แหล่งพลังงานและหลักการแผ่รังสี (Energy Sources and Radiation Principle)

แหล่งพลังงานและหลักการแผ่รังสี (Energy sources and radiation principle)

ความยาวคลื่น

ความยาวคลื่นของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (ภาพที่ 3.2) เป็นพลังงานต่อเนื่องที่มีค่าความยาวของช่วงคลื่นหลายเมตรถึงเศษส่วนของพันล้านเมตร (Nanometer; 10-9 เมตร) โดยดวงอาทิตย์เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานในรูปแม่เหล็กไฟฟ้าทางธรรมชาติที่สำคัญและเป็นหลักทางการรับรู้จากระยะไกล ซึ่งจะแผ่พลังงานไปตามทฤษฎีของการแผ่พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic theory) แยกออกเป็นทฤษฎีคลื่น (Wave theory) และทฤษฎีอนุภาค (Particle theory) ซึ่งในทางการรับรู้จากระยะไกลจะใช้ทฤษฎีคลื่นเป็นหลักที่มีการเคลื่อนที่แบบฮาร์โมนิค(Harmonic motion) มีช่วงซ้ำและจังหวะเท่ากันในเวลาหนึ่งมีความเร็วเท่าความเร็วแสง (c) ระยะทางจากยอดคลื่นถึงยอดคลื่นถัดไปเรียกว่าความยาวคลื่น (λ) และจำนวนยอดคลื่นที่เคลื่อนผ่านจุดคงที่จุดหนึ่งต่อหน่วยเวลาเรียกว่า ความถี่คลื่น (f) ซึ่งมีความสัมพันธ์ กับความเร็วคลื่น คือ

Λ = C/F

โดยที่  λ = ความยาวคลื่น

c = ความเร็วของคลื่นมีค่าคงที่ 3 x 108 เมตร/วินาที

f = ความถี่คลื่น จำนวนรอบต่อวินาที (cycle/sec หรือ hertz)

จากสมการความยาวคลื่นกับความถี่คลื่น มีความสัมพันธ์กันแบบผกผัน คือ ความยาวคลื่นมากความถี่คลื่นจะน้อย ความยาวคลื่นมีหน่วยวัดเรียกว่า ไมโครเมตร (Micrometer) หรือไมครอน (Micron, μ) ซึ่งเท่ากับ 0.000001 เมตร หรือ 10-6 เมตร มีรายละเอียดของความยาวคลื่นในมาตราเมตริกดังตาราง

หน่วย ความยาว
กิโลเมตร (km) 1,000 m
เมตร (m) 1.0 m
เซนติเมตร (cm) 0.01 m = 10-2
มิลลิเมตร (mm) 0.001 m = 10-3
ไมโครเมตร (μm) 0.000001 m = 10-6
นาโนเมตร (nm) 10-9
อังสตรอม (A°) 10-10

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบ่งตามความยาวคลื่นที่เรียกว่า ช่วงคลื่น (Band) ตั้งแต่ช่วงคลื่นที่สั้นที่สุด คือ รังสีคอสมิก (Cosmic rays) มีความยาวช่วงคลื่นน้อยกว่า 10-10 เมตร จนถึงช่วงคลื่นวิทยุที่มีความยาวคลื่นหลายกิโลเมตร สำหรับคุณสมบัติของช่วงคลื่น ประกอบด้วยช่วงคลื่นตามลำดับความยาวดังนี้ รังสีแกมมา รังสีเอกซ์ อัลตราไวโอเลต ช่วงคลื่นตามองเห็น อินฟราเรด ไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุ

ภาพลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic spectrum)
ภาพลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic spectrum)
ภาพช่วงคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ภาพช่วงคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ช่วงคลื่นที่ใช้ประกอบในการรับรู้จากระยะไกล แบ่งได้เป็น 2 กลุ่ม คือ

  • ช่วงคลื่นเชิงแสง (Optical wavelength) อยู่ระหว่าง 0.4-14 ไมโครเมตร สามารถถ่ายภาพและบันทึกภาพด้วยฟิล์มถ่ายรูป และเครื่องรับรู้ ประกอบไปด้วย ช่วงคลื่นที่มีผลตอบสนองต่อตาของมนุษย์ หรือช่วงคลื่นตามองเห็น (Visible light) อยู่ระหว่าง 0.4-0.7 ไมโครเมตร แบ่งเป็น 3 ช่วงคือ น้ำเงิน เขียวและแดง ถัดมาเป็นช่วงคลื่นอินฟราเรดใกล้ (Near infrared) หรืออินฟราเรดสะท้อนซึ่งอยู่ระหว่าง 0.7-3 ไมโครเมตร และอินฟราเรดความร้อน (Thermal infrared) ระหว่าง 3-15 ไมโครเมตร
  • ช่วงคลื่นไมโครเวฟ อยู่ระหว่าง 1 มิลลิเมตรถึง 1 เมตร โดยช่วงคลื่นในกลุ่มนี้ มักนิยมเรียกหน่วยนับเป็นหน่วยความถี่ ต่างจากกลุ่มช่วงคลื่นเชิงแสงที่มีหน่วยเป็นความยาวคลื่น ที่รู้จักกันดีก็คือระบบเรดาร์ ซึ่งจะทำการบันทึกข้อมูลในช่วงคลื่นความถี่ระหว่าง 3-12.5 GHz (ความยาวคลื่นระหว่าง 2.4-100 เซนติเมตร) นิยมใช้ตัวอักษรบอกช่วงคลื่น แบ่งเป็นช่วงคลื่นต่างๆ ได้ดังนี้

ช่วงคลื่น K ความถี่ 12.5 – 40   GHz     หรือ ความยาวคลื่น  0.70 – 2.4   เซนติเมตร

ช่วงคลื่น X ความถี่  8 – 12.5    GHz     หรือ ความยาวคลื่น   2.4 – 3.75  เซนติเมตร

ช่วงคลื่น C ความถี่      4 – 8   GHz     หรือ ความยาวคลื่น   3.75 – 7.5  เซนติเมตร

ช่วงคลื่น S ความถี่      2 – 4    GHz     หรือ ความยาวคลื่น     7.5 – 15  เซนติเมตร

ช่วงคลื่น L ความถี่      1 – 2    GHz     หรือ ความยาวคลื่น      15 – 30 เซนติเมตร

ช่วงคลื่น P ความถี่    0.3 – 1   GHz     หรือ ความยาวคลื่น    30 – 100  เซนติเมตร

ตารางช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และคุณสมบัติ

ช่วงคลื่น รายละเอียด รายละเอียด
รังสีแกมม่า (Gamma ray) < 0.03 ไมโครเมตร รังสีแกมม่าถูกดูดซึมทั้งหมดโดยบรรยากาศชั้นบน
รังสีเอกซ์ (X-ray) 0.03-3.1 ไมโครเมตร รังสีเอกซเรย์ถูกดูดซึมทั้งหมดโดยชั้นบรรยากาศเช่นกัน
รังสีเหนือม่วง หรือรังสีอัลตราไวโอเลต 0.03-0.4 ไมโครเมตร ช่วงคลื่นสั้นกว่า 0.3 ไมโครเมตร ถูกดูดซึมทั้งหมดโดยโอโซน(O3) ในบรรยากาศชั้นบน
ช่วงคลื่นไวโอเลตภาพถ่าย(Photographic UV band) 0.3-0.4 ไมโครเมตร ช่วงคลื่นสามารถผ่านชั้นบรรยากาศ สามารถถ่ายภาพด้วยฟิล์มถ่ายรูป แต่การกระจายในชั้นบรรยากาศเป็นอุปสรรคมาก
ช่วงคลื่นตามองเห็นได้ 0.4-0.7 ไมโครเมตร บันทึกภาพด้วยฟิล์มและอุปกรณ์บันทึกภาพได้รวมทั้งช่วงคลื่นโลกมีการสะท้อนพลังงานสูงสุด (Reflected energy peak) ที่ 0.5 ไมครอน ช่วงคลื่นแคบที่มีผลตอบสนองสายตามนุษย์ แบ่งได้ 3 ช่วงคือ0.4-0.5 ไมโครเมตร (สีน้ำเงิน)0.5-0.6 ไมโครเมตร (สีเขียว)

0.6-0.7 ไมโครเมตร (สีแดง)

อินฟราเรด 0.7-1.00 ไมโครเมตร มีปฏิสัมพันธ์กับวัตถุตามความยาวคลื่นและการผ่านชั้นบรรยากาศ มีการดูดซึมในบางช่วงคลื่น
ช่วงคลื่นอินฟราเรดชนิดสะท้อน(Reflected IR band) 0.7-3.0 ไมโครเมตร สะท้อนรังสีดวงอาทิตย์ ซึ่งไม่มีรายละเอียดเกี่ยวกับช่วงความร้อนของวัตถุช่วงคลื่น 0.7-0.9 ไมโครเมตร สามารถถ่ายรูปด้วยฟิล์ม เรียกว่า ช่วงคลื่นอินฟราเรด (Photographic IR band)
ช่วงคลื่นอินฟราเรดความร้อน 3-5 ไมโครเมตร8-14 ไมโครเมตร การบันทึกภาพต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ เช่น เครื่อง วาดภาพ
ไมโครเวฟ 0.1-30 เซนติเมตร ช่วงคลื่นยาวสามารถทะลุผ่านหมอกและฝนได้ บันทึกภาพได้ทั้งระบบเอ็กทิฟและระบบแพสซิฟ
เรดาร์ 0.1-3.0 เซนติเมตร ระบบแอ็กทิฟมีความยาวช่วงคลื่นต่างๆ เช่น Ka band (10 mm), X band (30 มิลลิเมตร) และ L band (25 เซนติเมตร)
วิทยุ (Radio) > 30 เซนติเมตร ช่วงคลื่นที่ยาวที่สุด บางครั้งมีเรดาร์อยู่ในช่วงนี้ด้วย

การแผ่รังสีของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า

การแผ่รังสีของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า สามารถอธิบายด้วยทฤษฎีอนุภาค กล่าวคือการแผ่รังสีของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ประกอบด้วยหน่วยอิสระที่เรียกว่าโฟตอน (Photon) หรือควอนตัม (Quantum) พลังงานของแต่ละควอนตัมจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความถี่ของคลื่น ดังนี้

E = HF

โดยที่  E = พลังงานของ 1 ควอนตัม มีหน่วยเป็น จูล (Joules)

h = ค่าคงที่ของพลังค์ (Planck’s constant) = 6.626 x 10-34 J.sec

f = ค่าความถี่ของคลื่น

หรืออาจจะเปลี่ยนให้อยู่ในรูปความยาวคลื่นได้ดังนี้ E = hc

ดังนั้นพลังงานจะเป็นสัดส่วนผกผันกับความยาวคลื่น คือ ความยาวคลื่นมากจะให้พลังงานต่ำ ถ้าวัตถุใดส่งพลังงานช่วงคลื่นยาว เช่น ไมโครเวฟ การตรวจรับพลังงานโดยอุปกรณ์ทางการรับรู้จากระยะไกลที่ช่วงคลื่นนี้จะยากกว่าการตรวจรับพลังงานที่ช่วงคลื่นสั้น ถ้าต้องการบันทึกพลังงานช่วงคลื่นยาวจะต้องบันทึกพลังงานในบริเวณกว้าง และใช้เวลาในการบันทึกนาน

ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่สำคัญที่สุดของการรับรู้จากระยะไกล อย่างไรก็ตาม สสารทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่าองศาสัมบูรณ์ (0 K หรือ -273 ํC) สามารถเปล่งพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่อง โดยมีขนาดและส่วนประกอบของช่วงคลื่นแตกต่างกันไป ซึ่งพลังงานที่วัตถุแผ่ออกมามากน้อยเพียงใดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของผิววัตถุ สามารถคำนวณได้จากกฎของ Stefan Boltzmann ดังนี้

 

W = ΣT4

โดยที่   W = พลังงานทั้งหมดที่เปล่งออกมาจากผิววัตถุ Wm-2

σ = ค่าคงที่ Stefan-Boltzmann ; 5.6697 x 10– 8 Wm-2 K-4

T = อุณหภูมิของวัตถุ (K)

การแผ่พลังงานทั้งหมดจากวัตถุเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิยกกำลัง 4 เห็นได้ว่าพลังงานที่ออกมาจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น กฎนี้ใช้ได้กับวัตถุที่มีลักษณะเรียกว่า “เทหวัตถุสีดำ (Black body)” ซึ่งเป็นวัตถุสมมติที่มีคุณสมบัติในการดูดกลืนพลังงานทั้งหมดที่มาตกกระทบ (Incident energy) และแผ่พลังงานออกไปได้สูงสุด ณ อุณหภูมิต่างๆ ซึ่งในความเป็นจริงไม่มีวัตถุใดที่มีคุณสมบัติแบบนี้ มีเพียงใกล้เคียงเท่านั้น โดยพลังงานที่แผ่ออกไปจะแปรผันกับอุณหภูมิของวัตถุและความยาวคลื่น

พลังงานที่แผ่ออกไปจะแปรผันกับอุณหภูมิของวัตถุและพลังงานนี้จะมีการกระจายของสเปกตรัมแตกต่างกันไปด้วย หรือมีสัดส่วนของสเปกตรัมแปรผันไปกับอุณหภูมิของวัตถุ ภาพที่ 3.4 แสดงความสัมพันธ์ของความยาวคลื่นกับพลังงานทั้งหมดที่เปล่งออกมาจากผิววัตถุ และพลังงานสูงสุดของวัตถุ การกระจายของสเปกตรัมตั้งแต่อุณหภูมิจาก 200 K ถึง 6,000 K ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นกับพลังงานที่แผ่รังสีออกมาต่อ 1 ไมโครเมตร ของช่วงคลื่น ซึ่งมีหน่วยเป็น Wm-2 μm-1 ดังนั้น พื้นที่ใต้เส้นโค้งจะเป็นพลังงานที่แผ่ออกมาทั้งหมด จะเห็นได้ว่าวัตถุหรือตัวแผ่รังสีที่มีอุณหภูมิสูงให้พลังงานทั้งหมดออกมาสูงกว่า จากภาพดังกล่าวพบว่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจุดยอดจะเอียงไปทางด้านที่มีความยาวคลื่นสั้น

ภาพการกระจายของสเปกตรัมของการแผ่รังสีจากเทหวัตถุสีดำกับอุณหภูมิต่างๆ
ภาพการกระจายของสเปกตรัมของการแผ่รังสีจากเทหวัตถุสีดำกับอุณหภูมิต่างๆ

อย่างไรก็ตาม สามารถคำนวณหาพลังงานต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่สำหรับความยาวคลื่นหนึ่งๆ ที่กำหนดจากกฎของพลังค์ ดังนี้

โดยที่  C1 ค่าคงที่ = 3.74 x 10 -16 W.m2

C2 ค่าคงที่ = 1.44 x 10 -2 m.K

T = อุณหภูมิ (K)

Wλ = พลังงานที่ความยาวคลื่น λ

เห็นได้ว่าพลังงานที่แผ่รังสีออกมาแปรผันไปตามอุณหภูมิ และความยาวช่วงคลื่น ดังนั้นเมื่อทราบอุณหภูมิก็สามารถคำนวณหาความยาวคลื่นที่ให้พลังงานสูงสุดได้จาก กฎการแทนที่ของเวียน (Wien’s displacementl law) ดังนี้

ΛM = C/T

โดยที่  λm = ความยาวคลื่นที่จะให้พลังงานสูงสุด

C = ค่าคงที่ 2.898 x 10-3 m.K

ตัวอย่างที่ 1 ที่พื้นผิวโลก มีอุณหภูมิ 300 K ดังนั้น

λm = (2.898 x 10 -3)/ 300 m

= 9.66 x 10 -6 m

= 9.66 ไมโครเมตร (ช่วงคลื่น Thermal infrared) หรือประมาณ 10 ไมโครเมตร

ดังนั้นอุณหภูมิของพื้นผิวโลก (พืช ดิน และน้ำ) ประมาณ 300 ํK มีพลังงานที่แผ่ออกมาสูงสุดเกิดขึ้นที่ความยาวคลื่นประมาณ 10 ไมโครเมตร หรือที่ช่วงคลื่นอินฟราเรดความร้อน เนื่องจากการแผ่รังสีออกมามีความสัมพันธ์กับความร้อนของพื้นผิวโลก จึงนิยมเรียกรังสีที่แผ่ออกมานี้ว่า พลังงานอินฟราเรดความร้อน (Thermal infrared energy) พลังงานนี้ไม่สามารถี่ตรวจวัดได้ด้วยการบันทึกด้วยกล้องถ่ายรูปที่ใช้ฟิล์มทั่วๆ ไปแต่สามารถบันทึกด้วยเครื่องมือพิเศษ เช่น เรดิโอมิเตอร์ (Radiometer) หรือ เครื่องกวาดภาพ ดวงอาทิตย์มีพลังงานที่แผ่ออกมาสูงสุดที่ความยาวคลื่นประมาณ 0.5 ไมโครเมตร ตาของมนุษย์และฟิล์มถ่ายรูปทั่วไปไวต่อพลังงานในช่วงคลื่นขนาดนี้ ดังนั้นเมื่อดวงอาทิตย์ขึ้นเราสามารถมองเห็นพื้นผิวโลก เนื่องจากการสะท้อนของพลังแสงอาทิตย์ พลังงานที่ความยาวคลื่นที่ยาวกว่านี้จะแผ่รังสีออกจากพื้นโลกเช่นกัน แต่สามารถสังเกตหรือตรวจวัดได้ด้วยระบบอื่นที่ไม่ใช่ฟิล์มถ่ายรูปทั่วๆ ไปดังกล่าวมาแล้ว การแบ่งขอบเขตระหว่างช่วงคลื่นอินฟราเรดสะท้อนกับอินฟราเรดความร้อนที่แผ่รังสีออกมาจากวัตถุประมาณ 3 ไมโครเมตร (ความยาวคลื่นต่ำกว่านี้ จะมีอินฟราเรดสะท้อนเป็นส่วนใหญ่ หากสูงกว่านี้จะเป็นอินฟราเรดที่แผ่ออกจากวัตถุเอง)

โดยทั่วไปแล้วระบบการรับรู้ (Sensing system) ที่สามารถตรวจวัดพลังงานที่สะท้อนจากวัตถุและแผ่รังสีออกมาโดยธรรมชาติเรียกว่า ระบบแพสซิฟ ไม่ว่าจะอาศัยดวงอาทิตย์ หรือเป็นพลังงานที่แผ่รังสีจากตัวเองส่วนระบบการรับรู้ที่มีแหล่งพลังงานที่สร้างขึ้นและส่งไปยังวัตถุเป้าหมายเรียกว่า ระบบแอ็กทิฟ เช่น ระบบเรดาร์ต้องส่งพลังงานที่สังเคราะห์ขึ้นไปกระทบวัตถุเป้าหมาย แล้วตรวจหา (Detect) พลังงานที่กระจัดกระจายกลับ(Backscatter)

ที่มา : ตำราเทคโนโลยีอวกาศและภูมิสารสนเทศศาสตร์