Modul 6 - Nicht-Fotografische Aufnahmesysteme - Aufnahmeberei­che von Scannern - Thermalbereich

Absorbiert ein Objekt Strahlung, führt das zu einer Erwärmung des Objektes. Infolgedessen emittiert es thermische Strahlung. 

Aus diesem Grund emittiert jeder Körper mit einer höheren Temperatur als der absolute Nullpunkt (-273°C = 0 K) elektromagnetische Strahlung, da Moleküle und Atome mit zunehmender Temperatur mehr Bewegungen ausführen. 

Diese thermische Bewegungsenergie wird auf die Elektronen übertragen, welche infolgedessen ein höheres Energieniveau erreichen. Die Elektronen können dieses Niveau nicht halten, sie 'fallen' unter Aussendung von Photonen auf ein niedrigeres Niveau zurück. Die Energie der ausgestrahlten Photonen hängt von der Wärme des Körpers ab. Glühender Stahl erscheint anfangs rot, je heißer der Stahl wird, desto mehr geht die Farbe ins gelblich-weiße über. 

Damit ein Körper genügend Energie absorbieren und in Wärme umwandeln kann, muss er aus einem geeigneten Material bestehen und eine entsprechende Oberflächenbeschaffenheit aufweisen. Er muss ein gutes Absorptionsvermögen und deshalb eine rauhe Oberfläche besitzen, denn ein Körper mit einer glatten Oberfläche reflektiert sehr viel Strahlung, auch die aus seinem Körperinneren kommende. Er besitzt nur geringe thermische Strahlung. Als Maßzahl dient der spektrale Emissionsgrad e(l), er beschreibt die Material- und Oberflächenabhängigkeit der Strahlungsemission.

Absorbiert ein Körper die gesamte auftreffende Strahlung, wird von einem schwarzen Körper gesprochen. Ein schwarzer Körper besitzt den maximalen spektralen Emissionsgrad e = 1.
Die thermische Ausstrahlung eines schwarzen Körpers ist nur von seiner Temperatur abhängig und wird durch das Planck'sche Strahlungsgesetz, welches die spektrale Strahldichte L in Abhängigkeit von der Wellenlänge und der absoluten Temperatur der Oberfläche definiert, beschrieben. Zusätzlich verschiebt ein Schwarzer Körper seine Strahlungsdichte (Wien'sches Verschiebungsgesetz) mit steigender absoluter Temperatur in Richtung kürzerer Wellenlängen. Dies wird durch die folgende Abbildung veranschaulicht.

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Die Abbildung stellt die spektrale Strahldichte eines schwarzen Körpers für vier verschiedene Temperaturen dar. Dabei ist zu erkennen, dass bei einer Temperatur von 273 K = 0°C das Maximum der emittierten Strahlung im Infrarotbereich bei ca. 10 mm liegt. Mit zunehmender Temperatur steigt die Strahldichte bei allen Wellenlängen - ihr Maximum verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen. Bei einem schwarzen Körper mit einer Temperatur von 6000 K liegt das Maximum der Emission bei 480 nm, also mitten im Bereich des sichtbaren Lichts. Da die Kurve in der Umgebung des Maximums relativ flach ist, nehmen wir die emittierte Strahlung als weißes Licht wahr. Unsere Sonne kann näherungsweise als ein solcher schwarzer Körper angesehen werden. Diese Kurve gibt also Auskunft über Intensität und Spektralverteilung der Sonnenstrahlung.

Deutlich ist die Spektralverteilung der insgesamt von der Erdoberfläche (T = 273 K) nach oben ausgehenden Strahlung zu erkennen. Dies ist einerseits die reflektierte Sonnenstrahlung mit einem Maximum im Bereich des sichtbaren Lichts. Mit ihr sind in der Fernerkundung Aussagen über das Reflexionsvermögen bestrahlter Objekte möglich. Andererseits emittieren diese Objekte aber auch Strahlung infolge ihrer Eigenwärme. Es sind also Aussagen über die Temperatur der Geländeoberfläche möglich.

Die 'scheinbare' Temperatur eines Körpers, die durch Messung der emittierten Strahlung unter der Annahme e = 1 erhalten wird, heißt Strahlungstemperatur. Sie ist immer geringer als die wahre Temperatur.

Aus dem Planck'schen Strahlungsgesetz lassen sich weitere wichtige Gesetzmäßigkeiten, wie das Wien'sche Verschiebungsgesetz und das Stefan-Boltzmann'sche Strahlungsgesetz ableiten. 
Das Wiensche Verschiebungsgesetz definiert die Beziehung zwischen der Wellenlänge mit dem maximalem Emissionsvermögen und der Temperatur eines schwarzen Körpers. Es zeigt also an, bei welcher Wellenlänge das spektrale Emissionsvermögen sein Maximum erreicht.

lmax * T = 2898 mm * K

Mit dem Wienschen Verschiebungsgesetz lässt sich bei bekannter Oberflächentemperatur die Wellenlänge bestimmen, für die ein Sensor, mit dem ein Gebiet aufgenommen werden soll, sensibilisiert sein sollte. Die Erdoberfläche mit durchschnittlichen Temperaturen von 300 K sollte  beispielsweise  im Spektralbereich von 2898 / 300 = 9.7 mm aufgenommen werden.

Das ferne oder auch thermische Infrarot ist also keine direkte Reflexion des Sonnenlichts. Vielmehr stellt es die in Wärmestrahlung umgesetzte absorbierte Sonnenstrahlung, die von der Erdoberfläche abgestrahlt wird, dar. Ihre Wellenlänge hängt von der Temperatur des abstrahlenden Objekts ab. Je höher diese ist, umso kurzwelliger ist die abgegebene Strahlung. Ein Vorteil der Thermalstrahlung ist die Unabhängigkeit von Sonnenlicht. Messungen sind deshalb auch bei Dunkelheit möglich.

Die Strahlungsmessung im Thermalbereich kann nur mit Rotationsabtastern durchgeführt werden. Die Messung der emittierten Strahlung (Bestrahlungsstärke) folgt ebenfalls aus Strahlungsfluss pro Fläche. Des Weiteren werden bestimmte Systemparameter berücksichtigt, so dass nachfolgende verallgemeinerte Form entsteht:

ED =  f ( Strahldichte, Transmissionsgrad d. optischen Systems, Brennweite, Öffnungsdurchmesser d. abbildenden optischen Systems)

Die Strahldichte ist im Thermalbereichvon der Temperatur T des abgetasteten Objekts sowie von dessen spektralen Emissionsgrad e abhängig. Um jedoch die Temperatur aus der gemessenen Bestrahlungsstärke ED ableiten zu können, muss der Emissionsgrad des aufgenommenen Objektes bekannt sein. Dazu können stichprobenweise vor Ort einige Emissionswerte gemessen oder der Emissionswert aus vorhandener Literatur für eine bestimmte Objektklasse entnommen werden.

Die von der Geländeoberfläche emittierte Strahlung wird zusätzlich von der Atmosphäre beeinflusst. Beim Durchdringen derselben bis zur Flughöhe h der Fernerkundungsplattform wird die Strahlung, abhängig von der jeweiligen Wellenlänge, teilweise absorbiert. Der Transmissionsgrad t der Atmosphäre muss also berücksichtigt werden. Die Atmosphäre emittiert jedoch selbst Thermalstrahlung und zwar umso mehr, je geringer ihr Transmissionsgrad ist. Emissionsvermögen und Transmissionsgrad sind dabei im Wesentlichen von Kohlendioxid- und Wasserdampfgehalt abhängig. Die Thermalstrahlung der Atmosphäre wird in beide relevanten Richtungen, also in Richtung Erdoberfläche und in Richtung Abtaster, abgestrahlt.

Um die Bestrahlungsstärke des Detektors durch Thermalstrahlung unter Berücksichtigung der Atmosphäre angeben zu können, müssen folgende Größen berücksichtigt werden:

• Nadirwinkel, unter dem das jeweilige Bildelement aufgenommen wird,

• spektraler Transmissionsgrad des optischen Systems des Abtasters,

• Emissionsgrad der Geländeoberfläche,

• spektrale Bestrahlungsstärke der Geländeoberfläche durch Himmelsstrahlung - abhängig von vertikaler Temperatur- und Feuchteverteilung in der Atmosphäre,

• spektraler Transmissionsgrad der Atmosphäre von der Geländeoberfläche bis zur Höhe h,

• spektrale Strahldichte der Atmosphäre in der Höhe h in Richtung vom Geländeelement zum Abtaster.

Diese benötigten Größen können mit einem Atmosphärenmodell ermittelt werden, welches Temperatur- und Feuchtedaten verarbeitet.

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