I - WAT KUNNEN WE OBSERVEREN EN HOE?
2- WAAR KOMT STRALING VANDAAN ?
Strikt genomen stralen we allemaal! Inderdaad, elk object zendt elektromagnetische energie uit onder de vorm van straling vanwege de agitatie van geladen deeltjes die in alle materie aanwezig zijn. Als een atoom of molecule energie verliest, dan zendt het een foton uit dat exact evenveel energie bevat als wat er verloren ging. Deze energie wordt dus uitgezonden door objecten, maar kan ook worden overgedragen, geabsorbeerd en gereflecteerd door die objecten en dat in verschillende verhoudingen, afhankelijk van de aard van de objecten en de golflengte van de straling.
De belangrijkste stralingsbron voor ons op aarde is natuurlijk de zon. De intensiteit van zonnestraling varieert afhankelijk van de golflengte maar ook van de hoogte van de zon aan de hemel volgens de tijd en seizoenen. Naarmate zonnestraling de atmosfeer binnendringt, absorberen gassen en stof sommige golflengten en dempen ze andere. Uiteindelijk wordt het deel van het aardoppervlak dat we met de camera’s en sensoren in onze satellieten, vliegtuigen of drones willen vastleggen dus verlicht met een zonnespectrum dat reeds gefilterd werd door het absorptiespectrum van de atmosfeer.
Spectrum van zonnestraling voor een theoretisch “zwart lichaam” dat alle straling absorbeert (geel), aan de top van de atmosfeer (oranje) en op zeeniveau bij gemiddelde breedtegraad (zwart/regenboog). Bron: Wikimedia commons
De zon straalt licht uit in nagenoeg elk deel van het elektromagnetisch spectrum, maar de hoogste intensiteit bevindt zich in het ultraviolette (UV) gedeelte, het hele zichtbare bereik (wat resulteert in "wit licht") en het infrarood (nabij-infrarood tot thermisch infrarood). Zoals we bovenstaande hebben gezien, wordt een deel van de zonnestraling dat de aarde bereikt, geabsorbeerd door de atmosfeer. Gelukkig maar, want zeer energetische straling zoals UV is schadelijk voor de mens. Andere straling wordt dan weer verstrooid door de atmosfeer, zoals bv. sommige delen van het blauwe licht (wat de blauwe kleur van de hemel verklaart).
Het licht dat uiteindelijk het aardoppervlak bereikt, wordt gereflecteerd of geabsorbeerd, al naargelang de eigenschappen van het materiaal of object in kwestie. De aarde straalt in die zin dus zelf geen licht uit, maar reflecteert een deel van het invallend zonlicht. Het geabsorbeerde licht warmt deels de aarde op en wordt terug uitgestraald als thermisch infrarode straling. Thermisch infrarood is trouwens niet de enige straling die de aarde uitzendt. Sommige toepassingen van teledetectie maken bv. handig gebruik van uitgezonden microgolven met relatief lage energie, bv. om zee-ijs te detecteren. Net zoals de zon zendt de aarde dus zelf ook straling van bepaalde golflengten uit, maar uiteraard in veel mindere mate.
Bron oorspronkelijke afbeelding: Wikimedia Commons,(EPA image - Electromagnetic spectrum.png en Electromagnetic spectrum with sources.svg) en Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks, Light Sensitivity
Dan zijn er ook nog de kunstmatige stralingsbronnen die hun oorsprong vinden bij menselijke activiteiten: kunstlicht, radiogolven, microgolven (van gsm masten bv.). Er zijn aardobservatiesensoren die specifiek gebruikt worden voor het detecteren van kunstmatige lichtbronnen tijdens de nacht. Dergelijke toepassingen maken het mogelijk om menselijke nederzettingspatronen en economische activiteiten te bestuderen.
Met teledetectie proberen we de atmosfeer, het oppervlak van de aarde en de oceanen te bestuderen en kaarten te maken, veranderingen te detecteren, ecosystemen te volgen... We proberen daarom de eigenschappen van bepaalde oppervlakken of doelobjecten te bepalen met behulp van sensoren. Deze toestellen kunnen de weerkaatsing van waargenomen oppervlakken in bepaalde delen van het elektromagnetisch spectrum waarnemen, wat vervolgens omgezet kan worden in een beeld. De objecten die we willen waarnemen moeten dus straling uitzenden of reflecteren, naar hun verschillende fysische of chemische eigenschappen, om ons toe te laten ze te detecteren en analyseren .
Indien we straling waarnemen die uitgezonden of gereflecteerd wordt door de objecten zelf spreken we van passieve waarnemingen of passieve teledetectie. We kunnen het aardoppervlak ook zelf “verlichten”. Het klinkt misschien vreemd dat we een zaklamp zouden plaatsen in een vliegtuig of satelliet, maar in feite komt het er wel een beetje op neer. Alleen straalt onze “zaklamp” geen zichtbaar licht uit maar microgolven en noemen we dit in de praktijk “radar”. Deze microgolven geraken feilloos door dikke wolkendekken en “bestralen” zo het aardoppervlak waarna ze, net zoals zonnestraling, deels gereflecteerd worden naar onze sensor die ze vastlegt. Deze vorm van teledetectie noemen we “actieve teledetectie”.
Beide systemen, actief of passief, hebben hun voor- en nadelen. Een passief systeem heeft een externe bron van verlichting nodig, in dit geval de zon. Daarom werkt het niet 's nachts of wanneer er bewolking is. België bevindt zich bv. ongeveer 70% van de tijd onder volledige of gedeeltelijke bewolking. Omdat observaties alleen overdag mogelijk zijn, worden observatieperioden gemiddeld teruggebracht tot 15% van de totale tijd.
Naast deze beperking van de mogelijke observatietijd zijn er gelukkig ook voordelen. Omdat het volledige door de atmosfeer gefilterde zonnespectrum beschikbaar is, is het golflengtebereik waarin waarnemingen mogelijk zijn zeer breed. Verschillende delen van het elektromagnetische spectrum kunnen daarom worden gebruikt. Wanneer deze spectrale “banden” breed en discontinu zijn, worden de gegevens multispectraal genoemd; wanneer deze banden smal en aaneengesloten zijn, worden ze hyperspectraal genoemd.
Een ander voordeel van deze passieve instrumenten is dat ze weinig of geen energie verbruiken. Passieve sensoren zijn daardoor goedkoper, maar ook lichter en dus beter geschikt voor observatie door drones.
Passieve teledetectie en actieve teledetectie - Bron: Wikipedia
Actieve instrumenten hebben daarentegen geen last van beperking van het waarnemingsmoment. Ze zenden uit en observeren dag en nacht, bij helder of bewolkt weer. Bovendien kan de gebruikte golflengte gekozen worden bij het ontwerpen van de zender. We kunnen dus een golflengte selecteren die weinig of niet vertegenwoordigd is in het zonnespectrum en weinig wordt beïnvloed door het absorptiespectrum van de atmosfeer om zelfs op bewolkte dagen waarnemingen te kunnen doen. Dit is het geval bij radarsensoren die uitzenden in het microgolfdomein.
Een belangrijk nadeel van zogenaamde “transceiver”-instrumenten is dat ze zwaarder en energie-intensiever zijn; ze worden daarom aan boord geplaatst van vliegtuigen of op satellietplatforms die zijn uitgerust met grote zonnepanelen.
Bovendien zullen de waarnemingen beperkt blijven tot de gekozen golflengte. Om informatie op een andere golflengte te verkrijgen, is een tweede instrument nodig.