UZAKTAN ALGILAMA ELEKTROMANYETİK SPEKTRUM, ENERJİNİN YAYINIMI, İLETİMİ, SOĞURULMASI, YANSITILMASI GRUP IV 1302130069 Çağla ORHAN 1302140052 Ömer Kaan GÜRSOY 1302150020 İrem BAŞEL 1302150037 Barış Berk İHTİYAR 10.10.2016
1.ELEKTROMANYETİK SPEKTRUM NEDİR? Elektromanyetik spektrum evrenin herhangi bir yerinde fizik kurallarınca mümkün kılınan tüm elektromanyetik radyasyonu ve farklı ışınım türevlerinin dalga boyları veya frekanslarına göre bu tayftaki rölatif yerlerini ifade eden kavramdır. Herhangi bir cismin elektromanyetik tayfı veya spektrumu, o cisim tarafından çevresine yayılan karakteristik net elektromanyetik radyasyonu tabir eder. Elektromanyetik tayf, dalga boylarına göre atom altı değerlerden başlayıp (Gama ışını veya X-ışını) binlerce kilometre uzunlukta olabilecek radyo dalgalarına kadar birçok farklı radyasyon tipini içerir. Elektromanyetik tayf teoride sonsuz ve sürekli olsa da, pratikte kısa dalga boyu (yüksek frekans) ucunun limitinin Planck uzunluğuna, uzun dalga boyu (alçak frekans) ucunun limitinin ise evrenin tümünün fiziksel büyüklüğüne eşit olduğu düşünülmektedir.
1.1.ELEKTROMANYETİK SPEKTRUMUN GENİŞLİĞİ Elektromanyetik tayf binlerce kilometreden atom altı uzunluklara kadar geniş bir yelpazedeki dalga boylarında ışınımlarıkapsar. 30 Hz ve altındaki frekansların (uzundalga) radyoastronomide bazı nebulalar tarafından üretildiği ve bu yapıların araştırılmasında kullanıldığı, 2.9 * 10 27 Hz değeri civarında frekanslara sahip ışınımların da çeşitli kozmik kaynaklardan yayıldığı bilinmektedir. Yüksek frekanslı elektromanyetik dalgalar yüksek enerjiye ancak kısa dalga boyuna, düşük frekanslı elektromanyetik dalgalar ise düşük enerjiye ancak uzun dalga boyuna sahiptirler.
2.SPEKTRUM KATEGORİLERİ Elektromanyetik radyasyon başlıca yedi kategoride incelenir. Bunlar düşük frekanstan yüksek frekansa doğru radyo dalgaları, mikrodalga, kızılötesi, görünür ışık, morötesi, X-ışınları ve Gama ışınlarıdır. Yukarıda verilen sınıflandırma genelde doğru olsa da, söz konusu kategoriler arasında kesin sınır çizgileri yoktur ve bazı durumlarda aslında belirli bir kategoride yer alan bir ışınım, bir başka kategorinin dalga boyu aralığında bulunabilir.
2.1.MİKRODALGA Mikrodalgalar tipik olarak uygun çap ve şekilde metal dalga kılavuzu tüpler kullanabilecek kadar kısadırlar ve magnetron veya klistron tüpler kullanarak istenilen faz ve frekansta üretilebilirler. Mikrodalga üretimi TED ve IMPATT gibi katı yapılı diyotlar kullanılarak da yapılabilir. Çeşitli frekanslardaki mikrodalga enerjisi bazı materyaller tarafından emilebilir ve bu süreç sonucunda ısı açığa çıkar. Mikrodalga fırınlar su moleküllerinin bu özelliğini kullanır. Wi-Fi gibi kablosuz sinyal aktarımında da düşük yoğunluklu mikrodalga kullanılır. Mikrodalga fırınlar bu yüzden çalışır durumda ve yeterince yakın mesafede olduklarında cep telefonu ve diğer bazı elektronik cihazları etkileyebilirler.
2.2.TERAHERTZ IŞINIMI Terahertz ( THz ) radyasyon, elektromanyetik tayfta uzak kızılötesi ile mikrodalgalar arasındaki frekans bandında bulunur. Yakın zamana kadar spektrumun bu bölgesi büyük oranda ihmal edilmişti ancak günümüzde bu milimetre-altı bant özellikle haberleşme, doku gösterimi ve savunma teknolojilerinde kullanılmaya başlanmıştır. Bu bandın askeri amaçlı uygulaması şimdilik düşman askerleri üzerine yansıtılan terahertz ışınımı suretiyle derilerinde yanma hissi yaratarak bu tehditleri etkisizleştirme uygulaması ile sınırlıdır. Aynı ışınım söz konusu hedeflerin elektronik ekipmanını da iş göremez hale getirecektir.
2.3.KIZILÖTESİ IŞIK Elektromanyetik spektrumda terahertz radyasyon ile görünür ışık arasındaki frekans bandında bulunur. 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.
2.4.GÖRÜNÜR IŞIK Kızılötesi ışınlardan sonraki frekans bandındaki 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.
2.5.MOR ÖTESİ IŞIK Dalga boyu görünür ışıktan daha kısadır. Oldukça enerjik olduğu için morötesi (UV) ışınım kimyasal bağları bozup çeşitli molekülleri iyonize edebilir veya katalizör etkisi gösterebilir. Güneş yanıkları morötesi radyasyonun insan derisi üzerindeki yıkıcı etkisine örnek olarak verilebilir. Bazı durumlarda kanserojen etki yapabilir. UV ışınım ayrıca etkin bir mutajendir ve hücrelerin DNA yapısını bozarak kontrolsüz mutasyona sebep olabilir. Dünya'ya güneşten gelen UV radyasyonun büyük bir kısmı yüzeye ulaşmadan önce atmosferdeki ozon tabakası tarafından emilir. 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.
2.6.X-IŞINLARI 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.
2.7.GAMA IŞINLARI Gama ışınları 1900 yılında Villiard tarafından bulunmuştur. Gama ışınları nükleer aktivite ve çeşitli kozmik kaynaklar tarafından üretilirler. 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.
2.8.RADYO DALGALARI Radyo dalgaları elektromanyetik spektrumun geniş bir bölümünü kapsar. El telsizlerinden gelişmiş uzay haberleşme sistemlerine kadar birçok platform tarafından kullanılmaktadır. Genelde (uhf, vhf, televizyon, radar, mikrodalga, milimetre dalga vb.) olarak alt bölümlere ayrılır, bu isimler kullanım yerine göre değişir. Atmosfer boyunca bu dalga boylarının yayılma yollarında ki farklılıklarından dolayı çeşitleri açıkça bellidir. Radyo dalgaları binlerce kilometreden yaklaşık bir milimetreye kadar dalga boylarındadır ve sahip oldukları rezonansa uygun antenler ve modülasyon teknikleri kullanarak analog veya sayısal veri aktarımı kanalları olarak değerlendirilebilirler. Televizyon, cep telefonu, MRI, kablosuz bilgisayar ağları ve benzeri uygulamalarda radyo dalgaları kullanılır.
Özet olarak; elektromanyetik spektrumla ilgili elektromanyetik radyasyonun bütün bilinen dalga boylarının aralığı, geleneksel olarak bir seri aralıklara bölünmüştür. Bulunduğu bir bölgeye nazaran başka bir bölgede temel olarak bir farklılık yoktur. Farklılıklar, radyasyonun maddelere ne yaptığına bakılarak veya onlarla olan etkileşimlerine bakılarak şekillendirilir. Biz yalnızca doğal özelliği olan görülebilirliği sayesinde Visible Işığı görünür olarak biliriz. Geleneksel olarak, ışık terimini yalnızca Ultraviyole, Visible ve Infrared radyasyon için kullanılır. Bu radyasyon grupları; güneşten yayınlanan ve atmosferin üst sınırına ulaşan en yoğun ve en etkili radyasyonlardır.
3.ATMOSFER ETKİSİ Yeryüzüne gelen güneş enerjisi atmosfer tarafından saçılma, soğurulma, yansıtılma gibi fiziksel etkilere maruz kalırlar.
3.1.SAÇILMA Güneş tarafından oluşturulan ve yeryüzüne gönderilen radyasyonun saçılmasına, atmosferde asılını bulunan tanecikler sebebiyet vermektedir. Bu saçılmalar 2 şekilde gerçekleşir; 3.1.1.Rayleigh Saçılması: Atmosferin üst tabakalarında oluşan ve askında bulunan maddelerin büyüklükleri, ışının dalga boyundan küçük olduğunda gerçekleşen saçılma türüdür. 3.1.2.Mie Saçılması: Atmosferin alt tabakalarında oluşan ve askıda bulunan maddelerin büyüklükleri, ışının dalga boyuna eşit olduğunda oluşan saçılma türüdür.
3.2.EMİLME(SOĞURULMA) Atmosferik gazların etkisiyle enerjinin kaybolmasına emilme denir. Emilmeye neden olan 3 ana gaz vardır. Bunlar; ozon (O 3 ), karbondioksit (CO 2 ) ve su buharı (H 2 O) dır. Ozon, atmosferin stratosfer denilen bölgesinde (yeryüzünden yaklaşık 20 30 km mesafede) yoğun olarak bulunur. Ozon kısa dalga boylarını (0.24 μm (mikrometre) den küçük, çoğunlukla ultraviyole dalga boyları) emerek yeryüzünde canlılar için yaşanabilir bir ortam oluşmasına katkıda bulunur.
Karbondioksit atmosferin alt kısımlarında bulunur, kızılötesi dalga boylarını emer (en büyük emilebilen dalga boyları 13 ile 18 μm arasıdır). Su buharı atmosferin alt kısımlarında bulunur. Ozon ve karbondioksitin atmosferdeki konsantrasyon oranları yaklaşık olarak sabit olmakla birlikte su buharı konsantrasyonu zamana ve mekana bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Yağmur ormanları vb. nemli alanlar en çok su buharı konsantrasyonu barındırırken, çöl vb. kuru alanlar en düşük su buharı konsantrasyonuna sahiptirler.
Saçılmanın tersine atmosferik soğurma, atmosfer içinde enerjinin etkili bir biçimde kaybolması ile sonuçlanır. Güneş radyasyonunun en etkin soğurucuları; su buharı, karbondioksit ve ozondur. Çünkü bu gazlar özel dalga boyu bantlarında elektromanyetik enerjiyi yutma eğilimindedirler.
3.3. GEÇİRGENLİK Atmosferde saçılan ve soğurulan enerjinin bir kısmı da geçirilir. Geçirgenlik= Geçirilen Enerji / Gelen Enerji
4.ELEKTROMANYETİK RADYASYONUN YERYÜZÜ OBJELERİ İLE ETKİLEŞİMİ Enerji korunumu kanununa göre yeryüzündeki bir obje yüzeyiyle etkileşime giren enerjinin toplamı yansıyan, soğurulan ve iletilen enerjiye eşittir. Bu 3 işlemin hangi düzeyde gerçekleştiği ise obje özelliklerine, enerjinin dalga boyuna ve enerjinin obje yüzeyine ulaşma açısıyla bağlantılıdır. Elektromanyetik enerjinin yeryüzünde emilen kısmı yüzey ısınmasına ve daha sonra bu ısının ısı enerjisi olarak iletilmesine yol açar. EMR yeryüzüne her ulaştığında 3 işlemden geçer -Yansıtılır -Emilir ve/veya Geçirilir. (Lillesand and Kiefer (2000))
4.1.YANSIMA Enerjinin bir yüzeye çarparak yön değiştirmesi olayıdır. Yansımanın derecesi yüzey pürüzsüzlük özelliklerine ve enerjinin dalga boyuna bağlıdır.
4.1.1.AYNASAL YANSIMALAR : Yüzey pürüzlülüğü dalga boyundan küçük olan yansımalar aynasal olan yansımalar (specular reflection) olarak tanımlanır. Bu tip yansımalar yüzeyin neredeyse pürüzsüz olduğu ayna benzeri objeler, su yüzeyleri, parlak metaller vb. yerlerde gerçekleşir. Enerjinin objeye çarpma açısı ile yansıma açısı birbirine eşittir. Obje yüzeyi enerjinin dalga boyundan daha pürüzsüz olduğu için bu tip yansımalarda gelen enerjinin tamamına yakını tek bir yöne yansır.
4.1.2.DAĞILAN YANSIMALAR Yüzey pürüzlülüğünün dalga boyundan büyük olduğu yansımalar dağılan yansımalar (diffuse reflections) olarak adlandırılır. Mükemmel dağılan bir yansımada enerji tüm yönlere eşit dağılır. 1728-1777 arasında yaşamış olan Johann Lambert in dağılan yansımanın temellerini şekillendirdiği çalışmalarda dağılan yansıma özelliği gösteren objeler Lambert e ait (Lambertian Surfaces) olarak adlandırılmışlardır. Dağılan yansımalar uzaktan algılamada çok önemli bir yere sahiptir ve yeryüzünün dağınık yansıma özelliklerinin belirlenmesinde kullanılırlar.
ÖZELLİKLER Dünyadaki objelerin çoğu, hem aynaya özgü hem de dağılan yansıma özelliğini gösterirler. Dağılan yansımalar yeryüzündeki objelerin yüzeylerinin spektral özelliklerini belirlerler. Elektromanyetik aralıkların görünür dalga boyunda olan kısmında bu özellik çeşitlenmeleri renk olarak adlandırılır. Örneğin görünün aralığın kırmızı dalga boyunu yansıtan objeler (0.6-0.7μm) kırmızı olarak görünürler. Dağılan yansımalar aynı zamanda farklı dalga boylarında objelerin nasıl göründüğünü de belirler. Örneğin, mikrodalga boylarında (1mm-1m) düzgün tanecikli kumu olan bir kumsal pürüzsüz bir yüzey olarak görünürken, aktif uzaktan algılamada aynı bölge görünür dalga boylarında pürüzlü ve kaba bir yüzey olarak görünecektir.
Aynasal yansıma su kaynakları, ayna, parlak metaller gibi neredeyse pürüzsüz yüzeylerde oluşur. Dağınık yansıma farklı dalga boylarında izlenebilen nesnelerin belirlenmesi yolunu sağlar.
Aynasal yansıma sonucu limandaki deniz araçlarının ayrıntıları görünememektedir. Uzaktan algılama sensörlerinin kaydettiği enerji atmosfer tarafından her zaman değişmektedir. Uzaktan algılamada en çok objelerce yansıtılan enerji önemlidir. Yerküre üstündeki malzemelerin farklı yansıma özellikleri uzaktan algılamada uzaktan algılamada bunların fark edilmesini sağlar
(Kaynak: https://www.usgs.gov/) Obje yüzeylerinin yansıma özellikleri aynı zamanda spektral yansıma özelliklerini belirler. Farklı dalga boyları için obje yüzeylerinin yansıma özellik grafikleri sağlanabilir. Bu grafikler yeryüzündeki objelerin yansımaya ilişkin özel imzaları olarak belirlenir ve uzaktan algılama çalışmalarında yaygın olarak kullanılırlar. Örneğin çöl, toprak, su, kar ve bitki örtüsünün farklı dalga boylarındaki farklı yansıma özellikleri incelenebilir ve amaçlar doğrultusunda kullanılabilir. Örnek olarak, karın 0.3-1 μm dalga boyunda en yüksek, 1.5-2 μm dalga boyu aralığında en düşük yansıma değerlerini verdiği görülebilir. Unutulmaması gereken nokta farklı dalga boylarındaki bu yansıma değerlerinin ideal özelliklerdeki objeler için geçerli olduğudur. Farklı saflıkta ve özelliklerdeki kar, su vb. objelerin yansımaya ilişkin imza/kimlikleri farklılaşabilir. Unutulmaması gereken nokta farklı dalga boylarındaki bu yansıma değerlerinin ideal özelliklerdeki objeler için geçerli olduğudur. Farklı saflıkta ve özelliklerdeki kar, su vb. objelerin yansımaya ilişkin imza/kimlikleri farklılaşabilir.
ÇEŞİTLİ YER BİRİMLERİNE GÖRE ÖRNEKLENDİRMELER 4.1.3.TOPRAK Toprağın yansıma özelliklerini etkileyen faktörler: Tane büyüklüğü Yüzey pürüzlülüğü Demir oksit miktarı Nemlilik Kuru ve ince taneli topraklar iri tanelilere göre daha çok yansıma verirler. Ancak toprak ıslak olduğunda iri taneli topraklar suyu daha çok geçirdiğinden ince taneli ıslak topraklara göre daha çok yansıma verirler.
4.1.4.SU KÜTLELERİ Su kütlelerinin yansıma özelliklerini etkileyen faktörler: Derinlik Safsızlıklar Yüzeyin durağanlığı
Suyun spektral yansıma grafiği incelendiğinde 0,7 μm den büyük dalga boylarında (yakın kızıl ötesi, termal bantlar vb.) suyun çok az yansıma verdiği veya yansıma vermediği görülmektedir. Elbette bu derin ve temiz su kaynakları için geçerlidir. Bulanık, çok geçirgen, olmayan bol klorofil, sediment vb. içeren su kaynakları farklı yansıma özellikleri gösterebilirler. Bu tip su kaynakları görünür ve yakın kızılötesi dalga boylarında yüksek yansıma vermektedirler. Suda klorofilin varlığı mavi dalga boylarının (0,4-0,5μm ) emilmesine ve yeşil dalga boylarının (0,5-0,6μm) yansıma değerlerinin artmasına yol açmaktadır.
4.1.5.BİTKİ ÖRTÜSÜ Bitkilerin yansıma özelliklerini etkileyen faktörler: Bitkinin su içeriği Klorofil içeriği Hücre yapısı
Görünür dalga boyları bitki pigmentleri hakkında bilgi verir. Hücre yapısı yakın IR ve su içeriği Mid-IR dalga boylarından elde edilebilir. NIR bölgesinde EM enerjinin büyük bir bölümü (%30-50) yansır ve geri kalanı iletilir. Çok az bir bölüm soğurulur. Her bitkinin hücre yapısı farklılık gösterdiğinden NIR da bitkilerin ayrılması mümkün olabilmektedir. Sağlıksız bitkilerin hücre yapısı değiştiğinden NIR bölgesi bitkinin sağlığı konusunda da bilgi vermektedir. Bitki örtüsünün farklı tabakalar halinde bulunması yansıma ve iletilme özelliklerini değiştirdiğinden bitki örtüsü kalınlığı da yine NIR bölgesinden bulunabilir. Bitki örtüsü kalınlaştıkça kırmızı bölgedeki yansıma azalır ve NIR da ki yansıma artar. Bu özellik bitki indislerinin eldesinde kullanılır.
http://www2.hawaii.edu/~jmaurer/albedo/ Temiz su, enerjiyi mavi ve yeşil dalga boylarında yüksek oranda geçirmekte ve su altı özelliklerinin araştırılabilmesine olanak sağlamaktadır. Sudaki diğer oksijen, ph vb. doğrudan uzaktan algılama ile saptanması zordur. Fakat yine de dolaylı olarak bu özelliklerin ortaya çıkartılması uzaktan algılama ile mümkün olabilmektedir.
KAYNAKÇA ULUSAL AÇIK DERS MALZEMELERİ KONSORSİYONU, UZAKTAN ALGILAMA DERS NOTLARI İTÜ UZAKTAN ALGILAMA DERS NOTLARI İTÜ JEODEZİ BÖLÜMÜ UA DERS NOTLARI www.cnr.berkeley.edu/~gong/textbook/chapter1/html/home1.htm- ww2010.atmos.uiuc.edu/(gh)/guides/mtr/opt/mch/sct.rxml- www.sli.unimelb.edu.au/research/mers/downloads/downloads_rs.htm#general%20rs Fussel, J., Rundquist, D. and Harrington, J.A., 1986. On Defining Remote Sensing,Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, Vol. 52, No. 9, pp. 1507-1511. Holz R. K, 1973. The Surveillant Science Remote Sensing of the Environment, Houghton Miffling Co. Boston. Lillesand, T.M. and Kiefer, R.W., 2000. Remote Sensing and Image Interpretation,John Wiley and Sons. Inc., USA Campbell, J.B., 2008 Introduction Remote Sensing., Fourth Ed., The Guilford Press, New York, USA SESİÖREN, Atilla, Uzaktan Algılamada Temel Kavramlar, 1998 DÜZGÜN, H. Şebnem, Uzaktan Algılama Ders Notları BAYRAM, Bülent, Uzaktan Algılama Ders Notları www.mgm.gov.tr/files/arastirma/ozonuv/gunesspectrumu.pdf tr.wikipedia.org/wiki/elektromanyetik_tayf