Projekt:FE Auswerteverfahren 1/Wettersatelliten/Strahlungstheoretische Grundlagen

Mit Hilfe der Fernerkundung werden eine Vielzahl von Informationen mit Hilfe von Luft- und Satellitenbildern übermittelt. Durch aktive (selbst ausgesandte vom Objekt reflektierte Strahlung messend) und passive (vom Objekt emittierte oder reflektierte Strahlung messend) werden Daten über jeweilige Geoobjekte gewonnen. Informationsträger ist die elektromagnetische Strahlung. Beim Durchgang durch die Atmosphäre unterliegt sie zahlreichen Wechselwirkungen mit der Materie. Diese müssen zur Erkennung und Interpretation von Fernerkundungsdaten große Beachtung finden.

Teilprojekt Wettersatelliten

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NOAA: Wetter- und Erdbeobachtung

Elektromagnetische Strahlung

• elektromagnetische Welle/Strahlung
• elektromagnetisches Spektrum

Die Fernerkundung umfasst als wissenschaftliche Disziplin die Erfassung, Verarbeitung und Interpretation von Informationen entfernter Objekte, in diesem Fall vom Orbit aus auf die Erde hinab. Die Übermittlung dieser Informationen erfolgt mittels der elektromagnetischen Strahlung. Sie wird von einem Sensor aufgenommenen und ihre Interpretation definiert die Eigenschaften der Erdoberfläche.

Als elektromagnetische Strahlung bezeichnet man die Fortpflanzung von Energie in Form elektrischer und magnetischer Felder, die zeitlich und räumlich variieren können. Die Energieausbreitung erfolgt stets mit Lichtgeschwindigkeit (c = 2,998 ⋅ 10⁸ m/s). Die wichtigsten Parameter zur Unterscheidung der von Objekten ausgesandten Energie stellen die Wellenlänge λ und die Frequenz ν (gemessen in Schwingung pro Zeiteinheit: 1 Hertz = 1/s dar. Sie stehen in folgender Beziehung zueinander:

${\frac {c}{\lambda }}=\nu$

Die Differenziertheit elektromagnetischer Strahlung in ihrer Wellenlänge/Frequenz und somit verschiedener Eigenschaften führte zur Benennung unterschiedlicher Wellenlängen- bzw. Frequenzbereiche. Die Ordnung aller Strahlungen nach ihrer Wellenlänge und/oder Frequenz nennt man Elektromagnetisches Spektrum.

Das elektromagnetische Spektrum

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Radioaktive Gammastrahlung (Wellenlänge λ < 10pm): wird von radioaktiven Atomen und nuklearen Reaktionen freigesetzt. Anwendungen in der Medizin und der Erkundung des Weltalls, jedoch nicht in der Fernerkundung der Erde.

Röntgenstrahlen (10pm < λ < 1nm): medizinische Anwendungen; außerdem zur Sonnenbeobachtung eingesetzt.

Ultraviolette Strahlung (1nm < λ < 380nm): der größte Teil der UV-Strahlung vom Ozon in der Atmosphäre absorbiert. Der übrige Teil ist nicht für die Fernerkundung geeignet, wird jedoch für astronomische Beobachtungen und atmosphärische Messungen verwendet.

Bereich des sichtbaren Lichts: Blau (380nm < λ < 490nm), Grün(490nm < λ < 600nm), Rot (600nm < λ < 780nm): In der Fernerkundung vor allem zur Identifikation von Objekten nach ihrer (sichtbaren) Farbe (zum Beispiel für Vegetationsuntersuchungen).

Infrarot: a) reflektiertes Infrarot (780nm < λ < 2,5µm) (angrenzend an sichtbares Licht) ist in den Sonnenstrahlen enthalten. Häufige Verwendung in FE -insbesondere für Vegetationsuntersuchungen. b) thermales Infrarot (2,5µm < λ < 1mm) (emittierte Strahlung, Thermalstrahlung, Wärmestrahlung). Mit ihrer Hilfe werden in der Fernerkundung Wärmequellen detektiert.

Mikrowellen (1mm < λ < 1m): Anwendung in Fernerkundung in aktiven (Radarsysteme) und passiven Aufnahmesystemen. Vorteil: Mikrowellen werden von atmosphärischen Einflüssen (Wolken, Regen, Schnee) kaum beeinflußt.

Radiowellen (λ < 10km): Übermittlung von Radio-und Fernsehsignalen.

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In der Fernerkundung werden nicht alle Wellenlängenbereiche genutzt, sondern nur der Teil zwischen dem nahen Ultraviolett und dem mittleren Infrarot (2,5 nm - 50 µm).

Strahlungsgesetze

In der Fernerkundung werden zahlreiche physikalische Formeln genutzt. Die wichtigsten sind hier aufgeführt:

• Stefan-Boltzmann-Gesetz: Das Gesetz von J. Stefan (1835-1893) und L. Boltzmann (1844-1906) besagt, dass das Emissionsvermögen eines schwarzen Körpers der vierten Potenz zu seiner absoluten Temperatur über alle Wellenlängen proportional ist.

$P=\sigma \cdot A\cdot T^{4}$

• Kirchhoffsches Strahlungsgesetz: Das Gesetz von G.R. Kirchhoff (1824-1887) beschreibt das Absorptionsvermögen eines Körpers als das Verhältnis von absorbierter zu auftreffender Strahlung. Bei gegebener Temperatur ist das Verhältnis von Emissionsvermögen und Absorptionsvermögen konstant und von der Temperatur und Wellenlänge abhängig.

${\frac {L_{\Omega \nu }(\beta ,\varphi ,\nu ,T)}{a_{\nu }^{\prime }(\beta ,\varphi ,\nu ,T)}}=L_{\Omega \nu }^{o}(\nu ,T)$

• Plancksches Strahlungsgesetz: Das Gesetz von M. Planck (1858-1947) beschreibt die spektrale Verteilung der Strahlung eines sogenannten Schwarzstrahlers.

$M_{\lambda }^{o}(\lambda ,T)\,\mathrm {d} A\,\mathrm {d} \lambda \,={\frac {2\pi hc^{2}}{\lambda ^{5}}}{\frac {1}{e^{\left({\frac {hc}{\lambda kT}}\right)}-1}}\mathrm {d} A\,\mathrm {d} \lambda$

• Wiensches Verschiebungsgesetz: Das Gesetz von W. Wien (1864-1928) definiert die Beziehung zwischen der Wellenlänge mit maximalem Emissionsvermögen und der Temperatur eines Schwarzstrahlers. Es bestimmt also bei welcher Wellenlänge das spektrale Emissionsvermögen sein Maximum erreicht.

$\lambda _{\mathrm {max} }\,=\,{\frac {2897{,}8\,\mathrm {\mu m\,K} }{T}}$

• Rayleigh-Jeans-Gesetz: Das Plancksche Strahlungsgesetz wird für Wellenlängenbereiche größer 3mm durch das Rayleigh-Jeans-Gesetz von J.W. Strutt, 3. Baron Rayleigh (1842-1919) und J.H. Jeans (1877-1946) angenähert. In diesem Bereich verläuft das spektrale Emissionsvermögen direkt proportional zur Temperatur.

$I(\lambda )\,\mathrm {d} \lambda ={\frac {2ckT}{\lambda ^{4}}}\mathrm {d} \lambda \$

Wechselwirkungen von Strahlung mit der Atmosphäre

• Refraktion
• Streuung
• Absorption
• Transmission
• Atmosphärische Fenster

Die als Informationsträger dienende elektromagnetische Strahlung muss vom Objekt hin zum Empfänger (Satellit, Flugzeug) die Atmosphäre passieren. Beim Durchgang durch die Materie wird die elektromagnetische Strahlung beeinflusst. Hierbei kann es zu einer Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit und -richtung, aber auch zur Absorption von Strahlung kommen. Dichteänderungen der Luft können atmosphärische Strahlenbrechungen verursachen - Refraktion genannt. Diese führt dazu, dass die Strahlung gekrümmt wird und sich aufgrund eines variierenden Brechungsindexes der Atmosphäre die Ausbreitungsrichtung ändert. Die Ablenkung elektromagnetischer Strahlung an kleinen Materieteilchen (Aerosole) in alle Richtungen wird als Streuung bezeichnet. Die Streuung ist stark abhängig von der Wellenlänge der gestreuten Strahlung und der Art und Größe der Teilchen, an denen dieser Vorgang erfolgt. Die Wellenlänge der Strahlung wird durch den Streuvorgang nicht verändert, es wird lediglich die Ausbreitungsrichtung beeinflusst. Die atmosphärische Streuung wird in nicht-selektive und in selektive Streuung unterschieden. Erstere ist definiert als die Streuung an Partikeln, die größer sind als die Wellenlänge der gestreuten Strahlung (bei Nebel oder Wolken) . Diese Streuung ist wellenlängenunabhängig und wird Mie-Streuung genannt. Die selektive Streuung bezeichnet Streuung an Partikeln, die kleiner oder gleich groß der Wellenlänge der Strahlung sind (Moleküle, Rauch, Dunst). Diese Streuung ist wellenlängenabhängig und wird Rayleigh-Streuung genannt. Wird elektromagnetische Strahlung ganz oder teilweise von der Atmosphäre aufgenommen und absorbiert, wird sie in Wärmeenergie oder andere Energieformen umgesetzt. Absorption und Streuung führen zu einer Schwächung der elektromagnetischen Strahlung auf dem Weg durch die Atmosphäre. Die beiden Prozesse werden zusammenfassend als Extinktion bezeichnet. Durchdringt Strahlung Materie ohne dass sich die Wellenlänge ändert, spricht man von Transmission. Die Menge der Strahlung, die durchgelassen wird, wird durch den Transmissiongrad τ definiert. Die Prozesse der Absorption, Reflektion und Transmission sind von der Wellenlänge bzw. der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung abhängig und von der Temperatur und der Art des jeweiligen Objektes, an denen sie erfolgen.Im Grenzbereich von Materien unterschiedlicher Eigenschaften wird elektromagnetische Strahlung teilweise zurückgeworfen (Reflektion, Streuung), teilweise von der Materie aufgenommen (Absorption) und durchdringt teilweise die Materie (Transmission). Somit werden folgende spektrale Größen definiert: Absorptionsgrad α, Reflektionsgrad ρ und Transmissionsgrad τ.

Es gilt: α (λ)+ ρ (λ)+ τ (λ) = 1

Beim Durchgang durch die Atmosphäre unterliegt die von der Sonne ausgehende elektromagnetische Strahlung also dem Einfluss der Luft. In der Atmosphäre befindliche Moleküle streuen oder reflektrieren die elektromagnetische Strahlung. Deshalb erreicht nur ein Teil der eingehenden Strahlung tatsächlich die Erdoberfläche. Ein Wellenlängenintervall des Strahlungsspektrums für das die Atmosphäre der Erde durchlässig ist, wird als Atmosphärisches Fenster bezeichnet und ist für die Fernerkundung von grundlegender Bedeutung. In diesem Bereich erreicht die Strahlung (beinahe) unbeeinflusst und somit ohne Informationsverlust die Erdoberfläche. Die wichtigsten Absorber der Erdatmosphäre sind Wasserdampf (H₂O), Kohlendioxid (CO₂) und Ozon (O₃). In der folgenden Grafik sind die Absorptionsbanden der Gase und das Atmosphärische Fenster abgebildet.

Atmosphärische Durchlässigkeit in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Insolation sowie für die Strahlungsabsorption vorwiegend verantwortliche Moleküle. Die Wellenlänge ist in Mikrometer ("microns") angegeben.

Emission und Reflektion von Strahlung durch die Erdoberfläche

• Emission
• Reflektion/Albedo
• Spektrale Signaturen (Vegetation, Wasser, Gestein, Boden)

Entscheidend für die Erkennung und Interpretation von Geoobjekten (zum Beispiel auf Satellitenbildern) ist die unterschiedliche Reflektion verschiedener Oberflächen der Erde und darauf befindlicher Objekte gegenüber der auftreffenden Strahlung sowie die emittierte Strahlungsintensität. Reflektion und Emission sind von den Materialeigenschaften und der Oberflächenbeschaffenheit abhängig.

Nachfolgend sind verschiedene Emissionsgrade aufgeführt:

Wellenlängenbereich [μm]	1,8 - 2,7	3,0 - 5,0	8,0 - 14,0
Grünes Laub	0,67	0,90	0,92
Sand	0,56	0,82	0,93
Asphalt			0,96
Wasser			0,99
Granit			0,82
Basalt			0,90
Eis			0,98
menschliche Haut			0,98
Glasplatte			0,98

Die Albedo des kurzwelligen Strahlungsflusses ist das Rückstrahlungsvermögen einfallender Strahlung von nicht selbst leuchtenden, diffus reflektierenden Oberflächen. Berechnet wird die Albedo aus dem Quotienten von reflektiertem Strahlungsfluss zu einfallendem Strahlungsfluss. In einem Satellitenbild hell erscheinende Oberflächen (z.B. Neuschneeflächen) besitzen eine große Albedo und reflektieren demzufolge den überwiegenden Teil der kurzwelligen, einfallenden Strahlung. Dunkel erscheinende Flächen (z.B. Nadelwälder) besitzen eine geringe Albedo und absorbieren den überwiegenden Teil der kurzwelligen, einfallenden Strahlung.

Nachfolgend sind einige Albedowerte/Reflektionsgrade aufgeführt:

Oberfläche	Albedo
Neuschnee	0,95
Altschnee	0,40
Meereis	0,30 - 0,45
Gletschereis	0,20 - 0,40
Wasser (bei flacher Einstrahlung)	0,05 - 0,10
Wasser (bei steiler Einstrahlung)	0,10 - 0,20
Laubwald	0,15 - 0,20
Nadelwald	0,05 - 0,15
Gras	0,16 - 0,26
Wüste	0,20 - 0,45
Boden (nass = dunkel; trocken = hell)	0,05 - 0,40