Τηλεπισκόπηση Περιβαλλοντικές Εφαρμογές. Αθανάσιος Α. Αργυρίου

Transcript

1 Τηλεπισκόπηση Περιβαλλοντικές Εφαρμογές Αθανάσιος Α. Αργυρίου

2 Ορισμοί Άμεση Μέτρηση Έμμεση Μέτρηση Τηλεπισκόπηση: 3. Οι μετρήσεις γίνονται από απόσταση (από km) 4. Μετράται η Η/Μ ακτινοβολία Με επεξεργασία προκύπτουν τα λοιπά χαρακτηριστικά & μεγέθη

3 Πλεονεκτήματα 1.Επιτρέπει μεγάλη έως και πλανητική - χωρική κάλυψη. 2.Επιτρέπει την μέτρηση παρατήρηση σε περιοχές που δεν είναι προσβάσιμες για διάφορους λόγους. Ενδεικτικά αναφέρουμε περιπτώσεις στις οποίες η απόσταση ή οι συνθήκες (ιδιαίτερα υψηλές θερμοκρασίες, ραδιενέργεια κ.λ.π.) καθιστούν την πρόσβαση απαγορευτική. 3.Επιτρέπει την μείωση του κόστους των μετρήσεων, ελαττώνοντας τον απαιτούμενο χρόνο για την εκτέλεση κάποιων παρατηρήσεων μετρήσεων. 4.Οταν δεν υπάρχει εναλλακτική μέθοδος.

4 Τρόποι Τηλεπισκόπησης Μεμονωμένοι αισθητήρες Differential Optical Absorption Spectroscopy Θερμοκάμερες Δορυφόροι Εκτιμάται ότι δορυφόροι περιστρέφονται γύρω από τη Γή. Εκτόξευση του δορυφόρου Terra (Πηγή: NASA)

5 Αλληλεπίδραση Ακτινοβολίας - Ύλης Η Η/Μ ακτινοβολία που καταγράφεται από τα συστήματα τηλεπισκόπισης, πρίν φθάσει στον αισθητήρα, συμμετέχει σε κάποιες διεργασίες, οι οποίες την μεταβάλλουν. Η κατανόηση των δεδομένων τηλεπισκόπησης, απαιτεί κατανόηση των διεργασιών αυτών. Παράδειγμα αλληλεπιδράσεων της ηλιακής ακτινοβολίας Εκπέμπεται από τον Ηλιο Μεταδίδεται στο κενό Αλληλεπιδρά με την ατμόσφαιρα Αλληλεπιδρά με την επιφάνεια της Γης Αλληλεπιδρά εκ νέου με την ατμόσφαιρα Φθάνει στον αισθητήρα, όπου πριν καταγραφεί, αλληλεπιδρά με σειρά συστημάτων, όπως οπτικά συστήματα, ανιχνευτές κ.λ.π.

6 Κυματική Φύση της Η/Μ Ακτινοβολίας Ο Maxwell διατύπωσε τη θεωρία ότι η Η/Μ ακτινοβολία είναι κύμα, το οποίο στο κενό διαδίδεται με ταχύτητα m.s-1. To κύμα αποτελείται από ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό και ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, εξ ού και η ονομασία του. Το Η/Μ κύμα παράγεται κατά την επιτάχυνση ηλεκτρικού φορτίου. Το μήκος κύματος εξαρτάται από τη χρονική διάρκεια της επιτάχυνσης, ενώ η συχνότητα εξαρτάται από τον αριθμό των επιταχύνσεων ανά δευτερόλεπτο. c=λν

7 Κυματική Φύση της Η/Μ Ακτινοβολίας (2)

8 Νόμος Stefan - Boltzmann Mλ = σ T4 σ = 5, W.m-2.K-4

9 Νόμος Planck o Lλ = c 1 λ 5 exp c2 λt 1

10 Νόμος Wien λmax T = 2897,8 μm K.

11 Σωματιδιακή Φύση Η/Μ Ακτινοβολίας Προτάθηκε από τους Bohr και Planck Q = h ν, h = J.s Οπως ήδη είδαμε: c = λ ν Διαιρούμε κατά μέλη: Q = h c / λ Αρα η ενέργεια του Η/Μ κύματος είναι αντιστρόφως ανάλογη του λ.

12 Ηλεκτρομαγνητικά Κύματα Ε = h ν, h = 6, J.s c = ν λ, c = 2, m.s-1

13 Ατμοσφαιρική Σκέδαση Σκέδαση Rayleigh a. Μόριο?????? Σκέδαση Mie b. Διάμετρος Καπνός,??????? επιλεκτική??????? Υδρατμός c.

14 Αλληλεπίδραση Ακτινοβολίας - Υλης Απορρόφηση αλ Ανάκλαση ρλ Διάθλαση τλ συντελεστής απορρόφησης συντελεστής ανάκλασης συντελεστής διαπερατότητας αλ + ρλ + τλ = 1, Ισχύει στη γενική περίπτωση αλ + ρλ = 1, Ισχύει για αδιαφανή υλικά Νόμος Kirchoff: αλ = ελ Αρα: 1. Μεγάλη απορρόφηση σημαίνει και μεγάλη εκπομπή. 2. Μεγάλη ανάκλαση σημαίνει μικρή απορρόφηση άρα και μικρή εκπομπή

15 Κατοπτρική Διάχυτη Ανάκλαση Γωνία Πρόσπτωσης Γωνία Ανάκλασης??????? επιφάνεια?????? Ιδανική???????????????????? Near-Perfect Πραγματική?????????????????? Perfect Diffuse Reflector Near-Perfect?????????????????????????????????????????? Lambert

16 α = f(λ) διαφόρων υλικών

17 Πηγές Η/Μ Ακτινοβολίας

18 Η/Μ Φάσμα

19 Τύποι Δορυφόρων GOES: Geostationary Operational Environmental Satellites Τροχιά παράλληλη προς τον Ισημερινό Γωνιακή ταχύτητα ίση με της Γής Στοχεύουν διαρκώς την ίδια περιοχή POES: Polar Operational Environmental Satellites Τροχιά κάθετη προς τον Ισημερινό Χαμηλώτερα ύψη Εικόνες μεγαλύτερης ανάλυσης Οχι συνεχής κάλυψη

20 GOES Τροχιά παράλληλη προς τον Ισημερινό Γωνιακή ταχύτητα ίση με της Γής Στοχεύουν διαρκώς την ίδια περιοχή Παραδείγματα: GOES (ΗΠΑ), METEOSAT (ESA), GMS (Ιαπωνία)

21 POES Τροχιά κάθετη προς τον Ισημερινό Χαμηλώτερα ύψη Χρόνος μιάς πλήρους περιστροφής: 42 min Εικόνες μεγαλύτερης ανάλυσης Οχι συνεχής κάλυψη

22 Οργανα Μέτρησης Τα όργανα μέτρησης της Η/Μ ακτινοβολίας ονομάζονται γενικά ραδιόμετρα. Βασικές κατηγορίες Αισθητήρες εικόνας (imagers) Αισθητήρες μέτρησης (sounders)

23 Αισθητήρες Εικόνας Οι δορυφόροι δεν διαθέτουν κάμερες. Κατηγορίες αισθητήρων εικόνας. Ορατής ακτινοβολίας (μετρούν την ανακλώμενη ορατή ακτινοβολία) Υπέρυθρης ακτινοβολίας (μετρούν την εκπεμπόμενη θερμική ακτινοβολία). Επιτρέπουν παρατηρήσεις σε 24 ωρη βάση.

24 Αισθητήρες Μέτρησης Vertical Atmospheric Sounders Μετρούν την υπέρυθρη ακτινοβολία και δίνουν την κατακόρυφη δομή μεγεθών όπως: Θερμοκρασία Πίεση Υδρατμούς Διάφορα αέρια (π.χ. CO2, O3)

25 Παραδείγματα GOES (1)

26 Παραδείγματα GOES (2)

27 Παραδείγματα POES

28 Δορυφορικές Εικόνες Ορατό: 0,6 μm Υπεριώδες: μm Κανάλι υδρατμών: 6,5 6,9 μm

29

30 Εικόνες στο Ορατό Ή απορρόφηση της ατμόσφαιρας στο ορατό τμήμα του φάσματος είναι μικρή. Μιά δορυφορική εικόνα στο ορατό απεικονίζει το φώς που σκεδάζεται από τα αιωρήματα της ατμόσφαιρας και το έδαφος. Οι ορατές εικόνες είναι διαθέσιμες μόνο κατά την διάρκεια της ημέρας. Οι διαφορές στην ανακλώμενη ακτινοβολία από νέφη, νερό, ξηρά και βλάστηση επιτρέπουν την αναγνώρισή τους. Σκοτεινές περιοχές αντιστοιχούν σε περιοχές μικρής ανακλαστικότητας του φωτός (ωκεανοί σκοτεινοί, νέφη και χιόνι φωτεινά). Η λαμπρότητα ενός νέφους εξαρτάται από το ύψος της κορυφής του νέφους, το πάχος του, και τον αριθμό των σταγονιδίων ύδατος και πάγου που περιέχονται σ αυτό.

31 Εικόνες στο Υπέρυθρο Τα σώματα εκπέμπουν θερμική ακτινοβολία, η οποία εξαρτάται: Από την θερμοκρασία τους. Από τον συντελεστή εκπομπής τους. Οι αισθητήρες IR παρέχουν την θερμοκρασία της ξηράς, θάλασσας και νεφών, μετρώντας την θερμική ακτινοβολία των υποκειμένων επιφανειών. Στις υπέρυθρες εικόνες, τα ψυχρά σημεία είναι φωτεινά, ενώ τα θερμά εμφανίζονται σκοτεινά. Οι θερμικές εικόνες χρησιμοποιούνται για την αναγνώριση των νεφών χαμηλού και μεγάλου ύψους.τα χαμηλά νέφη είναι σχετικά θερμά και εμφανίζονται σε γκρί απόχρωση. Τα υψηλά νέφη μεγάλου πάχους, όπως οι κορυφές των καταιγίδων, εμφανίζονται λευκά και λαμπρά.

32 Εικόνες Υδρατμών Οι υδρατμοί εκπέμπουν και απορροφούν ισχυρά η/μ ακτινοβολία στην περιοχή 6,5 6,9 μm. Οι εικόνες υδρατμών δίνουν την περιεκτικότητα της ατμόσφαιρας σε υδρατμούς μεταξύ hpa, δηλ 4 9 km ύψος. Το σκοτεινό χρώμα αντιστοιχεί σε μικρή περιεκτικότητα υδρατμών ενώ το γαλακτόχρωμο σε μεγαλύτερη. Εντονο λευκό αντιστοιχεί σε υψηλά νέφη.

33 Νέφη

34 Ταυτοποίηση Cumulus

35 Ταυτοποίηση Cumulonimbus

36 Μέτρηση ταχύτητας ανέμου (1)

37 Μέτρηση ταχύτητας ανέμου (2)

38 Καταιγίδα

39 Τυφώνας

40 Τυφώνας

41 Δασικές Πυρκαϊές & Κάψιμο Βιομάζας

42 Δασικές Πυρκαϊές & Κάψιμο Βιομάζας

43 CO2 στην Ανώτερη Τροπόσφαιρα

44 Ολικό Ο3

45 Αστική Θερμική Νησίδα

46 Εκρηξη Ηφαιστείου

47 Υπέρυθρη Θερμογραφία (1)

48 Υπέρυθρη Θερμογραφία (2)