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LO SPETTRO ELETTROMAGNETICO
Il trasferimento dellenergia elettromagnetica si manifesta sia
con le propriet di unonda sia di
corpuscoli elementari. In accordo con la teoria ondulatoria,
lenergia raggiante pu essere
descritta come unonda armonica che si propaga nello spazio e
consiste di due campi di forza
ortogonali tra loro: quello elettrico E, la cui intensit varia
continuamente secondo la direzione di
propagazione x e quello magnetico H, come da figura
seguente.
Schema di unonda elettromagnetica
Londa un modello che si presta bene a rappresentare e spiegare i
meccanismi di interazione
energia-materia su scala macroscopica ed definita da tre
parametri:
1. La lunghezza donda , ovvero la distanza che separa due creste
consecutive, che viene
misurata con unit molto pi piccole rispetto a quelle solite
quali il micrometro (m);
2. La frequenza v, definita come il numero di picchi donda che
passano da un dato punto in
un certo intervallo di tempo (cicli al secondo) e che di solito
si esprime in hertz (Hz);
3. Lampiezza A, che equivale allaltezza di ogni picco e quindi
allintensit massima di E. Essa
espressa in termini di energia, come lirradianza E (W m-2
m-1).
Il prodotto della lunghezza donda e della frequenza v costante e
rappresenta la velocit di
propagazione dellonda.
v [m s-1]
Che per la luce visibile e nel vuoto vale circa 300000 km
s-1
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Lenergia elettromagnetica si propaga secondo oscillazioni di
tipo trasversale; il vettore E, pur
restando sempre perpendicolare alla direzione di propagazione x
e al vettore H, pu ruotare
attorno a tale asse in maniera continua, assumendo quindi
qualsiasi posizione nello spazio.
Quando unonda elettromagnetica trasmessa allinterno di un
preciso piano di vibrazione viene
detta polarizzata. Ovviamente i piani di polarizzazione possono
essere infiniti; tra i pi usati si
ricordano quelli adottati nei fenomeni di riflessione, dove:
1. La polarizzazione orizzontale si ha quando il vettore E
perpendicolare al piano di
incidenza definito dal raggio incidente e la normale alla
superficie;
2. La polarizzazione verticale quando il vettore E contenuto nel
piano di incidenza;
3. La polarizzazione casuale quando il vettore E assume una
posizione variabile rispetto al
piano di incidenza.
La polarizzazione un fenomeno di particolare importanza e pu
essere considerato un elemento
diagnostico in telerilevamento. Infatti, alcuni elementi
naturali quali lacqua, la cuticola delle
foglie, laerosol atmosferico esercitano unazione polarizzante
specifica sullirradianza solare.
Infine una tecnica molto utilizzata con i sistemi radar al fine
di migliorare la capacit diagnostica
dei fronti donda riflessi dalle superfici su cui tale energia
elettromagnetica incide.
SCHEMA DELLO SPETTRO ELETTROMAGNETICO
Lo spettro elettromagnetico una distribuzione monodimensionale
continua della energia
elettromagnetica ordinata normalmente per lunghezze donda
crescenti. Poich non esiste
fisicamente energia elettromagnetica con lunghezza donda nulla,
non si pu dire che lorigine
dello spettro sia con il valore zero ma, pi realisticamente,
verso lunghezze donda molto piccole.
Per contro, si pu parlare di una fine delle spettro
elettromagnetico per energia di lunghezza
donda infinita che coincide con la corrente elettrica
continua.
Lo spettro elettromagnetico possiede quindi due
caratteristiche:
1. infinito;
2. continuo.
Queste due caratteristiche costituiscono un serio limite alla
sua utilizzabilit nel settore del
telerilevamento per cui linfinit viene fisicamente limitata
utilizzando strumenti di acquisizione
che non operano oltre le microonde e la sua continuit risolta
partendo lo spettro nelle cosidette
bande spettrali (figura seguente).
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Lo spettro elettromagnetico
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Tenendo in considerazione la distribuzione dellenergia in
funzione della lunghezza donda, i
diversi meccanismi di interazione con la materia, la
caratteristiche di trasparenza atmosferica e,
infine, la progettazione strumentale, lo spettro utile per i
sistemi di telerilevamento pu essere
concettualmente diviso in due finestre principali:
1. Finestra ottica, che va da circa 0.2 m a 20 m di lunghezza
donda dove lenergia studiata
di tipo riflesso o emesso in forma naturale dalle superfici;
2. Finestra radar, che viene individuata nellintervallo
sub-centimetrico compreso tra 0.2 cm
e 100 cm di lunghezza donda dove lenergia studiata viene
solitamente attivata in maniera
artificiale.
Banda Lunghezza d'onda
Ultravioletto 0.2 - 0.4 m
Visibile (VIS) 0.4 - 0.7 m
Blu 0.4 - 0.5 m
Verde 0.5 0.6 m
Rosso 0.6 - 0.7 m
Infrarosso 0.7 - 14 m
Infrarosso vicino (NIR) 0.7 - 1.3 m
Infrarosso medio (MIR) 1.7 - 4.2 m Infrarosso Termico (TIR) 8 -
14 m
Finestra ottica
Banda Frequenza Lunghezza d'onda
P 0.3 - 1 GHz 30 - 100 cm
L 1 - 2 GHz 15 - 30 cm S 2 - 4 GHz 7.5 - 15 cm
C 4 - 8 GHz 3.75 - 7.5 cm
X 8 - 12.5 GHz 2.4 - 3.75 cm
K 10.9-36 GHz 0.83 - 2.75 cm
Q 36-46 GHz 0.65 0.83 cm
Finestra radar
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FINESTRE ATMOSFERICHE
L'assorbimento atmosferico comporta una effettiva perdita di
energia associata alla radiazione
incidente a causa del trasferimento di parte dell'energia stessa
alle molecole dei costituenti
atmosferici con cui essa interagisce.
Gli intervalli di lunghezza d'onda in cui l'atmosfera
particolarmente trasmissiva per l'energia
radiante sono dette finestre atmosferiche.
Prendendo in considerazione solo gli effetti dovuti
all'assorbimento, la figura seguente illustra la
trasmissivit atmosferica per un intervallo abbastanza ampio di
lunghezze d'onda.
Diagramma delle finestre atmosferiche
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RADIOMETRIA E FOTOMETRIA
Le misure della radiazione elettromagnetica, emessa dal sole o
dallambiente oppure riflessa dalle superfici
o trasmessa attraverso un mezzo (acqua, aria o anche un vetro)
ed eseguite dai sensori, dipendono da
quattro fattori:
1. Il tempo t necessario per catturare la quantit finita di
radiazione, detto anche tempo di
integrazione del sensore. Maggiore il tempo di integrazione,
maggiore la quantit di radiazione
raccolta;
2. Larea A della porzione di superficie inquadrata dal sensore.
Maggiore la dimensione dellarea
osservata, maggiore la quantit di radiazione raccolta;
3. Langolo solido entro il quale il sensore raccoglie la
radiazione, detto anche apertura del
sensore. Pi ampio langolo, maggiore la quantit di radiazione
raccolta;
4. Lintervallo spettrale di funzionamento del sensore, detto
anche banda spettrale. Pi ampia la
banda spettrale, maggiore ancora una volta la quantit di
radiazione raccolta dal sensore.
E necessario quindi definire le grandezze fisiche relative alla
misura di radiazione elettromagnetica, per cui
si parler di grandezze radiometriche e di radiometria. Quando le
misure riguardano solo la parte visibile
dello spettro, invece, si parla di grandezze fotometriche e di
fotometria.
GRANDEZZE RADIOMETRICHE
Energia radiante
Anche se poco utilizzata nel telerilevamento, la grandezza
radiometrica fondamentale lenergia
radiante Q, cio lenergia trasportata dalle onde
elettromagnetiche, detta anche radiazione
elettromagnetica. La teoria quantistica, che descrive le
interazioni a livello molecolare e atomico,
dimostra che i trasferimenti di energia non sono di tipo
continuo, ma avvengono per quantit
discrete sotto forma di pacchetti donda detti quanti, o fotoni,
la cui energia elementare q data
dalla relazione:
[J]
Dove h la costante di Planck (h=6.6256 X 10-34joule sec) detta
anche quanto dazione.
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Dalla relazione precedente risulta evidente che la quantit di
energia trasportata dai fotoni
legata in maniera inversa alla lunghezza donda per cui le
radiazioni ad onde corte risultano pi
energetiche di quelle ad onda lunga, come ad esempio i raggi o X
rispetto allinfrarosso.
Lenergia complessiva Q di un fascio radiante o di un singolo
raggio risulta quindi dipendere dal
numero n di fotoni e dalla miscela spettrale di cui composto o
numero di frequenze vi presenti,
secondo la relazione:
[J]
Lenergia, soprattutto in campo strumentale, viene anche espressa
in termini di prodotto tra la
potenza per il tempo di acquisizione e quindi in termini di watt
per secondo [Ws].
Flusso radiante
Denominato , il flusso radiante la quantit di energia radiante Q
trasferita da una superficie o
da un punto ad unaltra superficie nellunit di tempo. Si tratta
quindi di una potenza e si misura in
watt [W]:
Il flusso radiante esprime quindi la variazione di energia nel
tempo.
Intensit radiante
Denominata I, lintensit di flusso radiante, o semplicemente
intensit radiante, il flusso
radiante d uscente da una sorgente per unit di angolo solido d
secondo una certa direzione e
si esprime in watt allo steradiante [W sr-1]:
[W sr-1]
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Intensit radiante
Densit di flusso radiante
La densit di flusso radiante equivale al rapporto tra il flusso
radiante d larea della superficie
interessata dA e si misura in watt al metro quadro [W m-2]. A
seconda che il flusso radiante esca da
una superficie oppure incida su di essa, questo viene indicato
con due nomi diversi, exitanza e
irradianza, pur trattandosi sempre della stessa grandezza
fisica. Lexitanza si indica con il simbolo
M e si esprime come:
[W m-2]
mentre lirradianza si indica con il simbolo E secondo la
relazione:
[W m-2]
Nel caso dellexitanza M, questa pu essere ulteriormente
specificata come emittanza oppure
exitanza riflessa a seconda se essa si riferisce rispettivamente
solamente alla componente emessa
oppure riflessa dalla densit di flusso uscente dalla superficie
studiata.
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Schemi di rappresentazione dellexitanza M e dellirradianza E
Radianza
La radianza L il valore del flusso radiante d per unit di
superficie dA e di angolo solido d
secondo una certa direzione e misurata su un piano ortogonale a
tale direzione:
! "
# $%&
'
(
)*+ [W m-2 sr-1]
Dove langolo tra la direzione di osservazione e la normale alla
superficie interessata.
Il concetto di radianza quindi legato alla geometria
dellosservazione e alle caratteristiche
strumentali; perci risulta essere la grandezza radiometrica
centrale e principale del
telerilevamento.
Radianza L
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GRANDEZZE FOTOMETRICHE
La fotometria la disciplina che si occupa della definizione e
della misura delle grandezze
fotometriche, cio della luce visibile nelle sue manifestazioni,
in relazione alle caratteristiche della
visione umana. Il fatto che, pur essendo definite le unit di
misura fondamentali ed universali quali
il watt [W], ci si riferisca ancora a unit di misura non
standard, e quindi relative, deriva da motivi
di carattere storico e tecnico-biologico.
Storicamente, lunica parte dello spettro elettromagnetico
conosciuta sino allanno 1800 era
lintervallo del visibile e quindi le unit di misura erano, e
sono, strettamente legate alla
percezione della cosiddetta luce. Solo molto tempo dopo fu
chiaro che tutte le forme di potenza
(meccanica, elettrica, termica, elettromagnetica, ecc.) potevano
essere riferite alla stessa unit di
misura, e cio il watt, mentre per la luce rimasero le unit gi
definite in precedenza.
Laltro motivo per cui ancora oggi si mantengono in vita unit di
misura come la candela e il lumen
di carattere tecnico-biologico nel senso che le unit predette si
adattano meglio al nostro
sensore di luce, e cio locchio, che in definitiva il principale
utente della luce e dei colori. Infatti,
in queste considerazioni non si pu non tenere conto del fatto la
retina non ha una risposta lineare
lungo tutto lo spettro del visibile, e quindi la fotometria
permette di valutare la luce in relazione
alla sua azione sullocchio umano e non in s e per s. Basti
pensare come il mondo
dellilluminotecnica, con evidenti risvolti industriali e
commerciali e implicazioni tecnologiche, sia
tutto basato sul lux [lx], che in sostanza leffetto esercitato
sullocchio da una superficie
comunque illuminata.
In seguito si definiscono, in analogia con la radiometria, le
principali grandezze fotometriche.
Energia luminosa
Denominata QL, lenergia luminosa esprime la quantit di luce e si
misura preferenzialmente il
lumen per secondo [lm s], cio mediante il prodotto di una
potenza per un tempo. In campo
fotografico, per esempio, questo tempo quello durante il quale
il materiale fotosensibile o, pi in
generale, un sensore, viene esposto alla luce. Pertanto si
esprime come segue:
, -., [lm s]
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Flusso luminoso
Denominato L,il flusso luminoso la quantit di energia luminosa
trasferita da un punto (o da
una superficie) ad un altro nellunit di tempo; quindi una
potenza. Si misura in lumen [lm] che
equivale in termini energetici a 1/683 [W], secondo la
relazione:
., 012
[lm]
Intensit luminosa
Denominata IL, lintensit luminosa il flusso luminoso che
proviene da una sorgente per unit di
angolo solido, in una certa direzione. Si misura in candele [cd]
dove una candela equivale a un
lumen per steradiante [lm sr-1]. Da un punto di vista energetico
la candela equivale a 1/683 [w sr-1]
e corrisponde allintensit di luce monocromatica emessa da una
sorgente alla frequenza di
540X1012 Hz (lunghezza donda di 0.55 m). La relazione :
, 1
[lm]
Densit di flusso luminoso
La densit di flusso luminoso il flusso luminoso dL diviso per
larea della superficie intercettata
e si esprime il lux [lx] che equivale a 1 lumen per metro quadro
[lm m-2]. A seconda che si consideri
il flusso luminoso uscente da una superficie oppure incidente su
una superficie, si hanno due casi:
exitanza luminosa ML e illuminanza EL, espresse rispettivamente
dalle relazioni seguenti:
, 1,
[lm m-2] = [lx]
, 1,
[lm m-2] = [lx]
Come nella radiometria, anche in questo caso si potranno
ulteriormente distinguere le due
componenti emessa e riflessa dellexitanza luminosa.
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Schematizzazione, per meglio comprenderne il significato,
dellunit di misura della densit di
flusso luminoso: il lux [lx]. Nel caso dellilluminanza EL esso
equivale al flusso luminoso di 1 lm
[1/683W] che cade su una superficie di 1 m2.
Luminanza
Denominata LL, la luminanza il flusso luminoso dL per unit di
superficie dA e di angolo solido
d per una data direzione e misurata si di un piano
perpendicolare alla direzione di propagazione.
Si esprime in [lm m-2 sr-1] oppure nelle forme equivalenti [lx
sr-1] e [cd m-2] attraverso la relazione:
!4 (1
)*+ [lm m-2 sr-1] = [lx sr-1] = [cd m-2]
Nella tabella seguente vengono mostrate le corrispondenza tra
grandezze radiometriche e
fotometriche.
Corrispondenza tra grandezze radiometriche e fotometriche.