Dette blogginnlegget fordyper seg i hvordan spektral reflektans, som varierer med bølgelengde, fungerer som en viktig ledetråd for å identifisere sammensetningen og tilstanden til jordoverflaten. Det fokuserer på prinsippene og anvendelsene av fjernmåling.
En rekke satellitter i bane rundt jorden har forskjellige bildesensorer som er i stand til detaljert observasjon av overflaten. Satellittbildesensorer, som primært ble utviklet for militære formål siden tidlig på 1960-tallet, er nå mye brukt til vitenskapelige formål for å forstå jordens miljø. Fjernmåling er vitenskapen om å innhente og analysere informasjon om objekter uten kontakt via disse sensorsystemene. For å forstå det ordentlig, må vi nøye undersøke de komplekse samspillene mellom energien som brukes i fjernmåling og objektene som studeres.
Strålende energi som sendes ut fra solen beveger seg gjennom rommet med lysets hastighet som elektromagnetiske bølger. Den passerer gjennom jordens atmosfære, reflekteres ved overflaten og beveger seg deretter tilbake gjennom atmosfæren for å nå satellittsensorer, hvor den måles. Forholdet mellom innfallende energi og reflektert energi kalles reflektans. Fjernmåling bruker spektral reflektans – refleksjon ved forskjellige bølgelengder – for å bestemme et objekts egenskaper.
Objekter sender ut strålingsenergi over forskjellige bølgelengder, hvor bølgelengden der energien maksimeres kalles «maksimal energibølgelengde». Solen, med en overflatetemperatur på omtrent 6,000 K, har en maksimal energibølgelengde på 0.48 μm. De første satellittbildene brukte bare synlig lys (0.4–0.7 μm) for å matche denne toppen. Med nyere teknologiske fremskritt har det imidlertid blitt mulig å bruke forskjellige bølgelengdebånd som er usynlige for det menneskelige øyet, for eksempel nær-infrarød, middels-infrarød og termisk infrarød. Følgelig har nytten av fjernmåling økt betraktelig.
For eksempel, mens både naturlig gress og kunstgress ser grønne ut for det menneskelige øyet, er de tydelig å skille fra hverandre ved bruk av nær-infrarødt (0.7–1.2 μm). Dette er fordi grønne blader reflekterer omtrent 50 % av lyset i dette båndet sterkt, og virker lyse på satellittbilder, mens kunstgress bare reflekterer omtrent 5 % og virker mørke.
Midt-infrarødt (1.2–3.0 μm) gir langt større følsomhet for bladfuktighetsinnhold enn synlig lys, noe som gjør det verdifullt for å innhente kritisk informasjon knyttet til avlingsvekststatus. Midt-infrarødt er også effektivt for ressursutforskning, ved å utnytte de unike spektrale reflektansegenskapene til vann eller stein. For eksempel absorberer kaolinitt, råmaterialet for keramikk, midt-infrarød stråling ved 2.17, 2.21, 2.32 og 2.58 μm. Hvis et objekts spektrale reflektans viser disse egenskapene, kan det identifiseres som kaolinitt.
Termisk infrarød stråling (3–14 μm), som konsentrerer jordens utsendte termiske strålingsenergi, gir informasjon om overflatetemperaturfordelingen. Siden den maksimale bølgelengden til strålingsenergien som sendes ut av et objekt er omvendt proporsjonal med temperaturen, er termiske infrarøde sensorer spesielt nyttige for å overvåke skogbranner (temperatur ~800 K, maksimal bølgelengde 3.62 μm) eller for å oppdage temperaturer på overflateelementer som jord, vann og stein (temperatur ~300 K, maksimal bølgelengde 9.67 μm).
Et viktig poeng å merke seg her er at elektromagnetiske bølger blir spredning og absorbert av atmosfæriske partikler både før de når overflaten og etter at de blir reflektert. Selv på klare dager uten støv, tåke eller skyer i atmosfæren, oppstår spredning på grunn av atmosfæriske partikler som oksygen- eller nitrogenmolekyler, som har effektive diametre som er mye mindre enn bølgelengden til den innfallende bølgen. Dette kalles Rayleigh-spredning, og intensiteten er omvendt proporsjonal med bølgelengdens fjerde potens. For eksempel viser ultrafiolett lys med en bølgelengde på 0.32 μm omtrent 16 ganger sterkere spredning enn rødt lys med en bølgelengde på 0.64 μm. Rayleigh-spredning fungerer som en viktig indikator på atmosfærisk sammensetning og tetthet, men den må tas i betraktning da den demper lysstyrken og kontrasten til satellittbilder som fanger jordoverflaten. Noen fjernmålingssystemer forlater dristig å innhente bilder i naturlige farger ved å ekskludere det blå bølgelengdebåndet, der Rayleigh-spredningseffekter er betydelige, og bruker i stedet bare grønne, røde og nær-infrarøde sensorer.
Absorpsjon av elektromagnetiske bølger i atmosfæren skjer ved spesifikke bølgelengdebånd som korresponderer med de iboende resonansfrekvensene til de inngående materialene. De overlappende absorpsjonseffektene av ulike atmosfæriske stoffer – vanndamp, karbon, oksygen, ozon, nitrogenoksider osv. – betyr at elektromagnetiske bølger i visse bølgelengdebånd knapt trenger inn i jordens atmosfære, selv på klare dager. Heldigvis tilhører flere elektromagnetiske bølgebånd, inkludert synlig lys, det «atmosfæriske vinduet» hvor energi passerer svært effektivt. Derfor må satellittsensorer utformes for å operere innenfor disse bølgelengdebåndene i det atmosfæriske vinduet. Følgelig er mellominfrarøde sensorer utformet for å ekskludere de sterke absorpsjonsbølgelengdene på 1.4, 1.9 og 2.7 μm forårsaket av atmosfærisk vanndamp, mens termiske infrarøde sensorer primært bare bruker båndene 3–5 μm og 8–14 μm.
Å forstå disse egenskapene til elektromagnetiske bølger, deres interaksjon med atmosfæren og nytten av ulike bølgelengdebånd er avgjørende for å tolke og anvende fjernmålingssystemer nøyaktig. Basert på denne forståelsen fungerer satellittbilder som et avgjørende verktøy for mer sofistikert analyse av jordoverflaten og miljøet.
