UZAKTAN ALGILAMA FİZİK İLKELERİ

... konulu sunumlar: "UZAKTAN ALGILAMA FİZİK İLKELERİ"— Sunum transkripti:

1 UZAKTAN ALGILAMA FİZİK İLKELERİ
Ali Kemal Aslan Arif Yavuz Gökhan Sekmen Ç.Tanacan Özdemir

2 Konu Başlıkları Uzaktan Algılamanın Tanımı
Uzaktan Algılamanın Kuramsal Temelleri Wien Yerdeğiştirme Yasası Stefan-Boltzmann Yasası Planck Yasası Elektromanyetik Enerji Tanımı Kirchoff Yasası Elektromanyetik Radyasyon Elektrmanyetik Spektrum

3 Ua kısa biçimde ise telekayıt ya da Dünya’nın gözlenmesi olarak tanımlanabilir. Genel anlamda ise UA çoğunlukla görüntünün oluşturulması ile konum olarak durağan veya hareketli, uzak mesafelerden yeryüzeyinin gözlenmesinde kullanılan yöntemler, teknikler ve araçların bütünüdür.

4 Bugün, yeryüzünün fiziksel yapısı hakkındaki pek çok bilgi uzaktan algılama teknikleri ile elde edilmektedir. Veriler ile ya bir görüntü oluşturabilir ya da daha sonraki aşamalarda kullanılmak üzere depolanabilir.

5 Uzaktan Algılamanın Kuramsal Temelleri ELEKTROMAGNETİK ENERJİ
SİYAH CİSİM: Isıyı tamamen soğuran yada yayan cisimlere verilen isimdir. Doğadaki tüm cisimler sıcaklıklarına bağlı olarak ışınım yaparlar ve ışıma termik ışıma olarak isimlendirilir. Cismin yaydığı termik ışıma enerjisi, cismin sıcaklığının fonksiyonu olarak “Stefan-Boltzmann Yasası” ile açıklanabilir. Bu yasaya göre ısıtılan cismin ortama yaydığı enerji Denklem 2.1 ile ifade edilebilir. Q= ε σ A t T^  2.1 Bir cismin birim yüzeyinden yaydığı toplam ışınım cismin mutlak sıcaklığı ile orantılıdır. E = σ T^4 

6 Burada ε cismin ısıyı yayma yada soğurma yeteneği, σ; Stefan sabiti (σ=5, W/m2 K4),A; cismin yüzeyi, T; cismin Kelvin cinsinden mutlak sıcaklığı ve t; zaman olarak verilmektedir. Cismin yayma sabiti ε yansıtıcı yüzeyler için 0 değerini alırken, enerjinin tamamını yayan veya soğuran cisimler için 1 değerine ulaşır. Doğadaki her cisim ışıma enerjisini yaymasının yanısıra, ışıma enerjisini soğurur. Bu nedenle 2.1 denklemindeki ε sabiti “ısıyı soğurma yada yayma yeteneği”olarak değerlendirilir. Isıtılan bir cismin yaydığı enerjinin dalgaboyuna göre değişimini açıklamak için siyah cisim tanımından yararlanılır. Isıtılan bir cismin yaydığı enerjiden elde edilen bilgi, hangi dalga boyunda ışıma yaptığının bilinmesi anlamına gelir. Bu kavramın detaylandırılmasında Stefan-Boltzmann yasası yetersiz kalır. Siyah cisim ışımasından destek almak gerekir.

7 Teorik olarak üzerinde küçük bir delik bulunan içi boşaltılmış, herhangi bir şekle sahip cisim olarak değerlendirilen siyah cisimin içine giren ışık, cismin iç duvarları tarafından ardışık yansımalar sonucu soğurulur. Eğer kutunun içi aynı sıcaklıkta ise, küçük delikten dışarıya yayılan ışıma, bu sıcaklığa bağlıdır. Bu durum, siyah cisim ışımasının elektromagnetik dalga yayılımı olduğu anlamına gelir. Siyah cisim ile ışık etkileşimi Şekil 2.1’de gösterilmektedir.

8 Deneysel çalışmalar kapsamında incelenen siyah cisimin farklı sıcaklıklarda ışıma enerjisinin, yayınlanan ışınımın dalgaboyuna göre nasıl değiştiği Şekil 2.2’de görülmektedir.

9 Her sıcaklıkta ışıma enerjisinin maksimum değeri, faklı dalgaboylarında oluşmaktadır. Artan sıcaklığa paralel olarak, ışıma enerjisinin maksimum değerine karşılık gelen dalgaboyu küçülmektedir. Bu durum Wien yasası olarak isimlendirilir ve Denklem 2.3 ile ifade edilir. Denklem 2.3'deki λmax ışıma enerjisinin maksimum değerine karşılık gelen dalgaboyu, T ise sıcaklıktır. Bu eşitlik daha sonra “Wien kayma yasası” olarak adlandırılmıştır. Wien kayma yasası, siyah cisim ışımasının kısa dalgaboyları için deneysel verilerle uyumlu olmasına rağmen, dalgaboyu büyüdükçe bu uyumun gerçekleşmediğini ortaya koyar. Rayleigh ve Jeans, Maxwell kuramından hareketle, kendi adlarıyla anılan “Rayleigh-Jeans ışıma yasası”nı bulmuşlardır. Bu yasada, Wien ışıma yasasının tersine, yalnızca uzun dalgaboyları için doğru sonuç vermekte, kısa dalgaboylarına gidildikçe yetersiz kalmaktadır.

10 Siyah cisim ışımasının maksimum olduğu dalga boyu ise Wien Yer Değiştirme kanunu ile açıklanmaktadır (Denklen 2.4). burada A = Wien yer değiştirme sabiti olup 0, cmK dir. Wien Yer Değiştirme kanununa göre; bir cisim tarafından yayılan ışınımın şiddeti bütün dalga boylarında aynı değildir, spektrumun belirli bir noktasında maksimumdur ve bu noktanın yeri cismin sıcaklığına bağlıdır. Stefan-Boltzmann yasası ışımanın sıcaklığın dördüncü kuvvetiyle değiştiğini gösterir. Wien yasası, şiddetin maksimum değerine karşılık bir dalgaboyu bulunabileceğini öne sürer. Rayleigh-Jeans yasası ise büyük dalgaboylu ışımalar için anlamlıdır. Planck’ın bulgularına göre maddenin ışıma enerjisini yayması ve soğurması düşünüldüğü gibi sürekli olmayıp, kesikli değerler de alabilir. Bu düşünceye paralel olarak Planck, siyah cisim ışımasının dağılımını çıkardı ve enerji dağılım fonksiyonunu Denklem 2.5’deki gibi belirledi.

11 Denklem 2. 5'te verilen c ışık hızı, k= 1
Denklem 2.5'te verilen c ışık hızı, k= 1.38x10-23 j/K Boltzmann sabiti, T sıcaklık ve h ise Planck sabitidir. Burada, Eν,ν ile ν+dν frekans aralığındaki çok küçük frekansa karşılık gelen, soğurulan veya yayılan ışıma enerjisi olarak verilmektedir. Siyah cisim de mümkün bütün frekanslarda ışığı soğurduğu veya yaydığına göre, soğurulan veya yayılan toplam ışıma enerjisi hν bir birim enerjinin tam katlarına eşittir. Bu durumda Siyah cisim tarafından soğurulan veya yayılan enerji Denklem 2.6’deki gibi sadeleştirilebilir.

12 Verilen n = 1, 2, 3. gibi tamsayılardır
Verilen n = 1, 2, 3 ... gibi tamsayılardır. Planck’ın ileri sürdüğü termik ışıma yapan bir cismin yaydığı enerjinin kesikli değerlere sahip olması, ışımanın veya ışığın tanecikli yapıya sahip olduğunu ortaya koyan deneylerden biri olarak kabul edilir. Siyah cisim için geçerli olan yukarıdaki bağıntıları yeryüzü materyalleriyle ilişkilendirmek için yayım (e) parametresi kullanılır. Yayım, ideal siyah cisim için 1’e eşit olup (e=1), diğer cisimler (gri cisim) için 0 ve 1 arasındadır (0<e<1). Siyah cisim (veya yüzey) teorik olarak tanımlanan ideal bir ışınım yayıcısı ve yutucusudur. Belirli bir sıcaklık ve dalga boyunda hiçbir yüzey siyah cisimden daha fazla enerji yaymaz.

13 Stefan – Boltzmann kanunu:
Bir siyah cismin yayım gücü sadece onun sıcaklıgına baglı olup termodinamigin ikinci kanunu, yayım gücü ile salt sıcaklıgın dördüncü kuvveti arasında bir orantılıgı ispatlamada kullanılabilir.

14 Stefan-Boltzman kanunu bir kara cismin oluşturduğu toplam enerji ile ilgilidr (Planck ve Wien kanunları ise dalga boyları ile ilgilidir) Bu kanuna göme, bir kara cismin birim yüzeyinden saldığı toplam ışınım (yani bütün dalga boylarındaki ışınımın toplamı) onun mutlak sıcaklığı ile orantılıdır. Yani kara cismin yüzeyinin 1 cm2 lik kısmının 1 saniyede saldığı toplam enerji miktarı bu cismin sıcaklığının 4. kuvvetiyle orantılıdır.

15 PLANCK YASASI "Planck ışınım yasası"nı buldu..
Planck'ın uzmanlık alanı, termodinamik teori diye bilinen ısı bilimiydi. Işık radyasyonu üzerinde çalışırken Planck bir sorunla karşılaşır. Klasik fiziğin, "Enerjinin Eşit-bölünme Teoremi"ne göre kor halindeki bir cisimden salınan radyasyonun, hemen tümüyle, dalga uzunluğu olası en kısa dalgalardan ibaret olması gerekiyordu. Bu, küçük bir ısının bile son derece parlak bir ışık vermesi demekti. Öyle ki, vücut ısımızın bizi bir ampul gibi aydınlatması beklenirdi. Radyasyon enerjisi sürekli bir akış olarak varsayıldığından, spektrumun kısa dalga (yüksek frekans) kesiminin alabildiğine geniş olması, hatta sınırsız uzaması gerekirdi. Başka bir deyişle dalga uzunluğunun giderek kısalmasıyla enerjinin sonsuza doğru artması söz konusuydu. Fizikçiler bu beklentiyi mor ötesi facia diye niteliyorlardı. Oysa, deney sonuçları spektrumda çok değişik bir enerji dağılımı ortaya koymaktaydı. Bir kez deney, hiçbir maddenin, ne denli akkor haline getirilirse getirilsin, sonsuz enerji salacağını kanıtlamıyordu. Sonra çıkan enerjinin büyük bir bölümünün orta dalga uzunluktaki kesimde olduğu görülüyordu.

16 Yerleşik kuram ile deney sonuçları arasındaki tutarsızlık gözden kaçmayacak kadar açıktı. Sorun deneysel verilere dayalı hesaplamalarda bir hatadan kaynaklanmıyor idiyse, yerleşik kuramın yetersizliği söz konusu olmalıydı. Planck'ın yetkin örnek olarak aldığı kara-cisim üzerinde yürüttüğü kuramsal çalışması 1900'de yayımlanır. Çalışmanın dayandığı temel düşünce şuydu: Madde her biri kendine özgü titreşim frekansına sahip ve bu frekansla radyasyon salan vibratörlerden ibarettir. Gerçi bu düşüncenin yürürlükteki kurama ters düşen yanı yoktu: Ne var ki, Planck aynı zamanda vibratörlerin enerjiyi sürekli bir akıntı olarak değil, bir dizi kesik fışkırmalarla saldığı görüşünü de ileri sürmekteydi. Bu demekti ki, belli bir frekanstaki bir osilatörün saldığı veya aldığı enerji ancak tam birimler biçimde olabilir; birim kesirleriyle olamazdı yılında Kuantum Mekanigini keşfetmiştir. Planck'ın çözüm arayışında başvurduğu istatistiksel yöntemin de, inceleme konusu ilişkilerin sayılabilir olmasını gerektirmesi, radyasyon enerjisinin bireysel bölümlerden oluştuğu varsayımını kaçınılmaz kılıyordu.

17 Çözümüne deneysel verileri matematiksel olarak dile getiren masum bir formül gözüyle bakıyordu. Oysa, "kuvantum" dediği bir enerji paketi ile bir dalga frekansı arasındaki ilişkiyi belirleyen denklemi E=h.V bilimde yeni bir devrimin temel taşıydı [Denklemde E enerjiyi, ν radyasyon frekansını, h ise Planck sabiti denen sayıyı göstermektedir]. Buna göre, bir enerji kuvantumu, dalga frekansıyla Planck değişmezinin çarpımına eşittir (ışık hızı gibi doğanın temel değişmezlerinden sayılan h, herhangi bir radyasyon enerji miktarının dalga frekansına orantısını simgelemektedir).

18 Uzaktan Algılamanın Fizik İlkeleri
Uzaktan algılama ; Yeryüzünün jeolojik,hidrolojik,topoğrafik vb özelliklerinin ölçüm ve yorum yöntemleri ile uzaktan saptanmasıdır.Uzaktan algılama ölçme ve yöntemleri;jeoloji ve maden araştırmalarının daha ekonomik ,kapsamlı ve hızlı yapılabilmesini sağlar.

19 Uzaktan algılama sistemlerinde ,geometrik bağıntılar ve sistemin yöneltme parametreleri ,zamanın fonksiyonu olarak tanımlanabiliyorsa ,aktif ve pasif algılayıcıların perspektif izdüşüm denklemleri kurulabilir. Aktif Algılayıcılar:Elektromanyetik radyasyon yayarak uzaktan algılama yapan sistemlerdir. Pasif Algılayıcılar:Görünür ışık radyasyonu kullanılan resim algılama sistemleri veya yeryüzünden yansıyan ,yayınan radyasyonu kullanan sistemlerdir.

20 Elektromanyetik Enerji
Uzaktan algılama terimi, hedef karakteristiklerinin saptanması ve ölçülmesi amacına yönelik olarak ışık, ısı ve radyo dalgaları gibi elektromanyetik enerjiyi kullanan metotlara işaret eder

21 Elektromanyetik ışınım şu fiziksel olayların etkisinde kalır: a)Işınım geçirilir. b)Işınım yutulur. c)Işınım neşredilir. d)Işınım saçılır. e)Işınım yansıtılır. Cisim ve enerji arasındaki bu ilişkiler uzaktan algılamanın temelini oluşturur

22 Elektromagnetik enerji c ışık hızı ile harmonik dalgalar şeklinde hareket eden tüm enerji şekillerini kapsar. Harmoniklik dalgalar: eşit ve periyodik bir şekilde Bir dalga hareketinin iki tepe noktası arasındaki uzaklığına λ dalga uzunluğu birim zamanda bir noktadan geçen tepe noktası sayısına ise dalganın f frekansı denir.

23 Elektromanyetik Enerji
Elektromanyetik enerji, harmonik dalga modelinde ışık hızıyla hareket eden tüm enerjileri tanımlamaktadır. Bir harmonik model zaman içinde eşit aralıklarla meydana gelen dalgaları içermektedir. Dalga kavramı, elektromanyetik enerjinin nasıl hareket ettiğini açıklamaktadır. Enerji sadece maddeyle etkileşimde iken saptanabilir. Dalga hareketi için; c= f. λ (c= 3x 108 m/sn )

24 Elektromanyetik enerji kanuna göre;
Elektromanyetik enerji,harmonik dalga hareketi biçiminde sabit bir hızla yayınır: f= c λ*n c=Işık Hızı(cm*sn^-1) λ=Dalga Boyu(cm) n= Ortamın kırıcılık indisi

25 Kirchoff kanuna göre E = f( λ, T ) A E=Işınım yayınım gücü λ=Dalga boyu(cm) A=Cismin absorbe edilme gücü T= Cismin mutlak sıcaklığı( Kelvin) Bir cisme gelen toplam enerji yutulma, yansıtılma, ve geçirilme miktarının toplamına eşittir. Enerji yüzeye çarptığında yutulur, yansıtılır ve geçirilir.

26 Planck kanuna göre; E= h * f Bu eşitlikte ; f= Frekans(titreşim*s^-1)
h=Planck sabiti = * 10^-22 erg*s E=Enerji (erg)

27 Elektromanyetik Radyasyon
Elektromanyetik radyasyon enerjisi ,3*10 üzeri 8 m/s ‘lik bir hızla enerji kaynağından ya doğrudan veya dolaylı yansıma ile uzaktan algılama sistemlerine gelir.Bu bakımdan elektromanyetik radyasyon enerjisi uzaktaki cisim ile alıcı arasında ,uzaktan algılama yöntemleri için,yüksek hıza sahip bir bilgi iletim hattı olarak kullanılabilir.

28 Elektromanyetik radyasyon enerjisini ‘’Enerjinin hem elektriksel hem de manyetik özellikleri gösteren bir türüdür’’ şeklinde tanımlayabiliriz.İlk defa 1864 ‘te James Clerk Maxwell ,elektriksel ve manyetik görüntüleri dalga hareketi biçiminde matematiksel olarak değerlendirmiştir.

29 Elektromanyetik Spektrum
Elektromanyetik radyasyon,dalga boyları ve frekanslarına göre sınıflandırılarak,elektromanyetik spektrum tanımlanır.

30

31

32 Elektromanyetik spektrum 0. 4-0
Elektromanyetik spektrum Mikrometrelik dalga boyu aralığında rastlayan kısımları gözle algılanabilir.

33 Tüm cisimler,ışığı yayması veya yansıtması özellikleri ile görülürler
Tüm cisimler,ışığı yayması veya yansıtması özellikleri ile görülürler.Işık radyo dalgaları ve X ışınları gibi,elektromanyetik radyasyonun bir türüdür.Cisimlerin değişik renkte görülmeleri ,değişik dalga boyundaki elektromanyetik radyasyonu yansıtabilmelerine bağlıdır.

34 Örneğin ,kırmızı bir cisim ,kırmızı ışığın 0. 6-0
Örneğin ,kırmızı bir cisim ,kırmızı ışığın mikrometre dalga boyundaki elektromanyetik radyasyonu yansıtır,diğer dalga boylarındaki elektromanyetik radyasyonu yutar.Böylece cisim kırmızı renkte görünür.

35

36