Изменение тепловых свойств объектов в течение суток

Суточный температурный контраст характеризует амплитуду изменения теплового излучения природных объектов, которое обусловлено поступлением солнечного тепла и его аккумуляцией. Это позволяет выявлять неоднородности, связанные с особенностями тепловых свойств исследуемых объектов.

Начиная с рассвета, земная поверхность начинает поглощать излучение Солнца. Пик энергии солнечного излучения приходится на видимую коротковолновую часть спектра (0,4-0,7 мкм). От восхода до захода солнца земная поверхность получает приходящую энергию, большая ее часть отражается поверхностью. Это та энергия, которая может быть зафиксирована оптическими сенсорами, измеряющими отраженную радиацию. Другая часть приходящей коротковолновой энергии поглощается поверхностью, нагревает ее, то есть преобразуется в тепловую энергию. Эта энергия излучается обратно в атмосферу в виде тепловой инфракрасной радиации (3 до 14 мкм), которая может быть зафиксирована датчиками теплового диапазона.

Максимум излучаемой поверхностью радиации обычно отстает на 2-4 часа от полуденного пика прихода радиации видимого (коротковолнового) диапазона из-за времени, необходимого на прогрев земной поверхности.

Превышение прихода коротковолновой энергии над излучаемой длинноволновой в дневное время ведет к избытку и накоплению тепловой энергии в объектах. Как приходящая, так и отраженная коротковолновая радиация, после заката сводится к нулю (исключая энергию звезд и луны), но исходящее длинноволновое излучение от поверхности земли продолжается в течение всего ночного времени.

Рис. 1 Суточный ход отраженной коротковолновой и исходящей
длинноволновой энергии

Типичные суточные перепады температур для почвы и горных пород, воды, растительности, а также влажной почвы и металлических объектов показаны на Рис.2.

Если бы большинство показанных на рисунке графиков для разных объектов совпадали, то смысла в тепловом дистанционном зондировании не было бы, так как все объекты имели бы одинаковую температуру. Есть только две переходных точки днем (после восхода солнца и в предзакатные часы), когда некоторые компоненты ландшафта, такие как почвы, горные породы и вода излучают одинаковое количество энергии. Проведение тепловой инфракрасной съемки в такие часы не дает возможности различить эти объекты.

Рис. 2 Суточные перепады температур для почвы и горных пород, воды, растительности,
влажной почвы и металлических объектов

Некоторые материалы способны сохранять тепло лучше других, т.е. имеют более высокую теплоемкость. Так, вода имеет большую теплоемкость по сравнению с почвой и горными породами. Ее дневной температурный цикл испытывает очень незначительные колебания по сравнению с существенными суточными колебаниями тепла почвы и горных пород. Различия в теплоемкости материалов и природных объектов оказывают существенное влияние на их отображение на тепловых инфракрасных снимках, благодаря чему возможно их распознавание и определение теплоизлучательных свойств объектов.

Если бы стояла задача картографирования по тепловым снимкам суточной динамики теплового излучения объектов земной поверхности, представленных только почвами, горными породами, растительностью и водоемами, то можно было бы легко предсказать приблизительные результаты съемок, проведенных в разное время суток. Поскольку разные сезоны характеризуются разным соотношением интенсивности теплового излучения между объектами, для определенности возьмем период активной вегетации растительности - лето. Не покрытые растительностью почвы и горные породы на дневном снимке (например, полученном в 14 часов местного времени) будут теплее (т.е. ярче), чем вода, из-за различий в температуре этих объектов. Обладая меньшей, по сравнению с водой, теплоемкостью, почвы и горные породы за утренние часы успеют достаточно нагреться и активно излучают тепловую энергию. Они продолжают излучать энергию в атмосферу в течение всего дня. На снимке, полученном в вечерние часы, почва и горные породы будут все еще теплее, чем вода. К полуночи они потеряют большую часть тепловой радиации, накопленную ими за день, и постепенно начнут остывать. Вода же, наоборот, имея высокую теплоемкость, может удерживать относительно стабильную температуру в течение долгого времени, из-за чего около 4 часов утра она окажется теплее, чем почвы и горные породы. Поэтому на тепловых инфракрасных снимках, полученных в ночное время, вода выглядит во многих случаях ярче, чем открытые почвы, горные породы и растительность.

Растительность содержит влагу, и из-за этого она, как правило, холоднее, чем почвы и горные породы около 14 часов дня и теплее в предрассветные часы. Растительность, как правило, немного теплее воды днем и холоднее - в предутренние часы.

Сильно увлажненная почва обычно имеет устойчивый суточный температурный цикл, так как большое содержание воды в почве определяет ее большую теплоемкость.

Металлические объекты, в первую очередь, например, алюминиевые, из-за низкой излучательной способности изображаются темными как на дневных, так и на ночных снимках. Часто они вообще являются самыми темными объектами на получаемых тепловых снимках. Здесь дополнительным фактором, понижающим уровень теплового излучения, является сильное отражение радиации гладкими зеркальными поверхностями, какими являются металлические крыши. Интенсивность излучения накопленной радиации разными металлами зависит от их теплоемкости и шероховатости поверхности и цвета.