ปฏิสัมพันธ์ระหว่างพลังงานในชั้นบรรยากาศ (Energy interactions in the atmosphere)

คลื่นพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศ แล้วสะท้อนกลับสู่บรรยากาศก่อนที่จะถูกตรวจหาโดยเครื่องรับรู้ บรรยากาศของโลกทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของคลื่นพลังงานในด้านทิศทาง ความเข้ม ตลอดจนความยาวและความถี่ของช่วงคลื่นเพราะชั้นบรรยากาศ ประกอบด้วย ฝุ่นละออง ไอน้ำ และก๊าซต่างๆ ทำให้เกิดปฏิกิริยากับคลื่นพลังงาน 3 กระบวนการคือ การกระจัดกระจาย (Scattering) การดูดกลืน (Absorption) และการหักเห (Refraction) ทำให้ปริมาณพลังงานตกกระทบผิวโลกน้อยลง

การกระจัดกระจาย เกิดขึ้นเนื่องจากอนุภาคเล็กๆ ในบรรยากาศมีทิศทางการกระจายไม่แน่นอน ขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาค และความยาวคลื่น ซึ่งแยกได้ 3 ประเภท ดังนี้

– การกระจัดกระจายแบบเรย์ลี เกิดขึ้นเนื่องจากขนาดของอนุภาคมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเล็กกว่าความยาวคลื่นที่ตกกระทบ ทำให้เกิดสภาวะหมอกแดด (Haze) ส่งผลให้ความคมชัดของภาพลดลง

– การกระจัดกระจายแบบมี เกิดขึ้นเมื่อขนาดของอนุภาคมีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่น เช่น ไอน้ำ ฝุ่นละออง เกิดในความยาวของช่วงคลื่นยาวกว่าแบบเรย์ลี

– การกระจัดกระจายแบบไม่เจาะจง เกิดขึ้นเมื่อเส้นผ่าศูนย์กลางของอนุภาคมีขนาดใหญ่กว่าความยาวคลื่นที่ตกกระทบ เช่น หยดน้ำ หรือเมฆ โดยทั่วไปมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางอนุภาค 5-10 ไมโครเมตร จะสะท้อนความยาวคลื่นตามองเห็น และคลื่นอินฟราเรดสะท้อนได้เกือบเท่ากัน ซึ่งในช่วงความยาวคลื่นตามองเห็นปริมาณของคลื่นต่างๆ เช่น น้ำเงิน เขียว แดง และช่วงคลื่นสะท้อน ทุกทิศทางเท่ากันทำให้มองเห็นเมฆเป็นสีขาว

การดูดกลืน ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงาน การดูดกลืนพลังงานเกิดขึ้นที่ความยาวของคลื่นบางช่วง ในบรรยากาศ สสารที่เป็นตัวการดูดกลืน ได้แก่ ไอน้ำ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และโอโซน เนื่องจากสสารเหล่านี้ดูดกลืนพลังงานที่มีความยาวคลื่นเฉพาะ ดังนั้นจะมีบางช่วงคลื่นที่สามารถทะลุทะลวงผ่านชั้นบรรยากาศลงมาที่ผิวโลกได้เรียกว่า หน้าต่างบรรยากาศ (Atmospheric window) ดังแสดงในภาพที่ 3.5 ซึ่งมีหน้าต่างบรรยากาศในช่วงความยาวคลื่นตามองเห็น (0.3-0.7 ไมโครเมตร) และช่วงคลื่นอินฟราเรดสะท้อน ช่วงคลื่นอินฟราเรดความร้อน ช่วงของหน้าต่างบรรยากาศเหล่านี้มีประโยชน์ต่อการพัฒนาเลือกระบบอุปกรณ์รับรู้ที่สัมพันธ์กับการสะท้อนของช่วงคลื่นต่างๆ

การหักเห เกิดขึ้นเมื่อแสงเดินทางผ่านบรรยากาศที่มีความหนาแน่นไม่เท่ากัน ซึ่งปริมาณการหักเหกำหนดโดยค่าดัชนีของการหักเหที่เป็นอัตราส่วนระหว่างความเร็วของแสงในสุญญากาศกับความเร็วของแสงในชั้นบรรยากาศ ทำให้ทิศทางของแสงเปลี่ยนไป อันมีผลต่อความคลาดเคลื่อนของตำแหน่งที่ปรากฏบนภาพ แต่สามารถปรับแก้ไขได้โดยกระบวนการปรับแก้ภาพภายหลัง

ภาพช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับการทะลุทะลวงผ่านชั้นบรรยากาศสู่ผิวโลก
ภาพช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับการทะลุทะลวงผ่านชั้นบรรยากาศสู่ผิวโลก

ที่มา : ตำราเทคโนโลยีอวกาศและภูมิสารสนเทศศาสตร์