Природа і характеристики електромагнітного випромінювання. Електромагнітний спектр Розподіл

Природа і характеристики електромагнітного випромінювання

Електромагнітний спектр Розподіл видимої частини спектру

Розповсюдження електромагнітних хвиль Електромагнітне поле описується рівняннями Максвелла (диференційна форма): тут Е – напруженість електричного поля; Н – напруженість магнітного поля; В – магнітна індукція; D – електрична індукція; J - густина електричного струму (щільність потоку провідності); ε0, μ0 - електрична і магнітна константи у вакуумі; εr, μr - електрична і магнітна константи у середовищі

Розповсюдження електромагнітних хвиль Рівняння розповсюдження електромагнітних хвиль: у випадку синусоїдальної хвилі: рішення цього рівняння: де А - амплітуда хвилі; ω – кутова (кругова) частота; φ - фаза; k - хвильовий вектор; λ- довжина хвилі

Поляризація електромагнітних хвиль Поляризаційний еліпс

Поляризація електромагнітних хвиль Поляризаційна діаграма Пуанкаре правостороннє обертання лівостороннє обертання вертикальна лінійна поляризація горизонтальна лінійна поляризація

Поляризація електромагнітних хвиль Кругова Еліптична Лінійна Види поляризації

Фазова і групова швидкість хвиль Розподіл фазової (червона позначка) і групової (зелена) швидкості хвилі Для опису різних типів хвиль (одномірних, гармонічних, монохроматичних хвиль та хвильових пакетів) використовують поняття різних хвильових швидкостей Фазова швидкість – швидкість руху точки, що має постійну фазу коливань, в просторі вздовж завданого напряму: k – хвильове число Групова швидкість – швидкість розповсюдження групи хвиль, швидкість переміщення максимуму амплітудної обвідної квазімонохроматичного хвильового пакету або цугу хвиль:

Фазова і групова швидкість В одномірних випадках (для монохромних гармонічних хвиль) фазова і групова швидкості формально співпадають. В дисипативних (поглинаючих) середовищах групова швидкість зменшується із зростанням частоти. Фазова швидкість будь-якої електромагнітної хвилі в вакуумі в напрямі розповсюдження хвильового пакету завжди дорівнює швидкості світла. Фазова швидкість може перевищувати швидкість світла (зокрема швидкість хвилі, виміряна за напрямом, що відрізняється від напряму хвильового вектору, фазова швидкість будь-якої масивної елементарної частинки тощо). Групова швидкість – швидкість переносу маси, енергії і, відповідно - інформації (швидкість переносу причинності). Ефекти, пов'язані із різницею вимірювання фазової і групової швидкості немонохромних хвильових пакетів, виявляються в окремих задачах ДЗЗ, зокрема при вивченні іоносфери, а також при застосуванні складно модульованих багатоспектральних пакетів хвиль

Ефект Допплера Ефект Допплера при спостереженні рухомих об'єктів Ефект Допплера при спостереженні рухомих випромінювачів υ – швидкість руху, ν – частота випромінювання, с – швидкість світла

Вимірювання випромінювання

Вимірювання випромінювання Фотометрична величина Позначення Рівняння Одиниця виміру Енергетичний потік випромінювання (світловий потік) Ф W, ват Енергія випромінювання (світлова енергія) Q джоуль Радіаційний потік W джоуль/м3 ват/м2 Щільність енергетичного потоку: опроміненість (освітленість) Е, випромінюваність (світність) М Інтенсивність опромінення І Яскравість L ват/страд ват/страд м2

Енергія потоку випромінювання Формула Планка: Вираз для спектральної щільності потужності випромінювання абсолютно чорного тіла Квантова природа електромагнітного випромінювання: квантова форма рівняння потоку енергії h - постійна Планка (Дж/сек) редукована постійна Планка (постійна Дірака), ерг/сек постійна Больцмана, Дж/К Загальна форма для потужності потоку випромінювання:

Випромінювання абсолютно чорного тіла Модель абсолютно чорного тіла Потужність потоку випромінювання абсолютно чорного тіла визначаються першим законом Віна: вигляд функції f неможливо визначити, виходячи із термодинаміки (потрібна квантова механіка) довжина хвилі, на якій енергія випромінювання абсолютно чорного тіла максимальна, визначається законом зміщення Віна: Повний розподіл інтенсивності випромінювання абсолютно чорного тіла, відповідно до закону Планка: Розподіл потужності випромінювання в залежності від довжини хвилі для різних температур

Випромінювання абсолютно чорного тіла Порівняння характеристик сонячного випромінювання і радіаційних характеристик абсолютно чорного тіла

Хвильові процеси vs. Електромагнітний спектр Спектральний діапазон Механізм взаємодії хвиль з середовищем Застосування в ДЗЗ Гамма- та рентгенівське випромінювання Ультрафіолетове випромінювання Видимий і ближній інфрачервоний діапазон Теплове випромінювання Мікрохвильовий діапазон Радіодіапазон Атомні процеси Детектування і картування радіоактивних матеріалів Атомні і електронні процеси Флюоресценція, наявність водню і гелію в атмосфері Електронні процеси в атомах, вібраційні процеси в молекулах Аналіз хімічного складу поверхонь, вивчення рослинного покриву, біологічних властивостей Вібраційні і вібраційно - ротаційні процеси в молекулах Середній інфрачервоний діапазон Аналіз хімічного складу поверхні і атмосфери Теплова емісія, вібраційно - ротаційні процеси в молекулах Теплові характеристики поверхні, температура поверхні і атмосфери, аналіз домішок Теплова емісія, ротаційні процеси в молекулах, розсіювання Фізичні характеристики поверхні, температура поверхні і атмосфери, опади Фізичні характеристики поверхні, підповерхневий шар, іоносфера Розсіювання, провідність, іоносферні ефекти

Система дистанційного спостереження Подальша задача: змоделювати формування корисного сигналу і роботу системи ДЗЗ в різних окремих спектральних діапазонах