Radiazione Elettromagnetica
University of Pavia
Telecommunications and Remote Sensing Laboratory
La radiazione elettromagnetica
Il telerilevamento sfrutta (generalmente) la possibilità di
rilevare la radiazione elettromagnetica emessa o riflessa da un
oggetto.
• La radiazione elettromagnetica (di cui la luce è un esempio) è
un’onda che si propaga nel vuoto o nei materiali, con una
velocità prossima o uguale a 300000 Km al secondo.
• Tale onda è costituita da un campo di forza elettrica e
magnetica (elettromagnetica) oscillante (= i cui valori
cambiano nel tempo).
• Il tutto è descritto da una serie di equazioni matematiche, le
“Equazioni di Maxwell”.
•
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Lo spettro elettromagnetico
• Gli atomi di cui è composta la materia emettono energia
sotto forma di “fotoni”, secondo la formula
Ogni atomo (e quindi ogni materiale) ha frequenze
caratteristiche.
L’insieme di queste possibili frequenze rappresenta lo
“spettro elettromagnetico”.
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Caratteristiche della radiazione
elettromagnetica
• Lunghezza d’onda (λ): distanza tra due massimi o due minimi di un’onda
• Frequenza (ν): numero di onde complete che passano per un punto
nell’unità di tempo
• Periodo (T): tempo necessario affinché un’onda completa passi per un
punto
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Caratteristiche della radiazione
elettromagnetica
ν=c/λ
E=hν
c = velocità della luce nel vuoto (3x108 m s-1)
E = energia del singolo fotone
h = costante di Planck (6.3x10-34 J s-1)
Più bassa è la frequenza, più
bassa è l’energia!
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(Una parte del)lo spettro elettromagnetico
Visibile (0.4 – 0.7 µm)
blu: 0.455 – 0.492 µm
verde: 0.492 – 0.577 µm
giallo: 0.577 – 0.597 µm
rosso: 0.622 – 0.700 µm
Infrarosso vicino (0.7 – 3 µm)
Infrarosso medio (3 – 6 µm)
Infrarosso termico (6 – 20 µm)
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Lo spettro elettromagnetico
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Le sorgenti di radiazione elettromagnetica
Tutti i corpi con temperatura superiore a 0°K emettono radiazioni
che coprono porzioni di spettro variabili in funzione della
lunghezza d’onda. L’energia totale emessa per unità di superficie
viene detta eccitanza, quando riferita a tutto lo spettro, eccitanza
spettrale quando relativa ad una specifica lunghezza d’onda.
Legge di Planck
−5
Mλ =
aλ
e
( b / λT )
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−1
Mλ
a
b
λ
T
= eccitanza spettrale
= 3.742 x 10-16 W m2
= 1.4388 x 10-2 m K
= lunghezza d’onda (m)
= temperatura in °K
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Le sorgenti di radiazione elettromagnetica
All’aumentare della temperatura, aumenta l’intervallo delle radiazioni
elettromagnetiche emesse e la quantità totale di energia mentre
diminuisce la lunghezza d’onda relativa al picco di massima eccitanza.
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Le sorgenti di radiazione elettromagnetica
L’eccitanza totale è descritta dall’equazione di Stefan-Boltzmann,
ottenuta integrando su tutto lo spettro l’equazione di Planck:
M = σ T4
σ = costante di Stefan-Boltzmann (5.67 x 10-8 W m-2 K-4)
T = temperatura in °K
ATTN: corpo nero!
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Le sorgenti di radiazione elettromagnetica
3µm
Curve dell’eccitanza di due corpi con temperature approssimativamente
simili a quelle del Sole e della Terra
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Energia da radiatori perfetti
Sole: VIS, NIR. Relativamente trascurabile a 10 µm
(attenuazione per dispersione non considerata R -2)
Incendio: massimo a 3 – 5 µm
Terra: massimo a 10 – 12 µm
“Diversi” infrarossi?
L’infrarosso vicino (NIR) si comporta come la radiazione
visibile, viene riflesso dalla superficie terrestre e può
essere rilevato da speciali pellicole fotografiche. Viene
chiamato anche infrarosso riflesso.
L’infrarosso medio e termico viene emesso anche dalla
superficie terrestre e per questo viene detto anche
infrarosso emesso.
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La radiazione elettromagnetica emessa dal Sole
Sulla superficie terrestre arriva solo una parte dell’energia emessa dal Sole;
l’atmosfera svolge una funzione di filtraggio
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Dall’oggetto al sensore
• Cosa succede alla radizione riflessa dall’oggetto mentre se
ne va dall’oggetto al sensore?
• Diffusione
• Riflessione
• Assorbimento
• Trasmissione
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Diffusione della “luce”
• Il tipo di diffusione dipende da:
– il tipo dei diffusori (in funzione della radiazione)
– il numero di eventi di diffusione (se la radiazione viene diffusa una
volta o molte volte)
– la composizione dei diffusori:
• la diffusione in un solido trasparente per mezzo di oscillazioni (fononi) si
chiama “diffusione di Brillouin”
• la diffusione in cui la lunghezza d’onda non cambia si chiama “diffusione
di Rayleigh”
• La causa primaria della diffusione è la differenza di indice di
rifrazione tra il diffusore e il suo intorno.
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Diffusione “singola”
Più potenza diffusa
Cosa accade nel rettangolo rosso?
Particella più grande rispetto a λ
Il grafico mostra
la quantità di
potenza diffusa
al variare delle
dimensioni della
particella
rispetto alla
lunghezza d’onda
della radiazione
incidente
α è proporzionale al rapporto tra la dimensione media e la λ
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Diffusione di Rayleigh
Più potenza diffusa
• Nel rettangolo rosso la potenza diffusa
cresce con la quarta potenza della
dimensione della particella:
– a dimensione fissa della particella, i valori
più alti di α si hanno per valori inferiori di
λ, e si ha dunque maggior diffusione per
frequenze più alte (il che spiega perché il
cielo sereno appare azzurro);
– a λ fissato, si ha grande diffusione
solo per particelle grandi (questo spiega
perché i sistemi che operano nelle microonde
“vedono” attraverso le nuvole).
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Diffusione geometrica
• Se la dimensione della particella è molto grande rispetto a λ (α
> 50) allora la particella diffonde in maniera più semplice,
secondo le leggi dell’ottica geometrica.
• Un esempio di diffusione di questo tipo è la riflessione. La
riflessione è un processo coerente, il che significa che la
radiazione riflessa mantiene molte delle informazioni e delle
proprietà della radiazione incidente.
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Diffusione multipla
• La diffusione multipla avviene quando ci sono moltissime
particelle e moltissime diffusioni in tutte le direzioni.
• Nel caso di diffusioni multiple da molti oggetti,
normalmente tutta la radiazione incidente viene diffusa
indipendentemente dalla lunghezza d'onda (il che spiega
il colore bianco delle nuvole)
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Assorbimento
• Nel caso in cui il la radiazione venga assorbita e riemessa ad
un’altra lunghezza d’onda, si parla di assorbimento.
Trasmittanza dell’atmosfera terrestre
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Trasmissione
• In caso di assenza dei fenomeni di diffusione, riflessione ed
assorbimento, si ha trasmissione della radiazione.
• Si noti che spesso materiali che sono trasparenti ad una
frequenza non lo sono ad altre.
Bisogna tener conto anche
delle finestre di trasmissione
per studiare un oggetto!
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Bilancio di energie
L’energia della radiazione incidente su di una determinata superficie può
dunque essere assorbita, riflessa o trasmessa:
Ri = Ra + Rr + Rt
Dato un intervallo dello spettro, si definiscono assorbanza, riflettanza e
trasmittanza spettrale i valori di queste energie per unità di lunghezza
d’onda su quell’intervallo, riferiti alla energia dell’onda incidente.
In altre parole, la riflessione (quello che vediamo) è la differenza tra
quanto incide e quanto viene assorbito o trasmesso.
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La curva di riflettanza
Curva di riflettanza: descrive l’andamento della riflettanza per una data
superficie nell’intervallo spettrale 0.4 – 2.5 µm.
Chiaramente la curva di riflettanza di una superficie varia molto in
funzione delle condizioni ambientali (periodo dell’anno, condizione fisica
e chimica della superficie) e di ripresa (geometria Sole – superficie –
sensore).
E’ possibile disegnare delle curve di riflettanza media che, pur avendo
valore indicativo in quanto soggette alle variazioni appena descritte,
possono dare delle informazioni importanti sul comportamento delle
superfici in esame.
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Oggetti speculari o Lambertiani?
•
•
•
•
Conta moltissimo non solo il materiale,
ma anche la rugosità superficiale dello
stesso, secondo le leggi della diffusione.
Un materiale si dice avere una
“superficie Lambertiana” se diffonde
uniformemente in tutte le direzioni.
Un materiale è un riflettore perfetto, se è
perfettamente liscio (alla lungheza
d’onda del materiale incidente)
I materiali reali stanno ovviamente a
metà strada
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La curva di riflettanza della vegetazione
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1 - acqua
chiara
Con sedimenti ?
High Resolution Visible Imaging System
Advanced Very High Resolution Radiometer
Thematic Mapper
2 - vegetazione
assorbimento acqua
medio infrarosso
Multispectral Scanner
NIR – struttura
cellulare
VIS - clorofilla
3 - suolo
1.4, 1.9, 2.7 µm
umidità
Assorbimento acqua
La curva di riflettanza
di diversi suoli nudi a
differente contenuto di
umidità
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La curva di riflettanza dell’acqua
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Confronto tra curva di riflettanza della
vegetazione e curva di assorbanza dell’acqua
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