Природа і характеристики електромагнітного випромінювання Електромагнітний спектр

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); ε 0, μ 0 - 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 лівостороннє обертання вертикальна лінійна поляризація горизонтальна лінійна поляризація правостороннє обертання

Поляризація електромагнітних хвиль Види поляризації Лінійна Кругова Еліптична

Фазова і групова швидкість хвиль 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: Групова швидкість – швидкість розповсюдження групи хвиль, швидкість переміщення максимуму амплітудної обвідної квазімонохроматичного хвильового пакету або цугу хвиль: k – хвильове число Розподіл фазової (червона позначка) і групової (зелена) швидкості хвилі

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

Вимірювання випромінювання

Вимірювання випромінювання Фотометрична величина Позначення Енергія випромінювання (світлова енергія) Радіаційний потік Енергетичний потік випромінювання (світловий потік) Рівняння Одиниця виміру джоуль Q W Ф Щільність енергетичного потоку: опроміненість (освітленість) Е, випромінюваність (світність) М джоуль/м 3 W, ват/м 2 Інтенсивність опромінення І Яскравість L ват/страд м 2

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

Випромінювання 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: Модель абсолютно чорного тіла 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 Атомні процеси Детектування і картування радіоактивних матеріалів Ультрафіолетове випромінювання Атомні і електронні процеси Флюоресценція, наявність водню і гелію в атмосфері Видимий і ближній інфрачервоний діапазон Електронні процеси в атомах, вібраційні процеси в молекулах Аналіз хімічного складу поверхонь, вивчення рослинного покриву, біологічних властивостей Середній інфрачервоний діапазон Вібраційні і вібраційно ротаційні процеси в молекулах Аналіз хімічного складу поверхні і атмосфери Теплове випромінювання Теплова емісія, вібраційно - ротаційні процеси в молекулах Теплові характеристики поверхні, температура поверхні і атмосфери, аналіз домішок Мікрохвильовий діапазон Теплова емісія, ротаційні процеси в молекулах, розсіювання Фізичні характеристики поверхні, температура поверхні і атмосфери, опади Радіодіапазон Розсіювання, провідність, іоносферні ефекти Фізичні характеристики поверхні, підповерхневий шар, іоносфера

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