Reflectivitatea. Capacități de reflexie și absorbție ale rocilor

Reflexivitatea rocilor depinde de compoziția mineralogică, compoziția materialului, natura genetică și, în consecință, este caracteristica lor de diagnostic pentru DMI.

Această imagine a insulei Bathurst din Canada a fost făcută de RADARSAT pe 21 martie 1996. Cea mai remarcabilă caracteristică a acestor imagini este afișarea uimitoare a caracteristicilor geologice din ele. Punctul întunecat din centrul imaginii (A) este Golful Bracebridge, care mărginește Oceanul Arctic la vest de zona în cauză. Din acest golf se întinde spre est o vale largă, numită Pasajul Ursului Polar.

Geologia insulei Bathurst se caracterizează prin cheile sale remarcabile șerpuitoare. Cei câțiva kilometri de sus de roci cu mai multe niveluri sunt deformați într-o serie de depresiuni care sunt clar vizibile în imaginea RADARSAT.

Culorile deschise din această imagine (C) reprezintă depozite de calcar, iar culorile închise (B) reprezintă depozite de rocă. Granițele dintre aceste două medii sunt determinate cu precizie și ușor din imagine.

Printre primele lucrări care au prezentat luminozitatea spectrală a suprafețelor de rocă și au demonstrat importanța măsurătorilor eșantionului lor pentru interpretarea fotografiilor aeriene a fost publicarea lui Ray și Fisher. Pe baza experimentelor, ei au descoperit că diferențele de litofacie dintre rocile dintr-o anumită zonă de peisaj nu sunt întotdeauna contrastante și, prin urmare, nu pot fi întotdeauna reidentificate cu încredere pe o fotografie aeriană realizată pe un film pancromatic normal alb-negru. Acești cercetători căutau o tehnică de imagistică și procesare care să folosească mai bine reflectivitatea și absorbtivitatea. diverse tipuri roci și, prin urmare, obțineți date secundare îmbunătățite de contrast pentru anumite soiuri de roci în fotografiile aeriene alb-negru. Ray și Fisher căutau un canal spectral, respectiv o gamă de lungimi de undă, în care reflectivitatea anumitor soiuri de roci să fie cea mai diferită. Folosind un colorimetru, ei au examinat reflectanța probelor proaspete și deteriorate de șist, calcar și gresie din New Mexico. Ei au determinat modul în care reflectivitatea unei suprafețe individuale de rocă se schimbă și, pe baza acestor date, au trasat reflectanța pe tot spectrul. Forma și poziția curbei pe ea arată câte procente din energia fluxului de lumină a fost reflectată de la suprafața rocii într-un anumit interval de lungimi de undă (Fig. 6 și 7).

Orez. 6. Reflexia spectrală a patru tipuri de roci: gresie maro deschis (A), calcar gri (B), silt roșu (C) și gresie gri (D)

În general, reflectivitatea rocilor studiate scade odată cu scăderea lungimii de undă (Fig. 6).

Dacă comparăm poziția curbelor spectrale individuale ale acestui grafic, putem determina:

1. zone ale spectrului în care curbele se apropie sau se intersectează;

2. regiuni spectrale sau zone spectrale în care reflectivitatea rocilor studiate este net similară;

3. zone spectrale în care curbele de reflexie ale diferitelor roci diverge clar unele de altele. În această zonă spectrală, tipurile de roci studiate reflectă fluxul de lumină incidentă cu cea mai mare diferență.

Acest lucru poate fi văzut și mai bine în Fig. 7, care arată curbele de reflexie ale pietrei de silt roșie (A) și ale calcarului cenușiu (B). În zona spectrală de 0,45-0,5 microni, precum și în zona de 0,65-0,7 kmk, diferența de reflectivitate a ambelor tipuri de roci este deosebit de clar exprimată. În zona de 0,45-0,5 microni (albastru), calcarul (5) reflectă fluxul de lumină incident pe ea mult mai puternic decât siltitra roșie (A). Spre deosebire de aceasta, în zona de 0,65-0,7 µm (roșie), reflexia siltstone roșii (A) este mult mai mare decât cea a calcarului (B). În zona de 0,575 µm, reflectivitatea ambelor roci este aceeași și aici se intersectează curbele spectrale.

Orez. 7. Reflexia spectrală a două tipuri de roci: siltstone roșu (A) și calcar gri degradat (B (Ray R.G., Fisher W.A., 1960)

În acest exemplu se dovedește că: a) diferența de reflectivitate a două tipuri de roci într-un anumit interval de lungimi de undă sau o parte a spectrului este mai pronunțată decât în ​​altele; b) raportul dintre reflectivitățile a două tipuri de roci din domeniul vizibil poate fi inversat; c) caracteristicile spectrale ale diferitelor roci dintr-un anumit interval de lungimi de undă pot fi similare sau identice.

Din analiza graficelor (Fig. 6) rezultă că diferențele de reflectivitate a două sau mai multe tipuri de roci din domeniul vizibil al radiației electromagnetice se pot modifica mai mult sau mai puțin. Astfel, în partea cu lungime de undă scurtă a spectrului, curbele de luminozitate spectrală ale gresie maro deschis (A), calcar gri (B) și gresie gri (D) sunt apropiate una de cealaltă. Rasele având culoare diferită, compoziția minerală și dimensiunea granulelor, au forme similare ale curbelor de luminozitate spectrală. Pe de altă parte, aceste trei soiuri de rocă reflectă fluxul de lumină incident asupra lor în partea albastră a spectrului mai puternic decât siltstone roșu (C). În partea roșie a spectrului (aproximativ 0,65-0,7 microni), gresia maro deschis (A) reflectă fluxul de lumină incident pe ea mai puternic decât calcarul gri (B), siltstone roșu (S) și gresia gri (D), care în această parte a spectrului se găsesc caracteristici spectrale similare.

Dacă, pentru a fotografia o zonă cu aflorimente de rocă de tipurile A și B, s-a folosit o combinație filtru-film, în care razele de o anumită culoare ar cădea prin filtru pe film, adică. lungimi de undă, de exemplu, albastru (0,4-0,5 µm) sau roșu (0,6-0,7 µm), atunci ar fi de așteptat ca într-o astfel de fotografie spectrozonală (zonală îngustă) să existe contraste puternice în nuanțe ton de gri se evidențiază noroiurile roșii (A) și calcarele gri (B). Într-o astfel de imagine, luată în zona albastră a spectrului, calcarele gri închis s-ar evidenția ca nuanțe mai deschise, iar noroiurile roșii ca nuanțe mai închise. Într-o fotografie aeriană realizată în zona roșie a spectrului, fototonurile s-ar schimba în sens opus, dar cantitatea de contrast dintre ele ar rămâne aceeași.

Dacă în razele zonei albastre a spectrului este fotografiată o zonă cu patru tipuri de roci identificate (Fig. 6), atunci pe fotografia aeriană aflorimentele de roci de tip C vor ieși cel mai mult în evidență. nuanță închisă ton de gri printre altele nuanțe deschise, corespunzând aparițiilor mai puternic reflectorizante ale altor tipuri de roci (A, B și D). Dacă combinația filtru-peliculă este adecvată pentru transmiterea razelor roșii, într-o imagine cu zona îngustă, aflorimentele de roci de tip A se vor evidenția în cele mai deschise tonuri dintre aflorimentele mai întunecate de această dată de roci de tip B sau C/D. Pe baza acestor informații și folosind combinații adecvate filtru-film, Ray și Fisher au obținut cele mai mari imagini de contrast ale diferitelor tipuri de roci în fotografiile aeriene. Cercetările lor au arătat, în primul rând, cât de importantă este tehnologia de topografie, intervalul spectral în care este cercetat terenul și care este determinat de caracteristicile spectrale (de fiecare dată proprii) ale materialelor sau mediului - suprafețele naturale și artificiale. obiecte de sondaj. Metodologia de cercetare și utilizarea datelor experimentale utilizate de Rey și Fisher au pus bazele dezvoltării care a început cu câțiva ani mai târziu decât dezvoltarea anchetelor multispectrale și a metodelor de procesare a datelor de teledetecție.

Pentru a selecta canalul spectral sau raza de fotografiere optimă și pentru a obține imaginea optimă la procesarea datelor de teledetecție, este necesar mai întâi să cunoaștem abilitățile de reflectivitate și absorbție ale materialelor de interes (obiectelor) în intervalul de lungimi de undă așteptat. În 1960-1970 Studiul acestor modele a implicat măsurători ale reflectivității (albedo) a celor mai importante minerale și roci în laboratoare, la sol, precum și din aeronave și sateliți. Cercetările au fost inițial limitate la măsurători în domeniul vizibil și în infraroșu apropiat al radiațiilor electromagnetice. Mai târziu, au început să studieze luminozitatea spectrală a mineralelor și rocilor în intervalul IR mijlociu, precum și emisivitatea (sau coeficienții) acestora. radiatii termice) acestea în intervalul de temperatură, sau termic, al radiației infraroșii.

Reflexivitatea celor mai importante minerale și roci din domeniul vizibil și al infraroșu apropiat din laborator a fost studiată pe larg de Hunt și colegii săi. Rezultatele cercetării lor au servit drept bază cea mai importantă pentru toate măsurătorile ulterioare ale caracteristicilor spectrale ale rocilor.

În condiții naturale, reflectivitatea, sau albedo, a suprafețelor naturale este determinată de influența unui număr de variabile care sunt doar parțial dependente de materialul de suprafață și parțial legate de influența. mediu. Mai precis, o comparație a datelor de măsurare de laborator și de teren a arătat că luminozitatea spectrală a acelorași tipuri de roci variază în funcție de dimensiunea ferestrei sau a fantei spectrometrului sau radiometrului, adică. câmp de măsurare în care se determină coeficientul de luminozitate spectrală al unui obiect. Dacă măsurătorile de laborator acoperă o suprafață de câțiva milimetri pătrați, atunci pentru un spectrometru de câmp sau radiometru câmpul de măsurare poate varia de la decimetri pătrați la metri pătrați, ceea ce depinde de datele tehnice ale dispozitivului și de tehnica de măsurare. Scanerul multispectral instalat la bordul satelitului Landsat acoperă o suprafață minimă de aproximativ 6000 de metri pătrați. În plus, suprafețele probelor măsurate în laborator sunt omogene. Suprafețele naturale care se încadrează în câmpul de măsurare al unui spectrometru, radiometru sau scaner instalat la bordul unei aeronave sau satelit sunt aproape întotdeauna eterogene, neomogene, datorită posibilelor diferențe de structură a suprafeței, variațiilor de compoziție minerală etc. S-a dovedit că odată cu modificări Conținutul de minerale feruginoase poate modifica strălucirea spectrală a suprafeței rocii, pe măsură ce se modifică formarea solului, tipul și compoziția vegetației de pe acesta. Luminozitățile spectrale ale suprafețelor de rocă care au fost obținute în timpuri diferite, în zone diferite și folosind diferite sisteme de măsurare și topografie, în funcție de scopul anchetei, este puțin probabil să fie comparate direct și contrastate între ele. În ciuda acestui fapt, datele existente din măsurătorile spectrale anterioare arată că diferențele relative în abilitățile de reflectivitate, absorbție și emisie ale celor mai importante tipuri de roci pot fi utilizate în studiile peisajului și în compilarea hărților tematice.

Rezultatele unor studii fundamentale ale caracteristicilor spectrale ale mineralelor și rocilor.

Watson a efectuat un studiu asupra a patru tipuri de roci într-una dintre văile statului. Oklahoma în condiții de laborator și de teren. A selectat mostre proaspete zdrobite de gresie de cuarț și granit, mostre de calcar, granit și dolomit deteriorate, precum și granite încrustate cu lichen. De fiecare dată s-a măsurat luminozitatea spectrală a mai multor probe diferite tipuri rase Pe baza datelor de măsurare, au fost construite grafice (Fig. 8a), care arată reflectivitatea rocilor (ca procent față de suprafața de referință, adică suprafața albă mată de referință).

Orez. 8a. Reflexia spectrală a suprafețelor proaspete și deteriorate ale diferitelor roci. (Reflectanța spectrală și proprietățile fotometrice ale rocilor selectate, de R. Watson, Remote Sensing of Environment, Vol. 2, 1972, pp. 95-100.)

1 – suprafata standard; 2 – gresie de cuarț (proaspăt ciobită); 3 – granit (proaspat tocat); 4 – granit acoperit cu lichen verde; 5 – calcar deteriorat; 6 – granit deteriorat; 7 – dolomit intemperii.

În majoritatea cazurilor, în partea vizibilă a spectrului, suprafețele proaspete, neintemperate ale granitelor reflectă radiația mai puternic decât suprafețele acelorași roci, dar deteriorate sau acoperite cu licheni. Suprafețele rugoase, acoperite cu intemperii, sunt mai puțin reflectorizante în toate intervalele de lungimi de undă.

În domeniul vizibil al undelor electromagnetice, suprafețele calcarelor degradate reflectă întotdeauna cea mai mare parte a radiației incidente mai puternic decât suprafețele dolomitelor deteriorate (Fig. 8a). Gresia de cuarț pe o fractură proaspătă, datorită suprafeței sale curate și uniforme, reflectă fluxul incident mult mai puternic decât alte tipuri de roci (Fig. 8a).

Watson subliniază că comparațiile dintre valorile reflectanței măsurate în laborator și pe teren pot fi doar aproximări. În primul rând, să reamintim că spectrometrul măsoară zone de diferite dimensiuni în laborator și în teren. Din acest motiv, sunt posibile diferențe puternice în valorile de reflexie măsurate. În plus, unghiul de iluminare în laborator este constant sau reglabil, dar în condiții naturale, în natură, unghiul de incidență razele solare se modifică în funcție de ora din zi și de an, ceea ce duce la iluminarea variabilă a obiectului. Diferite valori ale luminii naturale modifică intensitatea reflexiei spectrale a acelorași suprafețe în timpul zilei și în diferite perioade ale anului. Prin urmare, valorile luminozităților spectrale obținute în momente diferite prin măsurători la sol sau ca urmare a zborurilor zonelor de testare nu sunt comparabile sau condițional comparabile între ele.

Astfel, procesele geologice secundare (modificări hidrotermale ale rocilor, intemperii etc.), care pot fi asociate cu formarea zăcămintelor minerale, sau dezvoltarea unor fenomene moderne care complică situația geo-ecologică (zone nefavorabile pentru construcția de structuri inginerești, etc.), modifică semnificativ caracteristicile spectrale ale rocilor

Este utilizat pe scară largă în DMI. Caracteristicile spectrale ale rocilor se schimbă deosebit de puternic odată cu dezvoltarea mineralelor argilo-mica, carbonat și hidroxil și hidroxizi de fier.

Există numeroase exemple pozitive (fosta URSS, SUA, Franța etc.) de utilizare a DMI în versiunile aeriene și spațiale ca metode directe de căutare a zăcămintelor de cupru, uraniu, aur și alte minerale.

O altă comparație a reflectivității suprafețelor de rocă proaspătă și deteriorată: riolit, bazalt și tuf (Fig. 8b) indică o scădere a valorii reflectanței pe suprafețele deteriorate. După cum se poate observa din grafic, forma curbelor caracteristice rămâne aproape neschimbată, ceea ce poate fi explicat prin stabilitatea caracteristicilor spectrale ale anumitor tipuri de roci.

Orez. 8b. Reflectanța spectrală a suprafețelor de rocă proaspătă și deteriorată folosind exemplul de riolit (R), bazalt și tuf. (Abordarea multibandă a cartografierii geologice de la sateliți în orbită: este redundant sau vital? de R.J. Lyon, Remote Sensing of Environment, Vol. 1, 1970, pp. 237-244.

A – riolit; B – bazalt alterat hidrotermic; VT – tuf cu ametist; indice W eșantioane meteorizate.

Să luăm acum în considerare dependența cantitativă a luminozității spectrale a suprafețelor diferitelor tipuri de roci de densitatea vegetației care le acoperă. Aceste măsurători au fost efectuate pe teren cu un spectrometru cu o lățime a domeniului de măsurare de la 0,45 la 2,4 µm, adică de la radiația vizibilă la radiația infraroșie mijlocie (reflectată), de la o înălțime de aproximativ 1,3 m cu o suprafață de măsurare de​​​ aproximativ 200 cm2. Obiectele alese au fost suprafețele de andezit, bazalt, riolit, lavă (roșu-portocaliu), cuarț, trahiandezit (latit), calcar, șist roșu, moloz și sol limonitizat și argilizat, calcar silicificat și dolomit marmorizat cu limonit. Suprafețele fiecărui tip de rocă au fost acoperite cu o acoperire eterogenă de ierburi verzi de luncă și semințe de pin, precum și tufe de urs și salvie ofilită.

Influența densității acoperirii vegetației asupra reflectanței spectrale a andezitului, calcarului și solurilor meteorizate limonitizate aluminoase este prezentată în Fig. 10. Aceste grafice compară luminozitatea suprafețelor de roci neacoperite cu plante și suprafețele de roci acoperite cu vegetație (densitatea vegetației în câmpul de măsurare a spectrometrului este exprimată ca procent). După cum era de așteptat, efectul vegetației în spectrul fluxului de energie reflectat este clar exprimat doar pentru rocile cu albedo nesemnificativ. Deja la 10% ierburi de luncă, caracteristicile spectrale ale andezitului și calcarului sunt mascate de semnalul spectral al vegetației de luncă (Fig. 10, a). Chiar și cu o acoperire mică de vegetație, identificarea semnalelor spectrale ale acestor două tipuri de roci a fost dificilă.

Orez. 3.5. Efectul vegetației diferite tipurişi densităţi diferite asupra strălucirii spectrale a solului andezit, calcar şi argilos limonitizat cu fragmente de rocă alterată (sol pe crusta de intemperii): a - ierburi de luncă; b - desișuri de urs; c - desișuri de salvie uscată. Densitatea vegetației este prezentată ca procent pe fiecare grafic (Kronberg, 1988)

Vegetația în descompunere sau pe moarte oferă un efect de mascare redus sau deloc pentru semnalele spectrale ale substratului de bază. Acest lucru este evident dintr-o comparație a celor două grupuri de grafice considerate (cf. Fig. 10, a, b). Chiar și cu o densitate de acoperire de aproximativ 60%, trăsăturile spectrale ale solului subiacent sunt păstrate. Desigur, odată cu creșterea densității vegetației, albedo-ul calcarului și al solului aluminos limonitizat scade.

Vegetația uscată și ofilită modifică puțin natura spectrului de roci și sol. Reduce doar valoarea albedo.

Astfel, prezența (procentul de distribuție), natura (vie, uscată) și tipul vegetației (specii) au efecte diferite asupra caracteristicilor spectrale ale rocilor. Efectul este deosebit de puternic asupra rocilor caracterizate de albedo scăzut: andezite, calcare, argile și produse ale distrugerii lor.

Studiul caracteristicilor spectrale ale obiectelor naturale a contribuit la selectarea celor mai optime două intervale de lungime de undă: 1,2-1,3 și 1,6-2,2 microni, în care este posibilă căutarea mineralizării porfirului de cupru în roci intruzive, vulcanogene și sedimentare nealterate din zone secundare minerale și roci formate ca urmare a alterării hidrotermale.

În urma măsurătorilor de laborator, s-a constatat că anumite minerale care apar în zonele de roci alterate hidrotermic din apropierea depozitelor, de exemplu, minereurile de cupru porfir, au semnături spectrale specifice, în special în intervalul de lungimi de undă 2,1-2,4 microni. Aceste caracteristici pot fi utilizate pentru teledetecție. Astfel, caolinitul, montmorillonitul, alunitul și calcitul sunt recunoscute prin benzile lor caracteristice de absorbție a energiei înguste și largi în intervalul infraroșu mediu (Fig. 12). Pe baza ipotezei că folosind un radiometru cu zece canale cu un interval de măsurare de 0,5-2,3 microni va fi posibil să se găsească cel puțin roci de caolin sau carbonat pe baza caracteristicilor lor spectrale, au fost efectuate cercetări experimentale de la Naveta Spațială Columbia. Alături de măsurători în zone spectrale înguste specifice, au fost propuse măsurători într-o combinație specifică de zone sau canale pentru a dovedi capacitatea de a determina mineralele de interes. Cercetările efectuate pe locul de testare au dovedit eficiența combinației propuse a două canale; 1,6 și 2,2 microni. Prima dintre acestea este foarte importantă pentru detectarea grupărilor hidroxil în mineralele tipice zonelor de depozite alterate hidrotermic. Conform măsurătorilor efectuate în ambele canale, s-a putut face distincția între roci limonitizate, alterate hidrotermic și roci magmatice, în majoritatea cazurilor și cu limonitul, care se formează ca urmare a oxidării mineralelor fier-magneziu și a cristalizării sticlă. În plus, au fost descoperite roci alterate hidrotermic foarte albite, fără limonit, dacă acestea conțineau minerale cu grupa hidroxil OH-.

Orez. 12. Reflexia spectrală a unor minerale găsite în zonele de alterare hidrotermală din roci (conform măsurătorilor de laborator). Pentru determinarea mineralelor s-a dovedit a fi importantă poziţia benzilor de absorbţie spectrală: 1 – caolinit; 2 – montmorillonit; 3 – alunită; 4 – calcit.

Utilizarea intervalului de infraroșu mediu a devenit posibilă numai în ultimii ani datorită dezvoltării unor astfel de receptoare care au făcut posibile aceste măsurători. Diagramele de imagine tematice sunt obținute de scanerul multispectral al satelitului Landsat-4, care are un canal special de 2,2 μm conceput pentru cartografierea litofaciesului sau faciesului mineral.

Pe baza rezultatelor unuia dintre experimentele efectuate pentru rezolvarea problemelor geologice prin metode de la distanță, s-a ajuns la concluzia că spectrometria este eficientă în următoarele zone spectrale: 1,18-1,3; 4,0-4,75; 0,46-0,50; 1,52-1,73; 2,10-2,36 microni. Această concluzie se bazează pe rezultatele prelucrării datelor de la un loc de testare pe bucată. Utah. Măsurătorile au fost efectuate cu un scaner multispectral în timp ce zburau deasupra teritoriului sitului cu aflorimente de rocă expuse de principalele tipuri - sedimentare și intruzive, precum și cu zone ale modificărilor hidrotermale secundare ale acestora. Dimensiunea câmpului de măsurare pe suprafața rocii studiate a fost de aproximativ 0,24 km2. Pentru toate tipurile de roci, măsurătorile au fost efectuate pe 15 canale cu un interval între ele de 0,34-0,75 μm. Utilizând analiza discriminantă, au fost identificate zonele care au fost cercetate cel mai frecvent în toate soiurile de rocă, cu un contrast optim al soiurilor specifice de rocă față de alte tipuri. Înregistrarea zonelor identificate a fost destinată reexaminării și cartografierii diferențelor de litofacie. Scanerul multispectral utilizat a avut o rezoluție spectrală în domeniul vizibil de 0,04-0,06 µm, în domeniul IR apropiat de 0,05-0,26 µm și în domeniul termic de 0,25-0,36 µm. Doar unul dintre canalele spectrale ale acestui scaner a funcționat în același interval spectral ca și scanerele primilor sateliți Landsat - de la 0,4 la 1,1 microni, celelalte patru canale optime funcționau în regiunea de radiații cu unde lungi, infraroșii, importanța ceea ce a fost subliniat de exemplele de mai sus.

Studiile caracteristicilor spectrale ale rocilor nealterate si alterate din apropierea depozitelor de uraniu au stabilit un numar de zone spectrale: 1,25; 0,95; 2,20; 2,15; 1,75; 2,45; 2,10; 1,60; 1,55 și 0,75 microni, măsurători în care, efectuate în secvența specificată, sunt cele mai eficiente pentru separarea litofaciilor în zonele depozitelor de uraniu. Acest exemplu subliniază importanța sondajelor spectrale în zonele înguste strict limitate ale spectrului, în care metodele de teledetecție pot fi utilizate mai mult sau mai puțin eficient în lucrările de prospectare și explorare.

Luminozitatea caracteristică spectrală a rocilor depinde în mare măsură de dimensiunea ferestrei sau a fantei spectrometrului sau radiometrului, adică de câmpul de măsurare (viziunea). Cu cât câmpul este mai îngust, cu atât contrastele de luminozitate spectrală sunt mai mari, cu atât rezoluția terenului este mai bună. Acest lucru se datorează faptului că influența radiațiilor împrăștiate este redusă.

Rezoluție spațială - o valoare care caracterizează dimensiunea celor mai mici obiecte care se disting în imagine (găsiți exemple de fotografii cu roci).

Este important să se efectueze SIA în diferite părți spectru, unde diferitele proprietăți ale rocilor au caracteristici spectrale contrastante. Acest lucru se realizează prin utilizarea de scanere multispectrale care au o rezoluție spectrală: în domeniul vizibil - 0,04-0,06 microni; în domeniul infraroșu apropiat - 0,05-0,26 microni; în domeniul termic - 0,25-0,36 microni. În acest caz, fotografierea se efectuează simultan în cinci sau mai multe intervale (exemplu de imagini).

Radiația termică secundară a rocilor (emisia)

Alături de caracteristicile reflectării spectrale a suprafețelor rocilor și solului în intervalele vizibile și în infraroșu apropiat, în anii 1960 unii geologi erau interesați și de radiația termică secundară a rocilor, pe care sperau să o folosească în teledetecție.

Ca urmare a cercetărilor efectuate încă de la sfârșitul anilor 50, s-a constatat că forma curbelor de pe graficele radiației termice secundare a rocilor este strâns legată de compoziția minerală a rocilor, că se pot distinge roci silicate și nesilicate. prin spectrele radiației lor termice secundare în intervalul 8-13 µm și că, în final, rocile silicate de compoziție minerală diferită pot fi împărțite conform acelorași spectre. Semnul recunoașterii în toate cazurile a fost poziția minimelor pe graficele radiațiilor termice secundare ale rocilor.

Luați în considerare un grup de diagrame de energie de radiație termică secundară obținute din măsurători ale unor mostre grosiere, proaspete, zdrobite de granit din New England. Culoarea probelor individuale variază de la gri închis la maro, roz sau albăstrui. Dar diferența de culoare, conform lui Lyon și Green, nu afectează intensitatea radiației emițătorului. Măsurarea poziției energiei minime în grafice (Fig. 14) este cauzată de modificările compoziției minerale a probelor (modul chimic) de granite de cuarț (D și E) și granite alcaline feldspatice (F). Pentru comparație, sunt prezentate ambele minime din spectrul de emisie al cuarțului (Q).

Orez. 14. Emisivitățile spectrale ale suprafeței proaspete a granitelor cu granulație grosieră din New England. Q este minimul de emisie de cuarț, pentru comparație. Săgețile verticale arată unde emisia este egală cu 1.

În principiu, caracteristicile spectrale ale unei suprafețe de rocă sau sol sunt influențate de numeroși factori, atât dependenți de proprietățile suprafeței obiectului care se măsoară, cât și independenți de aceștia, dar legați de mediul și atmosfera acestuia. Cu toate acestea, pentru regiunile în care suprafețe mari ale teritoriului sunt lipsite de vegetație, de exemplu în regiunile aride, în munții înalți etc., scanerul de termoviziune acoperă suprafețe mari de roci expuse. Aici puteți folosi minimele de pe graficele radiațiilor termice secundare ale obiectelor, legate în mod natural de compoziția minerală a acestora, pentru a interpreta anumite diferențe de litofacie ale rocilor sau ale complexelor acestora. Această ipoteză a fost dovedită prin scanarea sondajelor termice a aeronavei: zone de roci expuse compoziție diferită cel mai mare contrast a fost redat în nuanțe de gri în două intervale: 8-9 și 9-11 microni. Cele mai mici valori ale acestui raport se găsesc în roci sau soluri care conțin cuarț sau plagioclază. Valorile mai mari ale acestui raport indică faptul că rocile sau solurile sunt sărace în cuarț și feldspați. Dar întrebarea finală despre optimitatea (și eficiența) utilizării acestor două intervale spectrale pentru studiul caracteristicilor litofaciale ale regiunilor pe baza datelor sondajului termic și influența asupra acestora a interferențelor atmosferice și a altor interferențe în timpul trecerii unui semnal către un receptor instalat la bord. un transportator - o aeronavă sau un satelit - nu a fost încă rezolvat. scena modernă cercetare.

Semne diagnostice rocile sunt în primul rând poziția minimelor și alte caracteristici ale graficelor, precum și raportul semnalelor spectrale din diferite game (8-9 și 9-11 μm, Fig. 3.6).

Orez. 3.6. Emisivitate spectrală a bazaltilor (A și B), monzonitului de cuarț (E și F) și granodioritului (I). Săgețile verticale arată unde emisia este egală cu 1, iar săgețile orizontale - 0,9. (Ljon, Green, 1975.)

Astfel, capacitatea de a efectua simultan spectrometrie în multe intervale spectrale critice (caracteristice), adică, este crucială pentru introducerea metodelor de sondaj cu scaner termic în cercetarea geologică. capacitatea de a efectua scanări termice multispectrale de la aeronave sau sateliți, precum și capacitatea de a procesa rezultatele pe computer și de a prezenta datele sub formă de imagini optimizate pentru contrast.

Astfel, radiatia termica secundara a rocilor este determinata de proprietatile fizice ale acestora: - conductivitate termica, densitate, capacitate termica specifica, difuzivitate termica, transfer de caldura (inertie de temperatura). La rândul lor, aceste proprietăți depind de material, mineralogic și compozitia chimica. Raportul dintre minerale de culoare închisă (fier-magneziu) și de culoare deschisă este deosebit de influent.

Acest lucru poate fi văzut în contrast prin modificarea coeficientului de radiație termică secundară (coeficientul de emisie) în timpul zilei și nopții (Fig. 2.5). Unele obiecte „par mai strălucitoare” ziua, altele noaptea. Momentul filmărilor este important. Orele dinainte de zori și de la amiază sunt cel mai de preferat.

Temperaturile de suprafață diverse materialeîn 24 de ore (Lowe, 1969). 1 – apă într-o băltoacă; 2 – pietriș; 3 – gazon cosit; 4 – beton; 5 – gazon; 6 – acoperișul casei

Prelucrarea computerizată a datelor scanerului termic și vizualizarea acestora (nuanțe gri sau pictura color) vă permit să obțineți imagini termice contrastante.

Fotografia cu scanare termică se realizează, de regulă, în mai multe dintre cele mai informative (caracteristice) game spectrale. Cercetările în domeniul infraroșu sunt de obicei efectuate împreună cu utilizarea domeniului vizibil, ceea ce face posibilă luarea în considerare a influenței puternice a zonelor de umbră (în timpul zilei) asupra rezultatelor fotografiei IR.

Procesarea cantitativă a datelor de sondaj multispectral, inclusiv scanere termice și radiometre, devine din ce în ce mai importantă în fiecare zi. Deja acum, teledetecția se bazează pe caracteristicile de temperatură ale solurilor, comunităților de plante sau rocilor atunci când se rezolvă problemele operaționale de monitorizare a mediului. Diferite proprietăți termice ale rocilor (Tabelul 1a) și diferiți coeficienți de radiație termică secundară sau coeficienți de emisie (Tabelul 1b) conduc la încălzire diferită în timpul zilei și răcire pe timp de noapte, care este determinată de contrastele de temperatură în variația zilnică a temperaturii, care este utilizată. în teledetecție .

Este important de subliniat aici că chiar și informațiile despre diferența relativă a temperaturilor de radiație ale suprafeței obiectelor pot fi decisive în interpretarea geologică a imaginilor, deoarece sunt posibile criterii de evaluare suplimentare care nu pot fi obținute prin fotografierea în domeniul vizibil al electromagnetice. valuri.

Tabelul 1a. Proprietățile termice ale diferitelor roci și ale apei la o temperatură de 20°C.

• Reflectivitatea este o mărime care descrie capacitatea oricărei suprafețe sau interfețe dintre două medii de a reflecta fluxul de radiație electromagnetică incidentă pe ea. Folosit pe scară largă în optică, este caracterizat cantitativ prin reflectanță. Pentru a caracteriza reflexia difuză, se folosește o cantitate numită albedo.

  Capacitatea materialelor de a reflecta radiația depinde de unghiul de incidență, de polarizarea radiației incidente, precum și de spectrul acesteia. Dependența reflectivității suprafeței corpului de lungimea de undă a luminii în regiunea luminii vizibile este percepută de ochiul uman ca culoarea corpului.

  Dependența reflectivității materialelor de lungimea de undă este importantă în construcția sistemelor optice. Pentru a obține proprietățile dorite ale materialelor pentru reflectarea și transmiterea luminii, optica este uneori acoperită cu un strat antireflex, cum ar fi, de exemplu, în producția de oglinzi dielectrice sau filtre de interferență.

Concepte înrudite

Refracţie(refracție) - o schimbare a direcției unei raze (undă) care are loc la limita a două medii prin care trece această rază sau într-un mediu, dar cu proprietăți în schimbare, în care viteza de propagare a undei nu este aceleaşi.

Grătar de fibre Bragg(FBG) este un reflector Bragg distribuit (un tip de rețea de difracție) format în miezul purtător de lumină al unei fibre optice. FBG-urile au un spectru de reflexie îngust și sunt utilizate în lasere cu fibră, senzori cu fibră optică, pentru a stabiliza și a modifica lungimea de undă a laserelor și a diodelor laser etc.

Fotometrie(greaca veche φῶς, cazul genitiv φωτός - lumină și μετρέω - măsoară) - o disciplină științifică comună tuturor ramurilor opticii aplicate, pe baza căreia se fac măsurători cantitative ale caracteristicilor energetice ale câmpului de radiații.

Spectroscopie de fotoluminescență- un tip de spectroscopie optică bazată pe măsurarea spectrului de radiații electromagnetice emise ca urmare a fenomenului de fotoluminiscență provocat în proba studiată, prin excitarea acesteia cu lumină. Una dintre principalele metode experimentale de studiere a proprietăților optice ale materialelor, în special micro- și nanostructurilor semiconductoare.

Pensete optice(Pensete optice engleze), uneori „pensete laser” sau „capcană optică” – un instrument optic care vă permite să manipulați obiecte microscopice folosind lumina laser (emisă de obicei de o diodă laser). Vă permite să aplicați forțe de la femtonewtoni la nanonewtoni la obiecte dielectrice și să măsurați distanțe de la câțiva nanometri la microni. În ultimii ani, pensetele optice au început să fie folosite în biofizică pentru a studia structura și principiul de funcționare...

Presiunea radiației electromagnetice, presiunea ușoară este presiunea exercitată de lumina (și de radiația electromagnetică în general) incidentă pe suprafața unui corp.

Clarificarea opticii- aceasta este aplicarea filmului cel mai subțire sau a mai multor straturi de pelicule unul peste altul pe suprafața lentilelor care mărginesc aerul. Acest lucru vă permite să creșteți transmisia luminii a sistemului optic și să creșteți contrastul imaginii prin suprimarea strălucirii. Valorile indicilor de refracție alternează ca mărime și sunt selectate astfel încât să reducă (sau să elimine complet) reflexia nedorită din cauza interferenței.

Interferența luminii- interferenta undelor electromagnetice (in sens restrans - lumina vizibila in primul rand) - redistribuirea intensitatii luminii ca urmare a suprapunerii (suprapunerii) mai multor unde luminoase. Acest fenomen este de obicei caracterizat prin alternarea maximelor și minimelor intensității luminii în spațiu. Tipul specific de astfel de distribuție a intensității luminii în spațiul sau pe ecranul în care cade lumina se numește model de interferență.

Luminescență(din latină lumen, gen luminis - lumină și -escent - sufix care înseamnă acțiune slabă) - strălucire non-termică a unei substanțe care apare după ce absoarbe energia de excitație. Luminescența a fost descrisă pentru prima dată în secolul al XVIII-lea.

Efectul Kerr, sau efectul electro-optic pătratic, este fenomenul de modificare a valorii indicelui de refracție al unui material optic proporțional cu pătratul intensității câmpului electric aplicat. Diferă de efectul Pockels prin faptul că modificarea indicatorului este direct proporțională cu pătratul câmpului electric, în timp ce acesta din urmă se modifică liniar. Efectul Kerr poate fi observat în toate substanțele, dar unele lichide îl prezintă mai puternic decât alte substanțe. Deschis în 1875 de scoțiani...

Spectroscopie în infraroșu apropiat(NIR spectroscopy, engleză near-infrared spectroscopy, NIR) este o ramură a spectroscopiei care studiază interacțiunea radiațiilor în infraroșu apropiat (de la 780 la 2500 nm, sau de la 12.800 la 4000 cm-1) cu substanțele. Regiunea infraroșu apropiat se află între lumina vizibilă și regiunea infraroșu mijlociu.

Oglinda dielectrica- o oglindă ale cărei proprietăți reflectorizante se formează datorită unui înveliș de mai multe straturi subțiri alternante din diverse materiale dielectrice. Folosit într-o varietate de instrumente optice. Cu o selecție adecvată a materialelor și a grosimilor straturilor, acoperirile optice pot fi create cu reflexia dorită la o lungime de undă selectată. Oglinzile dielectrice pot oferi reflectivitati foarte mari (așa-numitele superoglinzi), care oferă reflexie...

Reflector Bragg distribuit este o structură stratificată în care indicele de refracție al materialului se modifică periodic într-o direcție spațială (perpendiculară pe straturi).

Polarimetru(polariscop, - numai pentru observare) - un dispozitiv conceput pentru a măsura unghiul de rotație al planului de polarizare cauzat de activitatea optică a mediilor transparente, a soluțiilor (saharometrie) și a lichidelor. În sens larg, un polarimetru este un dispozitiv care măsoară parametrii de polarizare ai radiațiilor parțial polarizate (în acest sens, parametrii vectorului Stokes, gradul de polarizare, parametrii elipsei de polarizare a radiației parțial polarizate etc. fi măsurat).

împrăștierea Rayleigh- împrăștiere coerentă a luminii fără modificarea lungimii de undă (numită și împrăștiere elastică) pe particule, neomogenități sau alte obiecte, atunci când frecvența luminii împrăștiate este semnificativ mai mare decât frecvența naturală a obiectului sau a sistemului de împrăștiere. Formulare echivalentă: împrăștierea luminii de către obiecte ale căror dimensiuni sunt mai mici decât lungimea de undă. Numit după fizicianul britanic Lord Rayleigh, care a stabilit dependența intensității luminii împrăștiate de lungimea de undă în 1871...

Corp absolut negru- un corp fizic care, la orice temperatură, absoarbe toată radiația electromagnetică incidentă asupra lui în toate domeniile.

Spectroscopie în infraroșu(spectroscopie vibrațională, spectroscopie în infraroșu mediu, spectroscopie IR, ICS) - o ramură a spectroscopiei care studiază interacțiunea radiațiilor infraroșii cu substanțele.

Întunecarea discului spre margine- un efect optic la observarea stelelor, inclusiv a Soarelui, în care partea centrală a discului stelei apare mai strălucitoare decât marginea sau limbul discului. Înțelegerea acestui efect a făcut posibilă crearea unor modele de atmosfere stelare ținând cont de un astfel de gradient de luminozitate, care a contribuit la dezvoltarea teoriei transferului radiativ.

interferometru Michelson- interferometru cu două fascicule inventat de Albert Michelson. Acest dispozitiv a făcut posibilă măsurarea lungimii de undă a luminii pentru prima dată. În experimentul lui Michelson, interferometrul a fost folosit de Michelson și Morley pentru a testa ipoteza eterului luminifer în 1887.

Difuzarea razelor X cu unghi mic abr., MRR (abrev. engleză small angle X-ray scattering, SAXS) - împrăștiere elastică a radiației X pe neomogenitățile materiei, ale căror dimensiuni depășesc semnificativ lungimea de undă a radiației, care este λ = 0,1–1 nm; direcțiile razelor împrăștiate se abate doar ușor (prin unghiuri mici) de la direcția fasciculului incident.

Optica cu raze X- o ramură a opticii aplicate care studiază procesele de propagare a razelor X în medii, precum și dezvoltarea elementelor pentru aparatele cu raze X. Optica cu raze X, spre deosebire de optica convențională, ia în considerare undele electromagnetice în intervalul de lungimi de undă a razelor X 10−4 până la 100 Å (de la 10−14 la 10−8 m) și radiația gamma

Factorul geometric(de asemenea, étendue, din francezul étendue géométrique) este o mărime fizică care caracterizează cât de multă lumină este „extinsă” într-un sistem optic în dimensiune și direcție. Această valoare corespunde parametrului de calitate a fasciculului (BPP) în fizica fasciculului gaussian.

oglindă cu raze X- un dispozitiv optic folosit pentru a controla radiația razelor X (reflexia razelor X, focalizarea și împrăștierea). În prezent, tehnologia face posibilă crearea de oglinzi cu raze X și piese UV extreme cu lungimi de undă cuprinse între 2 și 45-55 nanometri. O oglindă cu raze X constă din multe straturi de materiale speciale (până la câteva sute de straturi).

Rețeaua de difracție- un dispozitiv optic a cărui funcționare se bazează pe utilizarea fenomenului de difracție a luminii. Este o colecție de un număr mare de curse distanțate în mod regulat (fante, proeminențe) aplicate pe o anumită suprafață. Prima descriere a fenomenului a fost făcută de James Gregory, care a folosit pene de păsări ca zăbrele.

efectul Sadovsky- aparitia unui cuplu mecanic care actioneaza asupra unui corp iradiat cu lumina polarizata eliptic sau circular.

Orice obiect care emite energie electromagnetică în regiunea vizibilă a spectrului. Prin natura lor, ele sunt împărțite în artificiale și naturale.

Difuzarea dinamică a luminii(ing. împrăștierea dinamică a luminii) - este un set de fenomene precum modificări ale frecvenței (deplasarea Doppler), intensitatea și direcția de mișcare a luminii care trece printr-un mediu de particule în mișcare (brownie).

Lumina este unul dintre efectele autoacțiunii luminii, constând în concentrarea energiei unui fascicul de lumină într-un mediu neliniar, al cărui indice de refracție crește odată cu creșterea intensității luminii. Fenomenul de auto-focalizare a fost prezis de fizicianul teoretician sovietic G. A. Askaryan în 1961 și a fost observat pentru prima dată de N. F. Pilipetsky și A. R. Rustamov în 1965. Bazele unei descrieri riguroase din punct de vedere matematic a teoriei au fost puse de V. I. Talanov.

Microscop laser cu doi fotoni- un microscop laser care vă permite să observați țesutul viu la o adâncime mai mare de un milimetru folosind fenomenul de fluorescență. Un microscop cu doi fotoni este un tip de microscop cu fluorescență multifotoni. Avantajele sale față de un microscop confocal sunt puterea de penetrare mai mare și gradul scăzut de fototoxicitate.

Radiația infraroșie- radiatia electromagnetica, ocupand regiunea spectrala dintre capatul rosu al luminii vizibile (cu lungimea de unda λ = 0,74 μm si frecventa 430 THz) si emisia radio cu microunde (λ ~ 1-2 mm, frecventa 300 GHz).

Birefringență sau birefringență - efectul divizării unui fascicul de lumină în două componente în medii anizotrope. Dacă o rază de lumină cade perpendicular pe suprafața cristalului, atunci pe această suprafață este împărțită în două raze. Prima rază continuă să se propagă drept și se numește obișnuită (o - ordinară), în timp ce a doua rază deviază lateral și se numește extraordinară (e - extraordinară).

efectul Vavilov- Cherenkov, efect Cherenkov, Vavilov - Radiația Cherenkov, radiația Cherenkov - strălucire cauzată într-un mediu transparent de o particulă încărcată care se mișcă cu o viteză care depășește viteza de fază a luminii în acest mediu.

Unde electromagnetice / radiații electromagnetice- o perturbare (schimbare de stare) a unui câmp electromagnetic care se propagă în spațiu Dintre câmpurile electromagnetice generate de sarcinile electrice și de mișcarea acestora, se obișnuiește să se clasifice drept radiație acea parte a câmpurilor electromagnetice alternante care este capabilă să se propagă cel mai departe de sursele sale. sarcinile în mișcare, atenuându-se cel mai lent cu distanța.

Linia de absorbție spectrală sau linia spectrală întunecată - o caracteristică a spectrului care constă într-o scădere a intensității radiației în apropierea unei anumite energii.

Microscop(greaca veche μικρός „mic” + σκοπέω „mă uit”) - un dispozitiv conceput pentru a obține imagini mărite, precum și pentru a măsura obiecte sau detalii structurale care sunt invizibile sau greu de văzut cu ochiul liber.

Radiații vizibile- undele electromagnetice percepute de ochiul uman. Sensibilitatea ochiului uman la radiațiile electromagnetice depinde de lungimea de undă (frecvența) radiației, sensibilitatea maximă având loc la 555 nm (540 THz), în partea verde a spectrului. Deoarece sensibilitatea scade treptat la zero pe măsură ce te îndepărtezi de punctul maxim, este imposibil să indice limitele exacte ale intervalului spectral de radiație vizibilă. De obicei, limita undelor scurte este considerată...

Spectrometru Fourier- un dispozitiv optic utilizat pentru analiza cantitativă și calitativă a conținutului de substanțe dintr-o probă de gaz.