
Цей пост – частина серії про базові поняття дистанційного зондування. Тут ми можемо дізнатись, чому ж небо на першому фото чорне.
Ми вже поговорили про електромагнітну радіацію, тепер переходимо до іншого основного компоненту – атмосфери Землі.
Чесно кажучи, фізика процесів, що нижче описані, для мене була зрозуміла не одразу, проте я намагалась шукати прості відповіді на складні питання. Сподіваюсь, що в них є якийсь сенс і достовірність.
Коли електромагнітна радіація проходить бар’єр між вакуумом та атмосферою Землі (дуже нечіткий бар’єр), дещо починає відбуватися. Тут і поглинання газами, водяним паром чи пилом, розсіювання, відбиття, та, звичайно, деяка радіація проходить через атмосферу та досягає поверхні планети.
Смуги поглинання – частини електромагнітного спектру, які є непрозорими для окремих довжин хвиль, – спричинені конкретними елементами, що взаємодіють з радіацією.
(Рисунок 1 – Атмосферне поглинання електромагнітної радіації, адаптовано)
Поглинання
Більша кількість шкідливої іонізуючої радіаціі поглинається атмосферою, створюючи для нас комфортні умови на поверхні планети.
Атмосфера Землі має дуже значний розмір (можна сказати, що 100 км заввишки, хоча немає чіткого розмежування). Хоча щільність атомів доволі низька, завдяки товщині атмосфери кількість атомів у ній дуже велика. Саме ця кількість атомів взаємодіє з фотонами, що потрапляють в атмосферу.
Фотоелектричне поглинання
Гама та рентгенівска радіація мають доволі високу енергію. Потрапляючи до атмосфери, фотон взаємодіє із атомом, що трапляється йому на шляху, та передає енергію електронові цього атому. Фотон зникає, висока енергія відриває електрон від ядра. У цьому випадку склад атмосфери і повітря не має ніякого значення, на відміну від кількості повітря.
Ультрафіолет загалом поглинається у верхніх шарах атмосфери. Енергія фотона ультрафіолету використовується, щоб розділити єдину молекулу O2 на два атоми. Вільні атоми після цього поєднуться з молекулою кисню, щоб сформувати молекулу O3.
Однак, молекула озону не стабільна і під впливом ультрафіолету також розділяється на атом кисню та молекулу кисню.
Далі по електромагнітному спектру знаходиться видимий діапазон, енергія на цих довжинах хвилі загалом пропускається атмосферою.
Характерні особливості поглинання радіації відповідають впливу різних газів, водяного пару чи краплин та пилу. Такі смуги поглинання розташовані від ближньої інфрачервоної до мікрохвильової частини спектру.
Поглинання вібдувається через взаємодію фотонів з молекулами в атмосфері.
Молекули поглинають лише фотони з певним квантом енергії. Він має співпадати з кількістю енергії, яку потребує електрон, щоб перейти до іншого енергетичного стану, чи підняти усю молекулу цілком на інший вібраційний рівень. Ультрафіолет та видиме світло мають енергію, відповідну для підвищення рівню електрона, у той час як більші довжини хвиль, наприклад, в інфрачервоному діапазоні, відповідають частотам станів вібрації.
Зміни обертання та вібрацій підвищують поглинання на окремих довжинах хвилі. Кількість можливих станів вібрації залежить від числа атомів у молекулі. Молекула води у газоподібному стані, вуглець мають по три атоми, тому мають таку саму кількість станів вібрації, азот має два атоми. Однак енергія, яку можуть поглинути ці різні молекули, вар’юється.
Якщо поєднати усі такі піки поглинання, отримуємо загальну картину, що можна побачити на графіку у рисунку 1.
Ось такі типи вібрації є у молекул:
симетричне розтягування згинання асиметричне розтягування
Вода відповідальна за близько 70% усього поглинання електромагнітної радіації в атмосфері.
Вуглекислий газ, як вважається, відповідає за збільшення парникового ефекту через поглинання енергії у інфрачервоному діапазоні, деякі дослідження показують, що він значною мірою збільшує нагрівання мезосфери та нижньої термосфери.
Розсіювання
Розсіювання світла – процес перенаправлення електромагнітної енергії через взаємодію з молекулами та частками, що знаходяться у атмосфері. Це не схоже на відбиття, коли радіація змінює напрям своєї подорожі на окремий кут. Радіація, що потрапляє на частки, розсіюється у різних напрямках.
© UIUC
Є кілька типів розсіювання, це залежить від відносного розміру часточок, що приймають у ньому участь, у порівнянні з довжиною хвилі радіації.
Рисунок 2 – Порівняння розмірів часточок та довжини хвилі
Розсіювання Рейлі
Спричинене молекулами кисню, азоту та дрібним пилом.
Цей тип розсіювання включає часточки дуже малих розмірів, близько десятої частини від довжини хвилі радіації (‘а’ на рисунку 2). Розсіювання зростає зі зменшенням довжини хвилі, тож є залежним від неї. Це означає, що фіолетові та сині діапазони спектру більше розсіюються, ніж, наприклад, червоні (у 4 рази). Саме це надає небу синього кольору вдень. Під час заходу сонця, світло має пройти більш довгий шлях у атмосфері і більше розсіюється. Синій “вичерпується”, і тому небо виглядає червоним.
До речі, іноді можна побачити в небі і зеленуваті віддінки, як на мене.
Розсіювання Мі
Спричинене димом, пилом, пилком та краплинками води.
Розсіювання Мі відбувається завдяки більшим частинкам, їх розмір досягає приблизно довжини хвилі радіації (‘b’ на рисунку 2). Це розсіювання також має залежність від довжини хвилі, проте не таку високу, як розсіювання Рейлі. Чисте розсіювання Мі надає небу білуватого відтінку.
Невибіркове розсіювання
Спричинене більшими краплинами та пилом.
На відміну від попередніх типів, це розсіювання не залежить від довжини хвилі випромінювання. У ньому приймають участь доволі великі частинки (рисунок 2, ‘c’) з розмірами значно більшими за довжину хвилі. Таким чином усе випромінення, що потрапляє в атмосферу, розсіюється однаково. Світло має сірий чи білий колір. Частково завдяки цьому типу розсіювання хмари мають білий колір.
Якщо коротко, то це більш-менш усе, що треба було сказати.
Підсумуовуючи, треба сказати, що нам у котрий раз дуже пощастило мати усі ці гази (деякі – більше, ніж інші) та випаровування. Наша планета, тримаючи їх силою гравітації, робить наше життя значно кращим. Саме вони захищають нас, надають більш-менш комфортну температуру та освітлення. А іноді дають змогу спостерігати дивовижний захід сонця!
Тож, чому небо чорне на першому фото?
Фото обкладинки © Nicolas de Camaret