OPTIČKE OSOBINE ATMOSFERE Sastav atmosfere Efekti prostiranja kroz atmosferu Prozori i transmitivnost Zračenje atmosfere 1
Slojevi atmosfere 2
Promena pritiska i temperature slojeva 3
Visina slojeva i promena temperature Atmosferski sloj Raspon u km Od (km) Do(km) Promene temperature sa visinom Troposphere 0 11 opada,,6c/ 0 C/km Stratosphere 11 23 Približno konstantna Mesosphere 23 80 Thermosphere 80 8000 Raste od 23 to 45 km, potom opada Raste 110 km do 230 km, potom je konstantna 4
Sastav atmosfere Elementi Simbol Koncentracija u % Nitrogen N 2 78.084 Oxygen O 2 20.946 Argon Ar 0.934 Carbon dioxide CO 2 0.032 Neon Ne 1.818 10-3 Helium He 5.24 10-4 Methane CH 4 2.0 10-4 Krypton Kr 1.14 10-4 Nitrous oxide NO 5.0 10-5 Hydrogen H 2 5.0 10-5 Xenon Xe 9.0 10-6 Water vapor H 2 O Promenljiva Ozone O 3 Promenljiva 5
Slabljenje optičkog zračenja Uzroci atmosferskog slabljenja su: 1. Molekularna apsorpcija 2. Molekularno rasejanje 3. Aerosolna apsorpcija 4. Aerosolno rasejanje 6
Apsorpcija u atmosferi Apsorpcija u molekulama gasova i aerosola Ф Molekule Ф+dФ dr dф<0 7
Interakcija sa atomom Tranzicija elektrona u atomu, UV i vidljivi spektar zračenja. Kvant energije hν zavisi od orbita između kojih dolazi do prelaza elektrona Z Q e = 13,605 ( ev ) 2 n 2 ged je Z atomski broj (broj protona u jezgru) a n redni broj orbite elektrona, 1eV=1,60206 10-19 J. 8
Molekularna zračenja Molekularna apsorpcija nastaje tranzicijom elektrona usled vibracija i rotacija molekula gasa. Za razliku od atomske apsorpcije na jednoj talasnoj dužini ovde se radi o opsegu talasnih dužina i to svaki je sastavljen od diskretnih linija. Talasne dužine apsorpcije odgovaraju i talasnim dužinama zraženja usled atomske i molekularnih efekata apsorpcije. 9
Molekularna apsorpcija i transmisija 10
Rasejanje u atmosferi Efekt rasejanja na čestici molekula i aerosola Ф Ф+dФ dr dф<0 11
Rasejanje na molekulama i aerosolima Rasejanje j ili sketer prema talasnim dužinama zračenja i prema dimenziji čestica se dele na: 1. Rejlijev (Rayleigh)sketer(scattering), (scattering), 2. Mie sketer i 3. Neselektivni i sketer. 12
Rejlijevo rasejanje Rejlijev sketer se javlja na česticama čije su dimenzije mnogo manje od talasne dužine zračenja, koje se prostire kroz atmosferu. Rejlijev spektralni sketer koeficijent σ m ( λ) 2 2 2 2 4π NV ( n n0 ) =, Φλ = Φλ ( R = 0) e 4 2 2 2 λ ( n + n ) ( 0 2 σ R λ gde su: N molekularna gustina u zaprimini V, n indeks loma molekule a n 0 vazduha (n 0 =1). 13
Mie sketer Ovaj tip rasejanja je dominantan za talasne dužine koje su uporedive sa dimenzijom čestica. Gustina čestica aerosola značajnoč opada savisinom, ii pa se spektralni koeficijent sketera definiše σ = a M ( h) σ M (0) a (0) gde je M zapriminska gustina čestica, σ a (0) sketer na nivou mora. Na primer na nivou mora M(0)=200 cm -3 i linearno opada sa visinom na oko 0,1 cm -3 na 10 km. 14
Neselektivni sketer Neselektivni sketer se javlja pri prostiranju zračenja čije su talasne dužine mnogo manje od dimenzije čestica aerosola. Ovaj sketer uključuje tri procesa; refleksiju od površine aerosola, refrakciju od ivica i penetraciju kroz aerosol. Ovaj sketer je dominantan u magli čije čestice su reda nekoliko mikrometara, prašini i kapima kiše. Sketer koeficijent je aprokimativno λ 0,7. Transmisivnost magle je mnogo veća za infracrveno nego vidljivo područje talasnih dužina. 15
Spektralna transmitivnost atmosfere, efekt sketera 16
Prozori u atmosferi, efekt apsorpcije 17
Modeli atmosfere, procena transmisivnosti Eksponencijalni model, Beer-Lambert-ov zakon τ λ =e -σx λ Atmospheric Transmittance/Radiance: Computer Code LOWTRAN, MODTRAN HITRAN atmospheric transmission code LINETRA atmospheric transmission code REALTRAN atmospheric transmission code 18
MODTRAN MODTRAN (MODerate resolution lti TRANsmission i - transmitansa srednje rezolucije) je atmosferski model razvijen u prethodnih 25 godina u američkoj vojnoj vazduhoplovnoj Phillips laboratoriji. Direktan je naslednik LOWTRAN familije kodova; u stvari, MODTRAN sadrži kompletan LOWTRAN model kao korisničku opciju. Molekularna kontinualna apsorpcija, molekularno rasejanje i aerosolna apsorpcija i rasejanje su takođe uključeni. Proračuni radijanse razmatraju doprinose iz sledećih izvora: - atmosferska sopstvena emisija - solarna i/ili lunarna radijansa jednostruko rasejana na putanji - direktna solarna iradijansa kroz kosu putanju u vasionu - solarna i/ili atmosferski emitovana radijansa višestruko rasejana na putanji 19
Primer iz MODTRAN-a, Spektralna solarna iradijansa na vrhu atmosfere itransmitovana iradijansa kroz atmosferu) 20
Primer iz MODTRAN-a, transmitovana iradijansa kroz atmosferu) 21
Optička vidljivost 22
Procena slabljenja j 23
Procene spektralnog slabljenja u Za vidljivi opseg τ vis = exp( σ v x) atmosferi = exp( 3.912 x) R Uticaj talasne dužine, normalizacija prma centralnoj talasnoj dužini R v 0.585 3.912 λ σ K ( λ) = Rv 0.55 Za prvi i drugi termovizijski prozor σ MWIR = 2.24 R v σ LWIR = 0.85 R v 1/ 3 R v 24
Procene spektralnog zračenja atmosfere Spektralna radijansa atmosfere je L = 1 (1 π λ τ λ ) M CT ( T λ gde je T A temperatura atmosferskog sloja, koji ima spetralnu transmitivnost tτ λ. A ) 25
Turbulencija u atmosferi Turbulencija je pojava koja nastaje usled fluktuacije indeksa loma sredine. Pri prostiranju zračenja kroz turbulentnu atmosferu dolazi do zamućenosti (bluring) objekata i blistanja (svetlucanja) pojedinih tačaka na slici. Pored toga optički sistem zbog difrakcije takođe menja intenzitet iradijanse u ravni slike. 26
Modulaciona transfer funkcija Optička transfer funkcija (OTF) se koristi za opis turbulencije u atmosferi. Optička transfer funkcija se definiše pomoću modulacione transfer funkcije (MTF) i fazne transfer funkcije (PTF). Amplituda OTF je određena MTF a faza emt sa PTF. Turblentna atmosfera se opisuje MTF koja je različita za različite tipove slika. 27