دانلود مقاله حرارت و انرژی الکترومغناطیسی

خورشید مهمترین منبع انتشار امواج الکترومغناطیسی مورد نیاز در سنجش از راه دور است. تمامی موارد در درجه حرارت بالاتر از صفر مطلق (273- درجه سانتی گراد) امواج الکترومغناطیسی ساطع می کنند. میزان انرژی ساطع شده از هر ماده تابعی از دمای سطحی ماده است. این خاصیت توسط قانون استفن – بولتزمن[1] بیان شده است که عبارت است از :

W= δT4

W = کل تابش ساطع شده از سطح ماده بر حسب وات بر متر مربع (Wm-2)

δ = ثابت استفن – بولتزمن که برابر با 10-8Wm-2K-4 × 6697/5 است.

T= دمای مطلق (K°) مادهی ساطع کننده بر حسب درجه ی کلوین .

کل انرژی ساطع شده از یک ماده با توان چهارم دمای ماده نسبت مستقیم دارد یعنی با افزایش دما، سرعت تابش ساطع شده از ماده افزایش می یابد. نکته ی مهم آن است که معادله ی بالا برای شرایطی صادق است که ماده به عنوان جسم سیاه[2] رفتار کند. جسم سیاه، جسمی فرضی است که تمام انرژی تابیده شده به آن را جذب و کل آن را ساطع می نماید. همانگونه که کل انرژی ساطع شده از یک جسم با دما تفییر می کند، توزیع انرژی ساطع شده نیز تغییر می یباد. تصویر 1-10 منحنی توزیع طیفی انرژی جسم سیاه با دمای بین 300 تا 6000 درجه ی کلوین و محور Y میزان توان انرژی ساطع شده از جسم سیاه را به فواصل یک میکرومتری طول موج نشان می دهد. مساحت زیر هر منحنی برابر کل تابش ساطع شده است. هر چه دمای جسم تشعشع کننده بیشتر باشد میزان کل تشعشعات ساطع شده از آن بیشتر خواهد بود. همانگونه که منحنی ها نشان می دهند، با افزایش درجه ی حرارت یک جابه جایی به سمت طول موج های کوتاه تر در هر نقطه ی اوج منحنی تشعشات جسم سیاه، دیده می شود. طول موجی که در آن تشعشات جسم سیاه به حداکثر می رسد، مرتبط با درجه ی حرارت آن جسم است که توسط قانون جابه جایی وین[3] محاسبه می شود:

m=λ

Mλ= طول موج حداکثر انرژی ساطع شده ( μm )

A= ثابت وین ( μmK2898)

T= دمای K°

بنابراین برای جسم سیاه ، طول موجی که در آن حداکثر انرژی ساطع می شودف با دمای جسم سیاه نسبت عکس دارد.

معمولاً لامپ هایی از خود نور ساطع می کنند که روی منحنی انرژی ساطع شده از جسم سیاه در حرارت 3000 درجه ی کلوین قرار دارند. بنابراین این گونه لامپ ها نور آبی رنگ کمی از خود خارج می کند و ترتیب طیفی آن ها شبیه خورشید نیست.

حرارت سطح زمین حدود 300 درجه ی کلوین (27 درجه ی سانتی گراد) است. اصولاً حداکثر انرژی ساطع شده از سطح زمین در طول موج حدود 7/9 میکرومتر روی می دهد و چون این تابش ناشی از گرمای زمین است، بنابراین به آن انرژی « مادون قرمز حرارتی » می گویند. این انرژی قابل عکس برداری نیست، اما سنجنده های حرارتی مانند رادیومتر ها و اسکنر ها نسبت به آن حساسند. خورشید حداکثر انرژی را در طول موج 5/0 میکرومتر منتشر می کند و چشمان ما نسبت به این مقدار انرژی و طول موج حساس است، از این رو با وجود نور خورشیدی قارد به رؤیت سطح زمین می باشیم.

سنجش از دور حرارتی

امروزه معلوم شده است داده های حرارتی می توانند مکمل یکدیگر داده های سنجش از دور (داده های انعکاسی) باشند. (Alavi panah، 2001).

در سنجش از دور حرارتی برای تخمین دما از انرژی ساطع شده توسط اشیاء و پدیده ها استفاده می شود. نمودار 2-10 عواملی را که روی دمایی تابشی مؤثرند، نشان می دهد.

عوامل مؤثر بر دما

عوامل مؤثر بر دمای جنبشی به دو گروه عمده بیلان انرژی حرارتی و ویژگی های حرارتی مواد تقسیم میشود:

بیلان انرژی حرارتی شامل عواملی مانند حرارت خورشیدی، تابش رو به بالا در طول موج های بلند، تابش رو به پایین، تبادل حرارت بین زمین و جو و منابع حرارتی مانند آتش، آتشفشان و غیره است؛ ویژگی های حرارتی مواد شامل هدایت حرارتی، گرمای ویژه، چگالی، ظرفیت حرارتی، انتشار حرارتی و اینرسی حرارت است. 

توان تشعشی طیفی[4] 

هر جسمی در دمای بالاتر از صفر مطلق(صفر درجه کلوین یا 15/273- درجه سانتی گراد)، از خود انرژی ساطع می کند. اینکه چقدر انرژی و در چه طول موجی ساطع میشود، بستگی به توان تشعشعی سطح و دمای جنبشی آن دارد. توان تشعشعی، توانایی تشعشع یک جسم واقعی در مقایسه با جسم سیاه در دمای یکسان است و یک خاصیت طیفی است که با ترکیب مواد و آرایش هندسی سطح بستگی دارد. جسم سیاه، جسمی فرضی است که همه انرژی وارده در تمام طول موج ها را جذب و سپس ساطع می کند. این بدان معنی است که توان تشعشعی یک چنین جسمی برابر یک است. بدیهی است جسم سیاه در طبیعت وجود ندارد و یک ایدآل است.

توان تشعشی با اپسیلون(ε) نشان داده میشود و بین صفر و یک نوسان می کند.

ε برای مواد در محدودۀ 70/0 تا 95/0 است. دمای جنبشی، معیاری از میزان انرژی جسم حرارتی است. دمای جنبشی با واحدهای مختلف مانند درجه کلوین•k))، درجه سانتی گراد(•C) و درجه فارنهایت(•F) نشان میشود.

نتایج آزمایش های توان تشعشعی بر روی مواد مختلف در طول موج های گوناگون نشان می دهد که توان تشعشعی با طول موج تفاوت می کند. بنابراین میزان توان تشعشعی مواد در محدوده طیفی 5/11- 5/10 میکرومتر(باند4ماهواره NOAA) با توان تشعشعی مواد در محدودۀ طیفی 5/12- 4/10 میکرومتر(باند6 لندست TM) یکسان نخواهد بود. علاوه بر این توان تشعشعی مواد با شرایط مواد نیز فرق می کند.

توان تشعشعی پدیده های مختلف در ناحیه ی 14-8 میکرومتر

خاک خشک، توان تشعشعی 92/0 و همان خاک در حالت مرطوب، توان تشعشعی 95/0 از خود نشان می دهد. توان تشعشعی برای درختان برگ ریز در حالت بدون برگ95/0و برای حالتی که درخت سر سبز است، 98/0اندازه گیری شده است. جدول 1-10 توان تشعشعی مواد و پدیده های مختلف را در دامنۀ طیفی 14-8 میکرومتر نشان میدهد. اختلاف اندکی توان تشعشعی سطح زمین در باندهای حرارتی سنجنده های ماهواره ها دارند. برای داده های AVHRR، اختلاف توان تشعشعی سطحی باندهای4 و5 معمولاً بین 002/0تا005/0است(LiوBecker،1993). بنابراین وقتی توان تشعشعی باندهای حرارتی معلوم باشد، دمای سطحی را میتوان با استفاده از روش پنجره اسپلیت محاسبه کرد. با توجیه تفاوت های توان تشعشعی مختلف در مناطق وسیع، معمولاً از توان تشعشعی فرضی استفاده میشود. خاک لخت و تاج پوشش دو پدیدۀ مهم سطحی اند. اصولاً دامنۀ توان تشعشعی خاک از 84/0تا 98/0تغییر میکند، در حالی که دامنۀ توان تشعشعی تاج پوشش از94/0 تا99/0 و پوشش متراکم از98/0تا 0/1متغیر است(Olioso،1995). برای مناطق کشاورزی، جایی که تاج پوشش گیاهی قالب است، تغییرات توان تشعشعی برگ، خطایی به بزرگی 5/1 درجۀ کلوین در استخراج دمای سطح زمین (LST) از تشعشعات در محدودۀ 5/12- 5/10 میکرومتر ایجاد می کند.

ویژگی های سنجش از دور حرارتی

اختلاف اساسی بین سنجش از دور در ناحیه مادون قرمز حرارتی و ناحیه های دیگر طیف EM، به سبب مواردی است که برخی از آنها بستگی به اکتساب داده های حرارتی، کایبراسیون، تصحیحات هندسی و اتمسفری دارد و در زیر بحث می شود.

ثبت داده های حرارتی

بیشتر سنجنده های حرارتی، داده ها را به صورت غیر فعال دریافت میکنند. این گونه سنجنده ها انرژی ساطع شده از اشیا را ثبت میکنند. دستگاه های متعددی برای دریافت اطلاعات پدیده های سطحی در ناحیه 8 تا 12 میکرومتر وجود دارد. این وسایل، زمینی، هوایی یا فضایی است. در اینجا به منظور آشنایی با دستگاه های اسپکترومتر، به ذکر چند نوع از آنها پرداخته میشود:

یکی از این دستگاه های قابل حمل، اسپکترومتر تشعشعی صحرایی(JpL) است که در ناحیه 5 تا 15 میکرومتر طراحی شده است(Hoover و Kahle،1987). این دستگاه به دلیل سنگینی و بزرگی زیاد از رده خارج شده و اسپکترومترهای سبکتر مانند 

 THIRSPEC(Rivard و همکاران،1994) و µFTIR (Hoover و Kahle ، 1996) جایگزین شده است. THIRSPEC، دستگاه اسپکترومتر مادون قرمز حرارتی، در عملیات صحرایی به کار می رود. دامنۀ طیفی مفید این دستگاه بین 9/7 تا 3/11 میکرومتر است. وزن این دستگاه با احتساب باتری حدود 30کیلوگرم است. دستگاه µFTIR کوچک بوده امکان دریافت امواج مادون قرمز پدیده های سطحی بین 2 تا 14 میکرومتر را فراهم میسازد. این دستگاه 16 کیلوگرم وزن و6 باند طیفی دارد. تصویر 3-10 این دستگاه را که شامل یک جعبۀ توری با وزن 1/4 کیلوگرم است، نشان میدهد.

دتکتورهای این دستگاه با استفاده از نیتروژن مایع خنک میشود.

سایر دستگاه های معمول به شرح زیر است:

سنجندۀ AAS: 24 باند که 17 مورد آنها در محدودۀ مادون قرمز حرارتی است.

سنجندۀ AHS :48باند بین 4/0و13 میکرومتر

سنجندۀ AMSS: 4 باند که 6 مورد آن بین 8 تا 12 میکرومتر است.

سنجندۀ MODIS: 4 باند بین 8تا5/12 میکرومتر با قدرت تفکیک 1 کیلومتر.

سنجندۀ MAS: 50 باند بین 5/0 و 14 میکرومتر

سنجندۀ MIVIS: 12 باند بین 4/0 تا 13 میکرومتر

سنجندۀ TIMSS: 6 باند بین 8 تا 12 میکرومتر

سنجندۀ ATLAS: 3 باند در بخش نور مرئی و مادون قرمز نزدیک و 6 باند در ناحیه SWIR و5 باند در ناحیه مادون قرمز حرارتی دارد.

سنجندۀ Landsat Tm6: قدرت تفکیک زمینی 120متر

سنجندۀ Landsat7- Tm6: قدرت تفکیک زمینی 60متر

سنجندۀ ASTER: قدرت تفکیک زمینی 1 کیلومتر(در باندهای مادون قرمز حرارتی)

سنجندۀ AVHRR: قدرت تفکیک زمینی1 کیلومتر

طول موج

در سنجش از دور حرارتی، بیشتر محدودۀ طیفی 14-8 میکرومتر به کار می رود. البته بعضی از سنجنده ها مانند سنجندۀ TMماهواره ی لندست( باند 6)، در محدودۀ طیفی 6/12- 4/10 میکرومتر عمل میکنند تا بتوانند از محدودۀ حداکثر جذب اوزن که در محل 6/9 میکرومتر است، اجتناب کنند. بعضی از باندهای حرارتی در سنجنده های چند طیفی مانند ASTER ویژۀ کاربردهای زمین شناسی طراحی شده اند.