2.1. Wpływ atmosfery na promieniowanie elektromagnetyczne
Atmosfera, jako ośrodek fizyczny, bardzo istotnie wpływa na zobrazowania lotnicze i satelitarne. Z jednej strony, oddziałując z promieniowaniem elektromagnetycznym, powoduje zmianę jego charakterystyki. Z drugiej strony decyduje o warunkach technicznych lotu (Wójcik, 1989). Bezpośrednie promieniowanie słoneczne, które dochodzi do górnych warstw atmosfery, składa się z fal o długościach od 0,17 do 4 µm. Gęstość strumienia tego promieniowania odpowiada stałej słonecznej i wynosi 1,39 [W m-2] (Wójcik, 1989).
Światło przechodzące przez atmosferę, zarówno bezpośrednie promieniowanie słoneczne, jak i odbite od powierzchni Ziemi, ulega w niej rozproszeniu, absorpcji i załamaniu. Natężenie tych zjawisk jest ściśle związane z odległością, jaką promieniowanie pokonuje w atmosferze oraz z jej gęstością. Odległość ta jest zależna od wysokości zenitalnej Słońca oraz odległości urządzenia rejestrującego od obiektu na powierzchni Ziemi (Wójcik, 1989). Gęstość powietrza atmosferycznego maleje wraz ze wzrostem odległości od powierzchni Ziemi. Najbardziej na promieniowanie oddziałuje dolna warstwa atmosfery – troposfera. W niej skoncentrowane jest 4/5 całej masy powietrza atmosferycznego.
Troposfera posiada największą miąższość nad równikiem, wynoszącą przeciętnie od 15 do 17 km, natomiast najmniejszy wymiar pionowy - 9 km, osiąga nad biegunami (Chromow, 1970).
Oprócz odległości istotny wpływ na przemiany światła ma zawartość aerozoli w atmosferze.
Strumień promieniowania elektromagnetycznego, padający i odbity, przechodzący przez atmosferę ulega w niej rozproszeniu. Wyróżnia się trzy typy rozpraszania (Lillesand i Kiefer, 1994):
1. Związany z kryterium Rayleigh’a, zwany dyspersją, zachodzi wtedy, kiedy promieniowanie reaguje z atomami i cząsteczkami, których rozmiar jest dużo mniejszy od długości fali. Padający na atom promień pobudza do drgań elektrony, które wysyłają fotony światła. Efekt tego rozpraszania jest odwrotnie proporcjonalny do długości fali w czwartej potędze (Slater i in., 1983; Chavez, 1988). Rozpraszanie tego typu jest jednorodne we wszystkich kierunkach. Rozpraszanie tego typu dotyczy przede wszystkich fal krótszych (fioletowy i niebieski zakres promieniowania widzialnego); wraz ze wzrostem długości fali zmniejsza się ilość energii rozproszonej na tej zasadzie.
Wizualnym efektem tego typu rozpraszania jest niebieski kolor nieba. Jest ono również zasadniczą przyczyną zmniejszenia ostrości i kontrastu na zdjęciu. W fotografii kolorowej wykonywanej z dużej wysokości objawia się to w postaci niebieskoszarej barwy.
2. Rozpraszanie typu Mie zachodzi wtedy, kiedy długość fali jest równa w przybliżeniu średnicy cząstki. Temu typowi rozpraszania podlegają fale dłuższe, a zachodzi ono głównie na cząstkach pary wodnej i pyłów. Wielkość rozpraszania tego typu jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali (Slater i in., 1983).
3. Rozpraszanie nieselektywne, które zachodzi niezależnie od długości fali na cząstkach o wymiarach dużo większych od długości fali. Tego typu rozpraszanie występuje na kroplach deszczu o rozmiarach 5-100 µm. Podlega mu światło w zakresie widzialnym, bliskiej i środkowej podczerwieni. W efekcie chmury oraz mgły są fotografowane jako białe plamy.
Chavez (1988) zaproponował względny model rozpraszania światła w atmosferze.
Model ten zakłada zróżnicowanie rozpraszania w funkcji długości fali w zależności od przezroczystości atmosfery (tab. 1). Chavez wyróżnił pięć stanów charakteryzujących warunki atmosferyczne: bardzo czyste niebo, czyste niebo, umiarkowane zachmurzenie, zamglenie, duże zamglenie. Rozpraszanie dla czystego nieba jest odwrotnie proporcjonalne do długości fali w czwartej potędze. Przy całkowitym zachmurzeniu występuje tylko promieniowanie rozproszone, charakteryzowane przez długość fali w zerowej potędze.
Tab. 1. Rozpraszanie promieniowania elektromagnetycznego w atmosferze w zależności od jej stanu w funkcji długości fali (Chavez, 1988).
Warunki atmosferyczne Rozpraszanie w funkcji długości fali
Bardzo czyste niebo λ-4
Czyste niebo λ-2
Umiarkowane zachmurzenie λ-0,1
Zamglenie λ-0,7
Duże zamglenie λ-0,5
Udział promieniowania rozproszonego docierającego z góry do powierzchni Ziemi przy braku aerozoli w atmosferze stanowi około 3% całkowitego strumienia energii (Cierniewski, 2001). Przy spadku widoczności poziomej do 5 kilometrów, udział składnika rozproszonego może wzrosnąć do 64 % (Simmer i Gerstl, 1985).
Absorpcja promieniowania przez cząstki zawarte w powietrzu powoduje, w przeciwieństwie do rozpraszania, efektywne straty energii w danej długości fali.
Podstawowymi substancjami, które absorbują promieniowanie są: dwutlenek węgla, para wodna i ozon. Pochłanianie promieniowania odbywa się w określonych zakresach długości
fali. W związku z tym, z punktu widzenia teledetekcji, należy dla urządzeń rejestrujących tak dobrać zakres widzenia detektora, aby w nim absorpcja promieniowania była jak najmniejsza.
Zakresy długości fal, w których ten warunek jest spełniony są nazywane oknami atmosferycznymi (ryc. 3). W zakresie widzialnym absorpcja promieniowania jest niewielka.
Ryc. 3. Rozkład spektralny promieniowania słonecznego przed i po przejściu przez czystą atmosferę ziemską (Velley, 1965). Strzałkami oznaczono okna atmosferyczne, wzorem chemicznym wskazano substancję powodującą jego powstanie.
Wskutek nierównomiernej gęstości powietrza w pionie, wzrastającej ku powierzchni Ziemi, promienie świetlne przechodzące przez atmosferę ulegają odchyleniu zgodnie z prawem Sneliusa (Sitek, 1990). Odchylenie to jest zwane refrakcją lub załamaniem promieni świetlnych. Dla typowej gęstości atmosfery wielkość refrakcji dla kątów zenitalnych równych 80° jest mniejsza lub równa 1° (Teillet, 1988). Refrakcja ma znaczenie w fotogrametrii, gdyż powoduje wzrost dystorsji radialnej. Jest ona cechą konstrukcyjną obiektywów i powoduje radialne przemieszczenie obrazów punktów w kierunku od lub do punktu głównego zdjęcia.
Wynika ona z różnego powiększania obrazów obiektów leżących w różnych odległościach kątowych od osi optycznej obiektywu (Sitek, 1992). Zwiększenie wartości dystorsji radialnej, spowodowanej refrakcją światła w atmosferze, osiąga wartości do 15 µm w odległości 160 mm od punktu głównego zdjęcia. Błąd tej wielkości występuje na zdjęciach terenów górskich wykonanych z wysokości ponad 9000 m, przy różnicy wzniesień dochodzącej do 1500 m (Sitek, 1990). Przesunięcie wielkości 15 µm odpowiada 3/5 wymiaru liniowego piksela obrazu cyfrowego, zeskanowanego z rozdzielczością 1000 dpi.
