T.C İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ JEOFİZİK MÜHENDİSLİĞİ UZAKTAN ALGILAMA

ELEKTROMaGNETİK SPEKTRUM ENERJİNİN İLETİMİ, SOĞURULMASI ve YALITIMI ( atmosferde ki enerji etkilesImleri ) 1302070048 Necati satir 1302070046 Orkun tekIsIk 1302090055 aysegul ucar 1302090046 kumsal gündüz

ELEKTROMANYETİK SPEKTRUM

Elektromagnetik Spektrum

Güneşin Elektromanyetik Spektrumu Güneş ışınımı değişik dalga boylarında yayınlanır. Yayınlanan bu dalga boylarının sıralı görünümü de güneş spektrumu olarak isimlendirilir. Bilinen tam adı ise elektromanyetik güneş spekturumudur. Tam olarak ifade edilecek olursa; güneşten yayınlanan ve bilinen farklı dalga boylarındaki tüm elektromanyetik radyasyonun butanes elektromanyetik Güneş Spektrumu olarak isimlendirilir. Anılan bu spektrumda, güneş ışınımı dalga boylarına göre sıralanır ve aşağıda verilen temel gruplar ile ifade edilir. Gama Işınları X- Işınları Ultraviole Işık Görünür (Visible ) Işık Kızıl Ötesi (Infrared) Işık Radyo Dalgaları olarak bilinir.

1- Gama Işınları En enerjik dalgalar olarak bilinen gama ışınları; en kısa dalga boylarına sahip, ancak buna bağlı olarak da en yüksek frekanslara ve en büyük foton enerjisine sahiptirler. Gama ışınları nükleer reaksiyonla üretilebilirler. Madde içinden geçtiklerinde maddenin atomları ve molekülleri dışındaki elektronların tamamına çarparlar. Bu çarpışma sonucunda meydana getirdikleri iyonlaşmadan dolayı Gama Işınlarına bazen “iyonize radyasyon” da denir. Gama ışınları ile iyon oluşumu çok tepkiseldir. Yaşayan organizmaların, bu iyonize eden radyasyona maruz bırakılması yok edici etkilere sebep olabilir. Bunun yanı sıra kontrollü kullanımı ile besinler üzerindeki mikropların öldürülmesi söz konusudur.

2- X- Işınları Elektromanyetik spektrumda Gama Işınlarından bir adım daha uzun dalga boyuna sahip (daha düşük frekans ve daha küçük enerji) grup ise X ışınları olarak bilinir. X ışınları da nükleer tepkimelerle gerçeklenebilirler. Ancak çok hızlı hareket eden elektronlar ile metal yüzeylerin bombardıman edilmesiyle de üretilebilir. Güneş yüzeyinde oluşan fırtınalarda yoğun şekilde bulunurlar. X ışınları da iyonize radyasyonlardır ancak gama ışınlarından daha az potansiyele sahiplerdir. X ışınları düşük bir enerjiden daha yüksek bir enerjiye giden atomdaki elektronları yapabilir fakat hep atom olmaya çalışır. Atomik bir çekirdeğin enerjisini de değiştirebilir. Bu ışınlar elektronları ve atomik çekirdekleri saptırdığından, tıbbi amaç ve moleküllerin tam yapılarının araştırılması için kullanılır. X ışınları ve gama ışınlarının ikisi de yıldız ve galaksilerde astrofiziksel işlemlerle oluşur ve onlar dünyayı sürekli bombardımana tutan “ kozmik ışınların “ parçasını oluştururlar.

3- Ultraviyole Işık Ultraviyole radyasyon, güneş spektrumunun özel bir bölümüdür. Ultraviyole radyasyon, elektromanyetik spektrumun görünür ışıktan daha kısa dalga boylu (doğal olarak daha yüksek enerjili) olan belli bir parçasını oluşturur. Bu konudaki detaylı bilgi “ultraviyole radyasyon nedir” ana başlığı verilmiştir.

4- Görünür (Visible) Işık Ultraviyole Radyasyondan biraz daha uzun dalga boyuna sahip görünür ışık, elektromanyetik spektrumun dar bir bölümünde yer almıştır. Göz retinasındaki renk pigmentleri ile direk ilişkili olduğundan, bizim görmemize yardımcı olur. Görünür radyasyon iyonize değildir. Atom ve moleküllerle ilişkisi; hemen hemen sahip olduğu tüm enerjiden, başka bir enerjiye dönüşen elektronların sonucudur. Ancak moleküller için sınırlı kalır. Gerçek şudur ki fotonları emen farklı enerjilere sahip farklı maddeler, sahip oldukları farklı renklerin dışardan algılanmasının sonucudur. İnsan gözü 400 nm ile 700 nm aralığında ki elektromanyetik radyasyona duyarlıdır. Bütün renkler bu dalga boyu aralığında görünen gökkuşağında bulunur (menekşe, çivit, mavi, yeşil, sarı,turuncu ve kırmızı). En kısa dalga boyları (en büyük foton enerjisi) menekşe rengi olarak algılanır, en uzun dalga boyu (en küçük foton enerjisi) ise kırmızı olarak algılanır. Bazı canlı türleri ışığı daha uzun veya daha kısa dalga boylarında algılayabilir.

5- Kızılötesi (Infrared) Işıklar Elektromanyetik spektrumda biraz daha uzun dalga boyunda (daha düşük enerjili) görünen bölüm spektrumunun kızıl ötesi bölümüdür (IR). Infrared ışınların enerjileri elektronların enerjilerini değiştirmek için çok küçüktür. Bunun yerine, infrared radyasyon; moleküllerin titreşim durumlarını değiştirme eğilimindedir ki bu, bir moleküldeki atomların çok hızlı ileri ve geri sallanması anlamına gelir. Moleküller kızılötesi ışınları emdiklerinde atomları daha hızlı hareket eder ve böylece moleküllerin sıcaklıkları artar. Isı lambaları bu prensiple çalışır. Isı taşınımı, infrared elektromanyetik radyasyonda çoğunlukla “radiant ısı” olarak bilinir.

6- Radyo Dalgaları Spektrumda daha da uzun dalga boyları Radyo Dalgalarıdır. İsminden de anlaşılacağı gibi; elektromanyetik spektrumun bu bölümünü biz radyo haberleşmesinde, televizyonda ve radarda kullanırız. Radyo dalgaları elektromanyetik spektrumun geniş bir bölümünü kapsar. Genelde (uhf, vhf, televizyon, radar, mikrodalga, milimetre dalga vb.) olarak alt bölümlere ayırırız, bu isimler kullanım yerine göre değişir. Atmosfer boyunca bu dalga boylarının yayılma yollarında ki farklılıklarından dolayı çeşitleri açıkça bellidir.

Yandaki şekilde görüldüğü üzere her bir ışına ait dalga boyu sınırları bir sonraki ile çakışabilir. Sınırlarda bir örtüşme söz konusudur. Bu nedenle sınırlar kesin çizgilerle belli değildir. Örtüşme alanlarındaki farklı ışınımların madde ile olan etkileşimleri aynıdır. Not: 1 nm = 10-9 metredir.

Elektromanyetik spektrumun uzaktan algılamayla ilgili bölgeleri ve dalga boyları aşağıda verildiği gibidir . 1- Optik dalga boyları : 0.3 - 16 µm A.Yansıyabilen dalga boyları a.Mor ötesi : 0.3-0.4 µm b.Görünür bölge : 0.4-0.7 µm Mavi : 0,4-0,5 µm Yeşil : 0,5-0,6 µm Kırmızı : 0,6-07 µm c.Yakın kırmızı ötesi : 0.7-0.9 µm d.Orta kırmızı ötesi : 0.9-3 µm B.Yayınabilen dalga boyları Termal kızılötesi : 3-15 µm 2- Mikrodalga dalga boyları : 0.83-133 cm A. Pasif mikrodalga : 1 mm-1 m B.Aktif mikrodalga (radar) a.SHF (süper yüksek frekans) : 1 cm-10 cm b.UHF (ultra yüksek frekans) : 10 cm-1 m

GÜNEŞ’İN ELEKTROMAGNETİK SPEKTRUMU

KIZILÖTESİ IŞINLAR INFRARED

Işınların Frekansları

Kızılötesi (Infrared) Işıklar Elektromanyetik spektrumda biraz daha uzun dalga boyunda (daha düşük enerjili) görünen bölüm spektrumunun kızıl ötesi bölümüdür (IR). Infrared ışınların enerjileri elektronların enerjilerini değiştirmek için çok küçüktür. Bunun yerine, infrared radyasyon; moleküllerin titreşim durumlarını değiştirme eğilimindedir ki bu, bir moleküldeki atomların çok hızlı ileri ve geri sallanması anlamına gelir. Moleküller kızılötesi ışınları emdiklerinde atomları daha hızlı hareket eder ve böylece moleküllerin sıcaklıkları artar. Isı lambaları bu prensiple çalışır. Isı taşınımı, infrared elektromanyetik radyasyonda çoğunlukla “radiant ısı” olarak bilinir.

Kızılötesi Işınların Dalga Boyu

Kızılötesi nedir? İnsan gözü, arka bölümündeki retina denen tabakadaki hücrelerin ışığa gösterdikleri duyarlılık ile görür. Retinada bulunan "retinal" isimli pigmentin bir ışık fotonunu algılamasıyla görme eylemi başlar. İşte bu "retinal" pigmenti yalnızca 400-700 nanometre (nm) aralığındaki dalga boyuna duyarlı olduğundan, insan gözü için "görünen ışık" yalnızca bu aralıktadır. Yani 400 nm'nin altındaki (morötesi-ultraviyole) ve 700 nm'nin üzerindeki (kızılötesi-infrared) dalga boyları retinal pigmentini uyaramaz. En yüksek uyarı 600 nm civarında olur. Kızılötesi spektrum, 700 nm'den radyo dalgalarına kadar uzanmaktadır. Bu aralıkta 750-1500 nm arası "yakın kızılötesi", 1500-7000 nm "ara kızılötesi", 7000-1000000 nm ise "uzak kızılötesi"dir.

Kızılötesi ışınların önemli kullanış yerleri son yıllarda yaygınlaşmıştır. Pek çok maddenin kimyasal analizi bu tür ışınların yardımıyla gerçekleştirilmektedir. Özellikle İkinci Dünya Savaşında yansıyıp gelen kızılötesi ışınların görünür hale getirilmesiyle, karanlıktaki cisimler fark edilmiştir. Bu tür ışınların ısı etkisini kullanan fırınlar ve cilt hastalıkları tedavisinde kullanılan lambalar yapılmıştır. Geliştirilen yeni hassas filmlerle, ışık vermeyen fakat sıcak cisimlerin fotoğrafını çekmek mümkün olmaktadır. Bu tür fotoğraflar gün ışığında olabildiği gibi, karanlıkta da çekilebilir. Özellikle askeri sahada kullanılması, gün geçtikçe artmaktadır.

Kızılötesi kullanım alanları Gece görüş sistemleri Kızılötesi, görünür ışığın yeterli olmadığı durumlarda gece görüş sistemlerinde kullanılmaktadır. Gece görüş sistemleri ortamdaki az sayıda fotonun elektronlara çevirilerek, kimyasal ve elektriksel bir süreçle yükseltilmesi esasıyla çalışır.Gece görüş sistemleri ile görüntülenir.

Termografi Kızılötesi ışınım cisimlerin sıcaklığını uzaktan belirlemeye yarar. Termografi (veya termal görüntüleme) genelde askeri ve sanayi amaçlarla kullanılsa da üretim maliyetlerinin düşmesiyle kızılötesi kameralar olarak tüketici pazarına da girmiş bulunmaktadır. Kızılötesi ışınım her sıcaklıktaki cisim tarafından yayınlandığından termografi sayesinde hiç ışık olmaksızın bütün ortamı görmek mümkündür. Bir cismin yaydığı kızılötesi ışınım miktarı sıcaklıkla birlikte arttığından, termografi sıcaklık farklarını da görmeyi sağlar.

Takip sistemleri Kızılötesi takip sistemleri (kızılötesi güdüm sistemleri olarak da bilinir) hedefin yaydığı kızılötesi ışınımı, hedefi takip etmek için kullanır. Kızılötesi takip sistemi kullanan füzeler, sıcak cisimler kızılötesi ışık yaydığından "ısı güdümlü füze" olarak da bilinir. İnsanlar, araç motorları ve uçaklar gibi birçok nesne ısı ürettiğinden kızılötesi dalgaboylarında arkaplandan kolayca ayırt edilebilir.

Isıtma Kızılötesi ışınım bir ısı kaynağı olarak kullanılabilir Isıtma Kızılötesi ışınım bir ısı kaynağı olarak kullanılabilir. Kızılötesi sauna ve bazı elektrikli sobalarda ısınma amacıyla, uçak kanatlarında ise oluşan buzu eritmek amacıyla kullanılırlar. Kızılötesi ışınım aynı zamanda bir sağlık ve fizyoterapi alanında da kullanılmaktadır. Kızılötesi ışınım etraflarındaki havayı ısıtmadan sadece ışık geçirmeyen cisimleri ısıttığından yemek pişirme için de kullanılabilir.

Meteoroloji Meteoroloji uyduları termal ve kızılötesi fotoğraflar çekebilen radyometrelerle donatılmıştır. Bu fotoğrafları kullanarak eğitimli analistler bulutların yüksekliklerini ve tiplerini belirleyebilir, kara ve deniz sıcaklıklarını ölçebilir ve okyanus yüzey olaylarını görebilirler.

Sanat tarihi Sanat tarihçilerinin verdiği isimle kızılötesi reflektogramlar resimlerin alt katmanlarında gizli çizimleri günışığına çıkartabilir. Karbon siyahı resmin tüm arkaplanını boyamak için kullanılmadığı sürece reflektogramda iyi görüntü verir. Sanat tarihçileri, sanatçının resim üzerinde daha sonradan yaptıkları düzeltmeleri (pentimento) bu metodla görebilirler. Bu bilgi bir resmin orijinali olup olmadığını anlamakta faydalıdır. Genellikle bir resimde ne kadar pentimento varsa orijinal olma olasılığı o derece fazladır. Bu metod aynı zamanda sanatçının çalışma yöntemine dair de ipuçları verir.

Bu resim Arizona’nın Londsat 5 uydusu tarafından toplanan yakın kızılötesi bilgileri olarak gösterilmektedir. Işık alanları; kızılötesi dalgaların, yüksek yüzeye çarpan ışıkla yansıyan ışık arasındaki orandır. Siyah alanlar küçük yansımaları gösteriyor

Bu görüntü bilgileri ile görünür ışık bilgilerini mavi ve yeşil dalga boylarında gösterir. Eğer yakın kızılötesi sağlıklı bitkilerle yansırsa küçük kare görüntüleri oluşmaktadır.

GOES 6 ve Landsat 7 gibi uydular yeryüzüne doğru konumlanmıştır.. Yeryüzünün yüzeyinden yayılan veya yansıyan kızıl ötesi ışınları kaydetmek için konumlanmıştır.

Diğer uydular, kızılötesi astronomi uydusu (IRAS) gibi, uzaydan görünen ve büyük bulutlarda meydana gelen toz ve gaz gibi, yıldızlar ve galaksilerin kızılötesini ölçer.

İnsanlar kızılötesi ışınları göremeyebilir. Fakat bunları sıcaklık vb İnsanlar kızılötesi ışınları göremeyebilir . Fakat bunları sıcaklık vb. gibi hissedebilir. Bilirsiniz ki yılanlar sağır hayvanlar ailesindendir. Örneğin; çıngıraklı yılanlar çukur algılayıcıları vardır. Yılana verilen bu izin sıcakkanlı hayvanları keşfetmesi ve hatta oyukların yerini belirlemesi içindir. Yılanların çukur algılayıcıları, aynı kızılötesindeki bazı derinlik algılayıcıları düşüncesi gibidir.

ATMOSFERDE ENERJİ ETKİLEŞİMLERİ Kaynağının  gücü uzaktan algılayıcılar ile araştırılan radyasyon, atmosferin çeşitli kalınlıklarından bir doğrultu boyunca geçer. Bu doğrultunun uzunluğu geniş bir aralıkta değişebilir. Örneğin uzaydan elde edilen bir görüntüde güneş ışığı, atmosferin tüm kalınlığını boydan boya iki kez geçerek algılayıcıya ulaşır. Diğer taraftan uyduya göre zorunlu olarak daha kısa bir atmosfer kalınlığında hareket eden havada taşınır bir termal algılayıcı da, atmosferden geçerek gelen yeryüzü cisimlerine ilişkin doğal ısıyı kayıt eder

İşte elektromanyetik radyasyonun içinde geçmek zorunda olduğu atmosfer, gaz molekülleri, su buharı, toz zerrecikleri gibi çok değişik partiküller içerdiğinden bir etkileşme yeteneğine sahiptir. Gerçekte de uzaktan algılamanın bir çok meteorolojik uygulamasında atmosfer, birinci derecede ilgili cisim olma özelliğini taşır. Yeryüzünü kuşatan bu atmosfer ağının etkisi, algılanan enerji sinyalinin büyüklüğü, mevcut atmosferik koşullar ve dalga boyuna bağlı olarak değişir ve enerjinin atmosferde bir doğrultu boyunca yayılımında, kat ettiği yolun uzunluğunu engeller.

Saçılma(scattering) Güneş tarafından ortaya çıkarılan ve yeryüzüne gönderilen burada cisim tarafından yayılan radyasyonun saçılmasına atmosferde asılı bulunan küçük toz ve duman tanecikleri neden olmaktadır. Üç çeşit saçılma olayı vardır : Rayleigh saçılması Mie saçılması Seçimsiz saçılma

Saçılma Rayleigh saçılması: Atmosferin üst tabakalarında oluşan ve askıda bulunan maddelerin büyüklükleri, ışının dalga boyundan küçük olduğunda oluşan saçılma türüdür. Rayleigh saçılmanın en tipik belirtisi gökyüzünün mavi gözükmesidir. Güneş ışığının saçılması sonucu görünen ışığın en küçük dalga boyu olan mavi görünür. Saçılma olmaması durumunda gökyüzü siyah görünecektir.

Saçılama Sabah veya akşamın  ilk saatlerinde ise güneşin kırmızı gözükmesi güneş ışınlarının ortalama gün boyundan daha fazla atmosferik yol kat etmelerindendir. Daha uzun yolda güneş ışığının mavi ve yeşil bileşenleri atmosferde emildiğinden, saçılma, daha uzun dalga boyuna sahip bulunan kırmızıyı etkin kılar.

Saçılama Rayleigh saçılma aynı zamanda “Atmosfer ışığı olarak da isimlendirilir ve fotoğrafik görüntüsünün “puslu” olmasının başlıca nedenlerinden biridir. Pus, görüntüde kontrastlığı azalttığı gibi özellikle yüksek irtifadan çekilen renkli resimlere ait görüntülerde mavimsi-gri bir ton oluşturur. Kısa dalga boylarını geçirmeyen bir filtre hava kamerasına ait merceğin önüne yerleştirildiğinde fotoğraftaki bu olumsuz etki azaltılır yada tamamen ortadan kaldırılır.

Saçılma Mie saçılması: Seçimsiz saçılma Saçılmanın diğer bir türü “Mie saçılma” olup, atmosferdeki partiküllerin çapları, algılanan enerjinin dalga boyuna eşit olması durumunda ortaya çıkar. Su buharı ve toz zerrecikleri Mie saçılmanın başlıca nedenleridir. Saçılmanın bu şekli Rayleigh ile kıyaslandığında, daha uzun dalga boylarını etkileme eğiliminde olduğu görülür. Seçimsiz saçılma Saçılmaya neden olan atmosferik partiküllerin çapları, algılanan enerjinin dalga boyundan büyük olması durumunda “nonselective = seçilemeyen saçılmada” söz konusu olur. Bu gibi saçılma özellikle su damlacıkları etkin bir rol oynar. Genellikle 5 ile 100 mikronluk bir çapa sahip olduklarından eşit miktarda kızıl ötesi dalga boylarını yansıtır ve bütünüyle görülebilen bir saçılma yaparlar. Bu yüzden bulut ve sis parçacıkları beyaz renge sahip olarak görülürler.

Saçılma dp<<dalga boyu Rayleigh saçınımı (Sr) dp=dalga boyu Mie saçınımı (Sm) dp>>dalga boyu Seçilemeyen saçınım (Sn)

Soğurma (absorbtion=emilim) Saçılmanın tersine atmosferik soğurma, atmosfer içinde enerjinin etkili bir biçimde kaybolması ile sonuçlanır. Güneş radyasyonun en etkin soğurucuları; su buharı, karbondioksit ve ozondur. Çünkü bu gazlar özel dalga boyu bandlarında elektromanyetik enerjiyi yutma eğilimindedirler. Atmosferde enerjinin özel olarak geçirgenleştiği dalga boyu alanları “atmosferik pencere” olarak isimlendirilir.

Atmosferik pencere Atmosferik pencere atmosferdeki geçirilebilen dalga boylarını gösterir. Uzaktan algılamada atmosferdeki yutulma nedeniyle sadece belirli dalga boylarında algılama yapılabilir. Böylelikle tasarımcılar algılayıcıları söz konusu kısıtlamaları göz önünde bulundurarak tasarlamaktadırlar

Soğurma Yeryüzünden yayılan “sıcak” enerji “termal tarayıcı” gibi aletler ile 8-14 mikron dalga boyları arasında algılanır. ”Multispektral = çok bantlı tarayıcılar” aynı anda çok katlı uçlar arasında algılama yapma yeteneğine sahip olup görülebilen alandan, termal bölgeye kadar geniş bir dalga bandında çalışırlar. “Radar ve pasif mikrodalga sistemleri” ise 1 mm. İle 1 m.lik bölgedeki atmosferik pencere arasında görev yaparlar.

Soğurma Dikkati çeken en önemli nokta; enerjinin kayıt edilmesi ve araştırılmasında kullanılan algılayıcıların spektral duyarlılığının, enerji kaynakları ile enerjiyi geçiren atmosferik pencere arasında “birbirine bağlı ve birbirini etkileyici” bir yapıda olmasıdır. Bu nedenle uzaktan algılama görevinde kullanılmak üzere seçilen bir algılayıcıda şu özellikler gözönünde bulundurulmalıdır: Algılayıcıcın spektral duyarlılığı, Algılanması istenen spektral bölgedeki atmosferik pencere durumu. Bu alanlarda mevcut enerjinin spektral yapısı, büyüklüğü ve kaynağı.

Radyans (radians) Radyans, yeryüzündeki herhangi bir obje tarafından ışınan enerjinin ölçüsü olarak ifade edilebilir. Birim alandan birim zamanda ve sabit açı içine yansıyan enerji olduğundan birimi; watt/steradyan/metrekare’dir. Uzaktan algılama uyduları için nesneden yansıyan ışığın ne oranda göründüğü olarak da tanımlaması yapılabilir.

Yansıma (reflection) enerjinin bir yüzeye çarparak yön değiştirmesi olayıdır. Yansımanın derecesi yüzey pürüzlülük özelliklerine ve enerjinin dalga boyuna bağlıdır. Yüzey pürüzlüğü dalga boyundan küçük yansımalar aynasal olan yansımalar (specular reflection) olarak tanımlanır. Bu tip yansımalar yüzeyin neredeyse pürüzsüz olduğu ayna benzeri objeler, parlak metaller, su yüzeyleri vb. gerçekleşir. Enerjinin objeye çarpma açısı ile yansıma açısı birbirine eşittir. Obje yüzeyi enerjinin dalga boyundan daha pürüzsüz olduğu için bu tip yansımalarda gelen enerjinin neredeyse tamamı tekbir yöne yansır.

Yansıma Yüzey pürüzlüğünün dalga boyundan büyük olduğu yansımalar ise dağılan yansımalar (diffuse reflections) olarak adlandırılır

Yayım (emissivity) Bir cismin kendi sıcaklığı nedeniyle yaptığı ışımanın ölçüsüdür. Yayımla ilgili temel fizik yasalarından Kirchoff, Stefan Boltzmann, Wien Yer değiştirme kanunları yayılan ışını açıklar Kara cisimleri için yayılan enerjinin emilen enerjiye oranı aynıdır (Krichoff). Kara cisminin birim başına yaydığı enerji, cismin sıcaklığı arttıkça artar (Stefan Boltzmann). Yayılan ışınımın dalga boyu ve nesnenin sıcaklığı arasında (λ=2897,8/T), Planck sabiti (2897,8 µm K) ile orantılıdır (Wien).