(一)绝对黑体及其辐射定律
任何温度高于绝对零度(0K=-273.16℃)的物体都存在着分子热运动,并能产生中、远红外的电磁辐射。这种由物体内部粒子的热运动所引起的电磁辐射叫做热辐射。大量事实证明;处于不同温度的物体,发出的电磁辐射的强弱及其按波长的分布是不同的。因此用温度作为热辐射能量的绝对度量是一种很方便的方法。
为了便于讨论物体的热辐射性质,需要有一个理想的标准热辐射体作为参照源,这就是绝对黑体。绝对黑体的定义为:在任何温度下,对任何波长的入射辐射的吸收系数(率)α(λ,T)恒等于1,即α(λ,T)=1的物体称为绝对黑体,简称黑体。显然,黑体的反射率γ=0,透射率c=0。
黑体是一种具有最大辐射能力的物体。一般物体的辐射都比黑体辐射小,因此,以黑体为基准所表达的就是发射率,又叫比辐射率,它的定义是目标物体的辐射量与同温度下的黑体辐射量之比,常用ε表示。分光发射率是指特定波长下每单位波长宽度的辐射量之比。
1860年,基尔霍夫在实验中发现:在同一温度下,任何物体发射某一波长电磁波的能力,与它对该波长电磁波的吸收能力成正比。黑体吸收电磁波的能力最强,因而它发射电磁波的能力也最强。
1900年,普朗克用量子论概念推导出热辐射定理,其解析式为:
遥感地质学
式中,c为真空中的光速;h为普朗克常数,其值为6.626×10-34焦耳·秒;k是波耳兹曼常数,数值为1.3806×102-3焦耳/开。
由普朗克公式与实验求出的各种温度下的黑体辐射波谱曲线(图2-2)能够很好符合。从图中可直观地看出黑体辐射的三个特性:①与曲线下的面积成正比的总辐射通量密度是随温度下的增加而迅速增加的。从零到无穷大的波长范围内,对普朗克公式进行积分,得到从单位面积的黑体辐射到半球空间里的总辐射通量表达式为:
遥感地质学
图2-2 各种温度下的黑体波谱曲线
式中, 称为斯蒂芬-玻尔兹曼常数。由此可见，黑体辐射通量密度的增加与绝对温度的四次方成正比,称为斯蒂芬-玻尔兹曼定律。②分光辐射通量密度的峰值波长λmax随温度的增加向短波方向移动,称为维恩位移定律。图2-2中的虚线就是这些峰值的迹线。③每条曲线彼此不相交,故温度越高,所有波长上的波谱辐射通量密度也越大,即随T的增加而增大。
物体按其发射辐射特性一般分为三种类型:第一种是黑体,它的发射辐射最大(发射率为1),发射率与波长无关。第二种是灰体其发射率与波长无关(图2-3),但它的发射辐射比黑体小。例如土壤在20℃时发射率为0.92-0.95,水在同样温度下的发射率为0.96,它们都是与黑体颇为接近的灰体。第三种是选择性辐射体,其发射率随波长而改变,这是原子和分子的辐射吸收效果都比较强的物体,例如水银灯和氙灯等。
黑体、灰体和选择性辐射体的辐射通量密度按波长分布的波谱是不相同的。应该指出的是,黑体并不一定是黑色的,灰体也不一定是灰色。例如,大理石在可见光下呈白色,但它在814μm的红外波段发射率为0.95,几乎是黑体。
图2-3 物体发射辐射的三种类型
(二)物体的热惯量
热惯量(P)是物体对环境温度变化的热反应灵敏性的一种量度,热惯量越大,对环境温度变化的热反应越迟钝。它是描述物体热特性的一个宏观物理量。与物体的密度及热学参量的关系如下:
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单位为焦尔/厘米2·秒1/2·度。式中k为热扩散系数,单位为厘米2/秒,表示物体内温度变化的速率。ρ为密度,单位为克/厘米3。c为比热,单位为焦尔/克·度。
由牛顿冷却定律及热传导方程可以证明,当物体吸收或损失的热能相同时,它们的温度变化幅度与热惯量的大小成反比。热惯量大的物体温度变化的幅度小,热惯量小的物体温度变化的幅度则大。表7-6给出部分岩石和水的热参量值。
图2-4示出白云岩、灰岩和花岗岩在一个太阳日周期内的温度变化曲线。据表7-6给出的热惯量值,三种岩石的热惯量的大小顺序为:P白云岩>P灰岩>P花岗岩。因而,三种岩石在一个太阳日周期内的温度变化幅度有明显差别,昼夜最大温差的顺序为:ΔT白云岩<ΔT灰岩<ΔT花岗岩。一幅地表热红外遥感图像基本上就是一幅地物的辐射温度分布图。
图2-4 三种不同热惯量岩石的温度日变化曲线
热红外遥感的最佳探测时间是在黎明前后和中午。其中,黎明前后的热红外图像反映出各种物体的热特性,热惯量大的物体在图像中显示出“暖”特征,热惯量小的物体则显示出“冷”特征;中午的图像反映出地物的反射特征,并且显示出地形特征,用此两种图像的信息特征,可以达到鉴别、区分地物的目的。
热红外遥感巳广泛用于环境监测,例如监测火山活动、森林火灾、地下煤自燃及江,河、湖、海的污染以及资源调查等。例如,寻找水源、地质填图、探查地热、铀矿及硫化矿床等。