ปฏิสัมพันธ์ของพลังงานกับรูปลักษณ์พื้นผิวโลก

เมื่อพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านชั้นบรรยากาศมาตกกระทบพื้นผิวโลก จะเกิดปฏิสัมพันธ์ 3 แบบ คือ การสะท้อนพลังงาน (Reflection) การดูดกลืนพลังงาน (Absorption) และการส่งผ่านพลังงาน (Transmission) อันเป็นปรากฏการณ์สำคัญในการรับรู้จากระยะไกลของวัตถุบนพื้นผิวโลก สามารถเขียนเป็นสมการความสมดุลพลังงาน(Energy balance equation) ได้ดังนี้

EI (λ) = ER (λ) + EA (λ) + ET (λ)

โดยที่ EI (λ) = พลังงานตกกระทบ (Incident energy) ที่ความยาวคลื่น λ

ER (λ) = พลังงานสะท้อน ที่ความยาวคลื่น λ

EA (λ) = พลังงานดูดกลืน ที่ความยาวคลื่น λ

ET (λ) = พลังงานส่งผ่าน ที่ความยาวคลื่น λ

ภาพปฏิสัมพันธ์ของพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับพื้นผิวโลก
ภาพปฏิสัมพันธ์ของพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับพื้นผิวโลก

สัดส่วนของการดูดกลืน การส่งผ่าน การสะท้อนพลังงานแตกต่างกันตามชนิดของสสาร ทำให้สามารถแยกชนิดของวัตถุในภาพถ่ายได้ นอกจากนี้ในวัตถุเดียวกันสัดส่วนของการเกิดปฏิสัมพันธ์ทั้งสามนี้แตกต่างกันตามความยาวของช่วงคลื่นที่ตกกระทบอีกด้วย วัตถุสองชนิดอาจไม่แตกต่างกันในช่วงคลื่นหนึ่ง แต่สามารถแยกจากกันได้ในอีกช่วงคลื่นหนึ่ง ในช่วงคลื่นสายตามองเห็นความแตกต่างกันทางด้านเชิงคลื่นรังสีของวัตถุจะแสดงให้เห็นในรูปของสีต่างๆ เช่น การที่เราเห็นวัตถุเป็นสีเขียวเนื่องจากวัตถุนั้นสะท้อนพลังงานในช่วงคลื่นสีเขียวมาก

เนื่องจากระบบบันทึกพลังงานส่วนใหญ่บันทึกพลังงานสะท้อน ดังนั้นการศึกษาเพื่อแยกชนิดของวัตถุจึงเป็นการศึกษาการสะท้อนพลังงานของวัตถุซึ่งสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้ EI (λ) = ER (λ) + EA (λ) + ET (λ) “พลังงานสะท้อนเท่ากับพลังงานตกกระทบวัตถุ ลบด้วยผลรวมของพลังงานดูดกลืนกับพลังงานส่งผ่าน”

ลักษณะพื้นผิวหน้าของวัตถุเป็นสิ่งสำคัญที่มีอิทธิพลต่อการสะท้อนพลังงานวัตถุที่มีพื้นหน้าเรียบมุมสะท้อนพลังงานจะเท่ากับมุมตกกระทบ เป็นลักษณะการสะท้อนแสงตรง (Specular reflectors) ส่วนวัตถุที่มีผิวหน้าขรุขระ การสะท้อนพลังงานจะไม่เป็นระเบียบ เรียกว่า การสะท้อนแสงแพร่ (Diffuse reflection หรือ Lambertian reflection) อย่างไรก็ตามวัตถุส่วนใหญ่มีลักษณะผสมผสานกันระหว่างสองลักษณะนี้

นอกจากลักษณะของพื้นผิววัตถุแล้วยังต้องคำนึงถึงความยาวของช่วงคลื่นที่ตกกระทบวัตถุด้วย ถ้าเป็นพลังงานช่วงคลื่นสั้นเมื่อเปรียบเทียบกับขนาดอนุภาคของวัตถุที่ประกอบเป็นผิวหน้าวัตถุ หรือความต่างระดับของผิวหน้าวัตถุ การสะท้อนแสงอาจเป็นแบบให้ลักษณะวัตถุพื้นผิวขรุขระได้ แต่ถ้าในวัตถุชนิดเดียวกันนี้ได้รับพลังงานตกกระทบในช่วงคลื่นยาว เมื่อเปรียบเทียบกับผิววัตถุ การสะท้อนแสงอาจเป็นแบบลักษณะของวัตถุที่มีพื้นผิวราบได้

ภาพลักษณะการสะท้อนพลังงานจากพื้นผิววัตถุเรียบ และขรุขระ
ภาพลักษณะการสะท้อนพลังงานจากพื้นผิววัตถุเรียบ และขรุขระ

ในการรับรู้จากระยะไกล เป็นการวัดสัดส่วนในการสะท้อนพลังงานของวัตถุบนผิวโลก ณ ช่วงคลื่นใดช่วงคลื่นหนึ่ง เรียกว่า ความสะท้อนเชิงสเปกตรัม (Spectral Reflectance) ซึ่งหาได้จากสมการ

ρλ = Eλ (λ) / EI (λ)

 โดยที่ ρλ = ความสะท้อนเชิงสเปกตรัม ที่ช่วงคลื่น λ

มักนิยมแสดงเป็นอัตราส่วน หรือร้อยละระหว่างพลังงานสะท้อนต่อพลังงานตกกระทบ

ดังนั้นพลังงานที่วัดได้โดยเครื่องรับรู้จึงประกอบด้วยพลังงานที่สะท้อนหรือแผ่จากพื้นผิววัตถุ พลังงานบางส่วนจากปฏิสัมพันธ์ในชั้นบรรยากาศ พลังงานที่สะท้อนกลับโดยตรงจากก้อนเมฆ ค่าที่วัดได้นี้จะน้อยหรือมาก หรือเปลี่ยนแปลงไปขึ้นอยู่กับสภาวะของบรรยากาศ มุมของดวงอาทิตย์ ตำแหน่งของครื่องรับรู้ คุณสมบัติของวัตถุในการสะท้อน การดูดกลืน และการส่งผ่านพลังงาน

ที่มา : ตำราเทคโนโลยีอวกาศและภูมิสารสนเทศศาสตร์