2.21, 2.32 un 2.58 μm diapazonā. Ja objekta spektrālā atstarošana uzrāda šīs īpašības, to var identificēt kā kaolinītu.
Termiskais infrasarkanais starojums (3–14 μm), kas koncentrē Zemes izstaroto termiskā starojuma enerģiju, sniedz informāciju par virsmas temperatūras sadalījumu. Tā kā objekta izstarotās starojuma enerģijas maksimālais viļņa garums ir apgriezti proporcionāls tā temperatūrai, termiskie infrasarkanie sensori ir īpaši noderīgi meža ugunsgrēku uzraudzībai (temperatūra ~800 K, maksimālais viļņa garums 3.62 μm) vai virsmas veidojumu, piemēram, augsnes, ūdens un iežu, temperatūras noteikšanai (temperatūra ~300 K, maksimālais viļņa garums 9.67 μm).
Svarīgi atzīmēt, ka elektromagnētiskie viļņi tiek izkliedēti un absorbēti atmosfēras daļiņās gan pirms virsmas sasniegšanas, gan pēc atstarošanās. Pat skaidrās dienās, kad atmosfērā nav putekļu, miglas vai mākoņu, izkliede notiek atmosfēras daļiņu, piemēram, skābekļa vai slāpekļa molekulu, dēļ, kuru efektīvais diametrs ir daudz mazāks par ienākošā viļņa viļņa garumu. To sauc par Releja izkliedi, un tās intensitāte ir apgriezti proporcionāla viļņa garuma ceturtajai pakāpei. Piemēram, ultravioletā gaisma ar viļņa garumu 0.32 μm uzrāda aptuveni 16 reizes spēcīgāku izkliedi nekā sarkanā gaisma ar viļņa garumu 0.64 μm. Releja izkliede kalpo kā svarīgs atmosfēras sastāva un blīvuma indikators, taču tā ir jāņem vērā, jo tā samazina Zemes virsmas satelītattēlu spilgtumu un kontrastu. Dažas tālizpētes sistēmas drosmīgi atsakās no dabisko krāsu attēlu iegūšanas, izslēdzot zilo viļņu garuma joslu, kur Releja izkliedes efekti ir nozīmīgi, un tā vietā izmanto tikai zaļos, sarkanos un tuvā infrasarkanā starojuma sensorus.
Elektromagnētisko viļņu absorbcija atmosfērā notiek noteiktās viļņu garuma joslās, kas atbilst to veidojošo materiālu raksturīgajām rezonanses frekvencēm. Dažādu atmosfēras vielu — ūdens tvaiku, oglekļa, skābekļa, ozona, slāpekļa oksīdu u. c. — pārklājošās absorbcijas ietekmes nozīmē, ka elektromagnētiskie viļņi noteiktās viļņu garuma joslās tik tikko iekļūst Zemes atmosfērā pat skaidrās dienās. Par laimi, vairākas elektromagnētisko viļņu joslas, tostarp redzamā gaisma, pieder pie "atmosfēras loga", caur kuru enerģija iziet ļoti efektīvi. Tāpēc satelītu sensoriem jābūt konstruētiem tā, lai tie darbotos šajās atmosfēras loga viļņu garuma joslās. Līdz ar to vidējā infrasarkanā starojuma sensori ir konstruēti tā, lai izslēgtu spēcīgos absorbcijas viļņu garumus 1.4, 1.9 un 2.7 μm, ko rada atmosfēras ūdens tvaiki, savukārt termiskie infrasarkanie sensori galvenokārt izmanto tikai 3–5 μm un 8–14 μm joslas.
Izpratne par šīm elektromagnētisko viļņu īpašībām, to mijiedarbību ar atmosfēru un dažādu viļņu garuma joslu lietderību ir būtiska, lai precīzi interpretētu un pielietotu tālizpētes sistēmas. Balstoties uz šo izpratni, satelītattēli kalpo kā izšķirošs instruments sarežģītākai Zemes virsmas un vides analīzei.
