I - WAT KUNNEN WE OBSERVEREN EN HOE?
1- ELEKTROMAGNETISCHE STRALING
Licht is een vorm van straling: energie die zich voortbeweegt als elektromagnetische (EM) golven. We kunnen deze energetische golven beschrijven aan de hand van :
- de golflengte (λ), uitgedrukt in meter;
- de frequentie (ν), d.w.z. het aantal oscillaties per tijdseenheid, uitgedrukt in hertz;
- de energie (E), voorgesteld door de amplitude van de golf, uitgedrukt in elektron volt.
Een elektromagnetische golf wordt gekenmerkt door de golflengte (afstand tussen twee opeenvolgende pieken), de frequentie (aantal cycli per seconde) en amplitude (signaalsterkte). Bron oorspronkelijke afbeelding: Quizlet.com.
Deze drie grootheden om EM straling te beschrijven hebben een exact mathematisch verband. Zo zijn λ en ν omgekeerd evenredig en gerelateerd aan de snelheid waarmee de golven zich voortplanten in een bepaald medium. In een vacuum is dat de lichtsnelheid (c).
λ.ν=c
De energie die een golf bevat staat dan weer rechtstreeks in verband met de frequentie volgens de constante van Planck (h):
E=h.ν
h = 6,626×10-34 J.s
Langere golven hebben een lagere frequentie en zijn dus minder energetisch dan kortere golven, die een hogere frequentie hebben. Je kan dit intuitief aanvoelen door je een springtouw voor te stellen dat aan elk uiteinde door iemand op en neer bewogen wordt. Het zal je meer moeite (en dus meer energie) kosten om meer golven in het touw te bekomen.
Voorstelling van een eenvoudige harmonische beweging (sinusgolf). Bron: Wikimedia Commons
Maar waarom gebruiken we dan drie verschillende grootheden (λ, ν, E), elk met hun eigen fysische eenheid, om dezelfde golf te beschrijven? Dat heeft alles te maken met de toepassing.
Er zijn veel verschillende soorten straling. Wetenschappers kiezen de grootheden die het makkelijkst te hanteren zijn voor de soort straling die ze bestuderen. Als jij de afstand naar de bakker wil aangeven, gebruik je toch ook kilometer of meter en niet centimeter of millimeter? Zo zullen radio-astronomen vaak spreken van frequenties (GhZ, KhZ), teledetectie-specialisten van golflengten (micrometer -µm of 10-6 m- of nanometer -nm of 10-9 m), terwijl astronomen die gammastralen bestuderen eerder gebruik zullen maken van elektron volt.
Welke verschillende soorten elektromagnetische straling zijn er nu en welk deel van dat brede spectrum is van belang voor teledetectie?
Het electromagnetisch spectrum. Bron: Electromagnetic Waves & Electromagnetic Spectrum, Mini Physics gewijzigd door KMI modifée par l'IRM.
Het hele bereik van straling volgens golflengte, frequentie of energie wordt het "elektromagnetische spectrum" genoemd.
Voor ons mensen is een klein deel van dit spectrum van bijzonder belang voor onze dagelijkse waarneming: het zichtbaar licht, waarvan de golflengte varieert tussen 0,4 μm en 0,7 μm. Onze ogen interpreteren deze verschillende golflengtes als kleuren, variërend van blauw (± 0,45 μm) over groen (± 0,55 μm) tot rood (± 0,65 μm).
Als we de rest van het spectrum opdelen volgens golflengte kunnen we nog andere gebieden onderscheiden. Korte golven, zoals gammastralen en röntgenstralen (< 0,03 μm), zijn het meest energiek. Radiogolven zijn relatief gezien erg lang (> 1 m) en zenden daarom ook minder energie uit. Voor aardobservatie wordt voornamelijk gebruik gemaakt van het zichtbare licht en van bepaalde delen van het infrarood en het microgolfbereik.
Verticaal gepolariseerde elektromagnetische golf: het elektrische veld (in rood) en het magnetisch veld (in blauw) staan haaks op elkaar en loodrecht op de voortplantingsrichting. Bron:: Wikimedia Commons
Naast de golflengte of frequentie kunnen is er nog een ander kenmerk: polarisatie. Polarisatie is het vlak waarin de golf zich voortplant. Met andere woorden, dit is het vlak waarin de hieronder afgebeelde sinusoïde is getekend. We spreken van lineaire polarisatie wanneer dit vlak wordt gefixeerd langs de voortplantingsrichting van de golf. Als dit vlak verandert tijdens de voortplanting, krijgen we te maken met een circulaire of elliptische polarisatie.