ปฏิสัมพันธ์ของพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ปฏิสัมพันธ์ของพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในชั้นบรรยากาศ

ดวง อาทิตย์ เป็นแหล่งกำเนิดพลังงาน ได้ส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ผ่านบรรยากาศสู่พื้นผิวโลกและสะท้อนผ่านบรรยากาศกลับสู่เครื่องรับสัญญาณ เป็นเหตุให้ลักษณะของบรรยากาศโลกเป็นปัจจัยมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงไปทั้งขนาด และทิศทาง ทั้งนี้อนุภาคที่อยู่ในชั้นบรรยากาศซึ่งประกอบไปด้วย ฝุ่นละออง ไอน้ำ และก๊าซต่าง ๆ จะทำปฏิสัมพันธ์กับพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า 3 กระบวนการ คือ การดูดกลืน การหักเห และการกระจัดกระจาย ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้

การดูดกลืน (Absorption)

การดูดกลืนทำให้เกิดการสูญเสียพลังงาน ก๊าซบางชนิดและไอน้ำมีความสามารถดูดกลืนพลังงานที่ความยาวช่วงคลื่นบางคลื่น

1) ก๊าซออกซิเจนและโอโซน ดูดกลืนแสงที่มีความยาวคลื่นตั้งแต่อัลตราไวโอเลตลงมาถูกดูดกลืนจนหมดในบรรยากาศชั้นสูง ระหว่าง 23 – 30 กิโลเมตร ส่วนช่วงคลื่น 0.1 – 0.3 ไมโครเมตร ถูกดูดกลืนโดยก๊าซโอโซนในชั้นโอโซนโพสเฟียร์ บางส่วนสะท้อนกลับสู่อวกาศ ทำให้ไม่มีรังสีเหล่านี้เล็ดลอดมายังผิวโลกเลย
2) ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ มีการดูดกลืนมากในช่วงคลื่นประมาณ 15 ไมโครเมตร ในชั้นสตราโตสเฟียร์ชั้นล่าง
3) ไอน้ำ ส่วนใหญ่กระจายตัวอยู่ในชั้นโทรโปสเฟียร์ ซึ่งอยู่ส่วนล่างของชั้นบรรยากาศ ระดับต่ำกว่า 10 กิโลเมตร สามารถดูดกลืนพลังงานจากดวงอาทิตย์และโลกได้ดีที่สุดเกือบทุกช่วงคลื่น ยกเว้นช่วงคลื่นต่ำกว่า 0.7 ไมโครเมตร ลงไป และดูดกลืนสูงสุดในช่วงคลื่นประมาณ 6 ไมโครเมตร

การ ดูดกลืนพลังงานเกิดขึ้นทั้งในช่วงคลื่นสั้นและช่วงคลื่นยาว แต่ก็มีบางช่วงคลื่นที่สามารถทะลุทะลวงหรือผ่านชั้นบรรยากาศลงมาที่ผิวโลก ได้ เรียกว่า หน้าต่างบรรยากาศ (Atmospheric Window) ซึ่งปรากฏในช่วงคลื่นแสงสว่าง คือ 0.3 – 0.7 ไมโครเมตร และช่วงคลื่นอินฟราเรดสะท้อนและอินฟราเรดความร้อนยกเว้น 9.6 ไมโครเมตร ซึ่งดูดกลืนโดยก๊าซโอโซน หน้าต่างบรรยากาศเหล่านี้มีประโยชน์ต่อการพิจารณาเลือกระบุอุปกรณ์บันทึกภาพ ให้สัมพันธ์กับการตอบสนองของช่วงคลื่นต่าง ๆ

เราไม่สามารถนำทุกคลื่นมาใช้ประโยชน์ได้ทั้งหมด แต่ต้องเลือกใช้เฉพาะที่สามารถผ่านหน้าต่าบรรยากาศได้เท่านั้น ซึ่งมีประมาณร้อยละ 50 ของ พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด และเป็นเงื่อนไขสำคัญต่อการออกแบบการรับสัญญาณช่วงคลื่นต่าง ๆ ของดาวเทียม หรือในการสร้างรีโมทเซนซิงประเภทต่าง ๆ ได้แก่

คลื่นตามองเห็น : Optical Wavelengths .30-15 mm
1. คลื่นสะท้อน : Reflective 0.38-3.0 mm
คลื่นตามองเห็น : Visible Wavelengths 0.38-0.72 mm
คลื่นสะท้อน – คลื่นอินฟราเรด : Reflective – Infrared Wavelengths 0.72-3.0 mm

2. คลื่นอินฟาเรดความร้อน : Thermal หรือ Emissive Wavelengths 7.0-15.0 mm
คลื่นอินฟราเรดไกล : Far Infrared

3. คลื่นไมโครเวฟ : Microwave
ระบบเรดาร์และพาสซีฟไมโครเวฟ (radar and passive microwave)

การหักเห

การ หักเหเป็นปรากฏการณ์ที่คลื่นเปลี่ยนเส้นทางเดิน ทั้งนี้เกิดขึ้นเมื่อคลื่นเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศที่มีความหนาแน่นแตกต่าง กัน ปริมาณการหักเหขึ้นกับค่าดัชนีการหักเห ซึ่งเป็นอัตราส่วนระหว่างความเร็วของแสงในสูญญากาศกับความเร็วของแสงในชั้น บรรยากาศนั้น ทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนของตำแหน่งที่บันทึกลงบนข้อมูลภาพ อย่างไรก็ตามสามารถปรับแก้ได้โดยกระบวนการปรับแก้ในภายหลัง รูปแบบของการหักเหและกระจัดกระจายขึ้นอยู่กับความแปรปรวนของสภาวะอากาศและ องค์ประกอบของอนุภาคในบรรยากาศในขณะนั้น ๆ ด้วย

การกระจัดกระจาย (Scattering)

การ กระจัดกระจายคือการที่คลื่นเคลื่อนที่ไปกระทบอนุภาคในบรรยากาศ แล้วทำให้เกิดการกระจัดกระจายของคลื่นในบางช่วงคลื่น ส่งผลต่อความคมชัดของสัญญาณภาพ ซึ่งสามารถแบ่งลักษณะการกระจัดกระจายได้เป็น 3 รูปแบบ ทั้งนี้ ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นและขนาดอนุภาคที่ไปกระทบ ดังนี้

- การกระจัดกระจายแบบเรย์เล (Rayleigh Scatter) เกิด ขึ้นเมื่อความยาวช่วงคลื่นมีขนาดมากกว่าเส้นผ่าศูนย์กลางของอนุภาคที่คลื่น ไปกระทบ (เช่น ก๊าซ) ซึ่งจะเกิดในช่วงคลื่นสั้นมากกว่าช่วงคลื่นยาว ยิ่งช่วงคลื่นสั้นจะยิ่งมีการกระจัดกระจายมาก มีผลทำให้ความคมชัดของภาพน้อยลง ส่วนใหญ่จะปรากฏเป็นสีเทาปนฟ้า (คลื่นสั้น)

- การกระจัดกระจายแบบมี (Mie Scatter) เกิด เมื่อความยาวช่วงคลื่นมีขนาดเท่ากับเส้นผ่าศูนย์กลางของอนุภาคในบรรยากาศ มีไอน้ำและฝุ่นละอองเป็นตัวการสำคัญที่ทำให้เกิดการกระจัดกระจายแบบนี้ มักจะเกิดในช่วงคลื่นที่มีขนาดยาวกว่าแบบเรย์เล เช่น ในสภาวะที่มีเมฆปกคลุม มีผลทำให้เกิดเป็นลักษณะหมอกควัน สีแดง

- การกระจัดกระจายแบบผสม (Nonselective Scatter) เกิด เมื่อเส้นผ่าศูนย์กลางของอนุภาคมีขนาดใหญ่กว่าความยาวช่วงคลื่นที่ตกกระทบ เช่น หยดน้ำ ฝน ฝุ่นละออง ไอน้ำ และหมอก มักจะเกิดการกระจายในช่วงคลื่น Visible และ Reflected Infrared ในกรณีที่การกระจัดกระจายของกลุ่มคลื่นตามองเห็น (Visible) สะท้อนสูงเท่ากันทุกคลื่น จะเห็นเมฆเป็นสีขาว การกระจัดกระจายแบบนี้มักเห็นอยู่ในรูปของเมฆ หมอก ควัน ซึ่งปิดทับข้อมูลภาพในบางส่วน

อ้างอิงแหล่งที่มาของข้อมูล/ภาพ

http://www.gis2me.com/th/?p=807
http://a2u-club.blogspot.com/2009/07/blog-post_6977.html