Оптические наблюдения представляют собой один из фундаментальных методов изучения физических процессов в атмосфере, гидросфере и литосфере. С их помощью фиксируются характеристики электромагнитного излучения в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, отражённого, рассеянного или испущенного различными компонентами окружающей среды. Данные методы позволяют определять состав атмосферы, прозрачность воды, физические свойства почв и поверхностей, а также динамику энергетического обмена между Землёй и космосом.
1. Взаимодействие света с веществом Оптические наблюдения базируются на фундаментальных законах взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Ключевую роль играют процессы:
2. Спектральные характеристики Каждый природный объект имеет собственные спектральные сигнатуры – характерные полосы поглощения и отражения. Эти особенности позволяют идентифицировать вещества, определять их концентрацию и распределение в пространстве.
3. Геометрия наблюдений Результаты оптических измерений зависят от угла падения и регистрации излучения. Различают:
Спектрофотометрия Измерение интенсивности излучения в узких спектральных диапазонах. Применяется для анализа состава атмосферы, водных объектов и растительности.
Лидарные технологии Используют лазерное излучение для зондирования атмосферы. Лидары позволяют определять распределение аэрозолей, облаков, концентрацию газов и даже вертикальный профиль ветра.
Фотометрические наблюдения Применяются для оценки прозрачности атмосферы и содержания аэрозольных частиц. Измерения солнечного или звёздного света дают информацию о коэффициентах ослабления излучения.
Инфракрасные радиометры Регистрируют собственное тепловое излучение Земли и атмосферы. Используются для анализа радиационного баланса, измерения температуры поверхности и океана, выявления тепловых аномалий.
Спутниковые системы дистанционного зондирования Современные космические аппараты оснащаются многоканальными сенсорами, работающими в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах. Они обеспечивают глобальный мониторинг атмосферы, поверхности суши и океанов.
Прозрачность атмосферы Определяется ослаблением света при прохождении через воздушную толщу. На неё влияют молекулярное рассеяние (Рэлея), рассеяние на аэрозолях (Ми), а также облачность и наличие газов с выраженными спектрами поглощения.
Аэрозольный компонент Аэрозоли оказывают сильное влияние на климат, отражая и рассеивая солнечное излучение. Оптическая толщина атмосферы — важный параметр для оценки их влияния на радиационный баланс.
Спектры поглощения газов Диоксид азота, озон, водяной пар и другие атмосферные газы обладают характерными полосами поглощения, по которым можно судить о распределении их концентрации.
Поглощение и рассеяние в воде Вода сильно поглощает электромагнитное излучение в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, поэтому прозрачность в основном обеспечивается в видимой области.
Цвет воды Спектральный состав отражённого света указывает на наличие взвешенных частиц, органических соединений, фитопланктона. По изменению оттенков можно определять биологическую продуктивность и загрязнённость водоёмов.
Лазерное зондирование Лидарные системы позволяют изучать структуру поверхностного слоя океана, распределение взвесей и глубину фотического слоя.
Альбедо поверхности Характеризует долю отражённого излучения. Снежный покров имеет альбедо до 0,9, водная поверхность — менее 0,1. Измерения альбедо используются для анализа радиационного баланса планеты.
Вегетационные индексы Определяются по спектральным данным в красной и ближней инфракрасной областях. Наиболее распространённый — NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), применяемый для оценки состояния растительности.
Изучение почв Спектральные наблюдения позволяют судить о влажности, структуре, содержании гумуса и минералов.