University of Pavia Telecommunications and Remote Sensing Laboratory

Radiazione Elettromagnetica

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La radiazione elettromagnetica

• Il telerilevamento sfrutta (generalmente) la possibilità dirilevare la radiazione elettromagnetica emessa o riflessa da unoggetto.

• La radiazione elettromagnetica (di cui la luce è un esempio) èun’onda che si propaga nel vuoto o nei materiali, con unavelocità prossima o uguale a 300000 Km al secondo.

• Tale onda è costituita da un campo di forza elettrica emagnetica (elettromagnetica) oscillante (= i cui valoricambiano nel tempo).

• Il tutto è descritto da una serie di equazioni matematiche, le “Equazioni di Maxwell”.

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Lo spettro elettromagnetico

• Gli atomi di cui è composta la materia emettono energiasotto forma di “fotoni”, secondo la formula

Ogni atomo (e quindi ogni materiale) ha frequenzecaratteristiche.L’insieme di queste possibili frequenze rappresenta lo“spettro elettromagnetico”.

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Caratteristiche della radiazioneelettromagnetica

• Lunghezza d’onda (λ): distanza tra due massimi o due minimi di un’onda

• Frequenza (ν): numero di onde complete che passano per un puntonell’unità di tempo

• Periodo (T): tempo necessario affinché un’onda completa passi per unpunto

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Caratteristiche della radiazioneelettromagnetica

E = energia del singolo fotoneh = costante di Planck (6.3x10-34 J s-1)E = h ν

c = velocità della luce nel vuoto (3x108 m s-1)ν = c / λ

Più bassa è la frequenza, piùbassa è l’energia!

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(Una parte del)lo spettro elettromagnetico

Visibile (0.4 – 0.7 µm)

blu: 0.455 – 0.492 µmverde: 0.492 – 0.577 µmgiallo: 0.577 – 0.597 µmrosso: 0.622 – 0.700 µm

Infrarosso vicino (0.7 – 3 µm)

Infrarosso medio (3 – 6 µm)

Infrarosso termico (6 – 20 µm)

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Lo spettro elettromagnetico

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Le sorgenti di radiazione elettromagnetica

Tutti i corpi con temperatura superiore a 0°K emettono radiazioniche coprono porzioni di spettro variabili in funzione dellalunghezza d’onda. L’energia totale emessa per unità di superficieviene detta eccitanza, quando riferita a tutto lo spettro, eccitanzaspettrale quando relativa ad una specifica lunghezza d’onda.

Mλ = eccitanza spettralea = 3.742 x 10-16 W m2

b = 1.4388 x 10-2 m Kλ = lunghezza d’onda (m)T = temperatura in °K

Legge di Planck

1ea

M )T/b(

5

−=

−

λλ

λ

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Le sorgenti di radiazione elettromagnetica

All’aumentare della temperatura, aumenta l’intervallo delle radiazionielettromagnetiche emesse e la quantità totale di energia mentrediminuisce la lunghezza d’onda relativa al picco di massima eccitanza.

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Le sorgenti di radiazione elettromagnetica

L’eccitanza totale è descritta dall’equazione di Stefan-Boltzmann,ottenuta integrando su tutto lo spettro l’equazione di Planck:

σ = costante di Stefan-Boltzmann (5.67 x 10-8 W m-2 K-4)T = temperatura in °K

M = σ T4

ATTN: corpo nero!

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Le sorgenti di radiazione elettromagnetica

Curve dell’eccitanza di due corpi con temperature approssimativamentesimili a quelle del Sole e della Terra

3µm

Energia da radiatori perfetti

Sole: VIS, NIR. Relativamente trascurabile a 10 µm

(attenuazione per dispersione non considerata R-2)

Incendio: massimo a 3 – 5 µm

Terra: massimo a 10 – 12 µm

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“Diversi” infrarossi?

L’infrarosso vicino (NIR) si comporta come la radiazionevisibile, viene riflesso dalla superficie terrestre e puòessere rilevato da speciali pellicole fotografiche. Vienechiamato anche infrarosso riflesso.

L’infrarosso medio e termico viene emesso anche dallasuperficie terrestre e per questo viene detto ancheinfrarosso emesso.

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La radiazione elettromagnetica emessa dal Sole

Sulla superficie terrestre arriva solo una parte dell’energia emessa dal Sole;l’atmosfera svolge una funzione di filtraggio

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Dall’oggetto al sensore

• Cosa succede alla radizione riflessa dall’oggetto mentre sene va dall’oggetto al sensore?

• Diffusione• Riflessione• Assorbimento• Trasmissione

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Diffusione della “luce”

• Il tipo di diffusione dipende da:– il tipo dei diffusori (in funzione della radiazione)– il numero di eventi di diffusione (se la radiazione viene diffusa una

volta o molte volte)– la composizione dei diffusori:

• la diffusione in un solido trasparente per mezzo di oscillazioni (fononi) sichiama “diffusione di Brillouin”

• la diffusione in cui la lunghezza d’onda non cambia si chiama “diffusionedi Rayleigh”

• La causa primaria della diffusione è la differenza di indice dirifrazione tra il diffusore e il suo intorno.

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Diffusione “singola”

Il grafico mostrala quantità dipotenza diffusaal variare delledimensioni dellaparticellarispetto allalunghezza d’ondadella radiazioneincidente

Più

pote

nza

diff

usa

Particella più grande rispetto a λ

Cosa accade nel rettangolo rosso?

α è proporzionale al rapporto tra la dimensione media e la λ

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Più

pote

nza

diff

usa

Diffusione di Rayleigh

• Nel rettangolo rosso la potenza diffusacresce con la quarta potenza delladimensione della particella:– a dimensione fissa della particella, i valori

più alti di α si hanno per valori inferiori diλ, e si ha dunque maggior diffusione perfrequenze più alte (il che spiega perché ilcielo sereno appare azzurro);

– a λ fissato, si ha grande diffusione solo per particelle grandi (questo spiega perché i sistemi che operano nelle microonde “vedono” attraverso le nuvole).

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Diffusione geometrica

• Se la dimensione della particella è molto grande rispetto a λ (α> 50) allora la particella diffonde in maniera più semplice,secondo le leggi dell’ottica geometrica.

• Un esempio di diffusione di questo tipo è la riflessione. Lariflessione è un processo coerente, il che significa che laradiazione riflessa mantiene molte delle informazioni e delleproprietà della radiazione incidente.

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Diffusione multipla

• La diffusione multipla avviene quando ci sono moltissimeparticelle e moltissime diffusioni in tutte le direzioni.

• Nel caso di diffusioni multiple da molti oggetti,normalmente tutta la radiazione incidente viene diffusa

indipendentemente dalla lunghezza d'onda (il che spiega il colore bianco delle nuvole)

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Assorbimento

• Nel caso in cui il la radiazione venga assorbita e riemessa adun’altra lunghezza d’onda, si parla di assorbimento.

Trasmittanza dell’atmosfera terrestre

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Trasmissione

• In caso di assenza dei fenomeni di diffusione, riflessione edassorbimento, si ha trasmissione della radiazione.

• Si noti che spesso materiali che sono trasparenti ad unafrequenza non lo sono ad altre.

Bisogna tener conto anchedelle finestre di trasmissioneper studiare un oggetto!

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Bilancio di energie

L’energia della radiazione incidente su di una determinata superficie puòdunque essere assorbita, riflessa o trasmessa:

Ri = Ra + Rr + Rt

Dato un intervallo dello spettro, si definiscono assorbanza, riflettanza etrasmittanza spettrale i valori di queste energie per unità di lunghezzad’onda su quell’intervallo, riferiti alla energia dell’onda incidente.

In altre parole, la riflessione (quello che vediamo) è la differenza traquanto incide e quanto viene assorbito o trasmesso.

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La curva di riflettanza

Curva di riflettanza: descrive l’andamento della riflettanza per una datasuperficie nell’intervallo spettrale 0.4 – 2.5 µm.

Chiaramente la curva di riflettanza di una superficie varia molto infunzione delle condizioni ambientali (periodo dell’anno, condizione fisicae chimica della superficie) e di ripresa (geometria Sole – superficie –sensore).

E’ possibile disegnare delle curve di riflettanza media che, pur avendovalore indicativo in quanto soggette alle variazioni appena descritte,possono dare delle informazioni importanti sul comportamento dellesuperfici in esame.

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Oggetti speculari o Lambertiani?

• Conta moltissimo non solo il materiale,ma anche la rugosità superficiale dellostesso, secondo le leggi della diffusione.

• Un materiale si dice avere una“superficie Lambertiana” se diffondeuniformemente in tutte le direzioni.

• Un materiale è un riflettore perfetto, se èperfettamente liscio (alla lunghezad’onda del materiale incidente)

• I materiali reali stanno ovviamente ametà strada

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La curva di riflettanza della vegetazione

1 - acqua

chiara

Con sedimenti ?

2 - vegetazione

assorbimento acqua

medio infrarosso

NIR – struttura cellulare

VIS - clorofilla

3 - suolo

1.4, 1.9, 2.7 µm

umidità

Assorbimento acqua

High Resolution Visible Imaging System

Advanced Very High Resolution Radiometer

Thematic Mapper

Multispectral Scanner

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La curva di riflettanzadi diversi suoli nudi a

differente contenuto diumidità

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La curva di riflettanza dell’acqua

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Confronto tra curva di riflettanza dellavegetazione e curva di assorbanza dell’acqua