I - WAT KUNNEN WE OBSERVEREN EN HOE?
3- HOE INTERAGEERT EM STRALING MET OBJECTEN OP AARDE?
Bij passieve teledetectie nemen sensoren de straling waar die uitgezonden wordt door de zon en die daarna gereflecteerd wordt door het aardoppervlak. Interacties met de atmosfeer en de objecten op het aardoppervlak veranderen echter de kenmerken van de straling voordat die bij de sensor terechtkomt.
De deeltjes en gassen waaruit de atmosfeer samengesteld is kunnen immers invallende straling afbuigen of blokkeren. In het eerste geval spreken we van diffusie omdat de golven meerdere keren worden gereflecteerd en in alle richtingen worden gestuurd. Het tweede geval komt neer op absorptie van golven door bestanddelen van de atmosfeer. Zo absorbeert de ozonlaag, gelegen in de stratosfeer, een groot deel van de UV-stralen, die uiterst schadelijk zijn voor de mens.
Alle invallende golven, ongeacht hun golflengte, interageren door resonantie met objecten van dezelfde grootteorde. Deze resonantie induceert een rotatie of trilling van de moleculen, met warmteafgifte tot gevolg.
In het zichtbare domein (λ = 0,4 μm tot 0,7 μm) zijn de "objecten" waarmee de golf interageert de elektronen van de buitenste elektronenschillen van de aangetroffen atomen. Dit zijn de zogenaamde valentie-elektronen die van belang zijn voor chemische bindingen. In het infrarood (λ = 0,7 μm tot 0,1 mm) is er interactie met atomen of moleculen in hun geheel.
In verhouding tot microgolven (λ = 1 mm tot 1 m) zijn individuele objecten op aarde dan weer relatief klein (bvb. bladeren van bomen, takken, een raamrand, kiezels, ...) en daarom is radar onder andere gevoelig voor de ruwheid en de structuur van het oppervlak. Of we in teledetectie een object of oppervlak als “ruw” of “glad” moeten beschouwen is dus eigenlijk relatief ten opzichte van de golflengte.
Straling en de atmosfeer
Wanneer straling een object bereikt, kan het een deel ervan absorberen en een deel reflecteren. In ieder geval zullen de eigenschappen van de elektromagnetische straling worden veranderd, maar de totale energie blijft behouden. De som van de gereflecteerde, geabsorbeerde en doorgestraalde energie is dus altijd gelijk aan de invallende energie.
De gereflecteerde straling is vooral interessant voor teledetectie omdat ze direct meetbaar is en ons iets vertelt over het reflecterende object. Door gedeeltelijke reflectie van het invallend zonlicht nemen we voorwerpen waar in verschillende kleuren. We kunnen echter niet al het gereflecteerde licht zien. Het nabije en midden infrarood bijvoorbeeld, dat sterk gereflecteerd wordt door planten, is voor ons menselijk oog onzichtbaar. Gelukkig kunnen de sensoren die we gebruiken voor teledetectie dit wel vastleggen.
Absorptie van energie zorgt dan weer voor opwarming en uitstraling onder de vorm van thermisch infrarood. Dat is onzichtbaar voor onze ogen, maar vaak wel voelbaar en ook detecteerbaar met sensoren.
De invalshoek van de straling en de ruwheid van het oppervlak kunnen de reflectie beïnvloeden. Er wordt onderscheid gemaakt tussen diffuse reflectie (op een ruw oppervlak) en spiegelende reflectie (op een glad oppervlak, zoals een spiegel).
Verstrooiing van het radarsignaal. Bron: Lillesand & Kiefer 2008
Bij spiegelende reflectie wordt de inkomende straling gereflecteerd in een dominante richting, meer bepaald gespiegeld volgens de invalshoek t.o.v. de normaalvector op het invalspunt. Als deze straling afkomstig is van een radar aan boord van een vliegtuig of satelliet (actieve teledetectie), dan zal de sensor het uitgezonden signaal bijgevolg niet kunnen waarnemen. Indien er daarentegen een ander spiegelend vlak zich loodrecht naast het invalsvlak bevindt, dan zal de gereflecteerde golf dezelfde richting hebben door de dubbele spiegeling en net maximaal door de sensor waargenomen worden.
Naarmate de ruwheid van het oppervlak toeneemt en er een grote variëteit aan terugekaatste golven ontstaat, zal ook het aantal verschillende richtingen waarin deze weerkaatst worden toenemen. Dit is diffuse reflectie.
Bij volumeverstrooiing tenslotte wordt de straling in een medium doorgegeven van het ene component naar het andere, waardoor er meervoudige verstrooiing is. In de natuur gedragen boomkruinen, diep droog zand en sneeuw zich bijvoorbeeld typisch als volumeverstrooiers van microgolfstraling.
Bron: Images de synthèse
Bij radargolflengten is naast de ruwheid en de lokale helling, ook de elektrische permittiviteit van het object van belang. Dit is de eigenschap van een materiaal om elektrische energie op te slaan, gekenmerkt door de diëlectrische constante. Hoe lager die is, hoe dieper de golf kan doordringen in het materiaal en hoe minder ze dus gereflecteerd wordt. Water heeft een hoge diëlektrische constante van ongeveer 80, in vergelijking tot droge natuurlijke materialen met een diëlektrische constante van 3 tot 8. De intensiteit van het signaal dat door het aardoppervlak terug gereflecteerd wordt in de richting van de sensor (het zgn. backscattered signaal) zal bijgevolg ook beïnvloed worden door het bodemvocht. Hoe natter een bodem is, hoe hoger de intensiteit van de backscatter zal zijn. Omgekeerd, hoe droger de grond of het bladerdak, hoe meer de golf de omgeving kan binnendringen, hoe minder er gereflecteerd wordt en hoe zwakker de backscatter is.