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7. December 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

METSWN Organisation, 2nd half

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8 30. November Radiation introduction (UL)

9 7. December EM Spectrum; Reflection and refraction (SC)

10 14. December Thermal emission and Transmission (SC)

11 11. January Gas absorption (SC)

12 18. January Heating rates (Exercises, KE)

13 25. January Radiative transfer (Exercises, UL)

14 1. February Scattering (SC)

7. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 2

Content1. Introduction

2. Properties of electromagnetic radiation2.1 Electromagnetic waves2.2 Frequency2.3 Polarization2.4 Energy2.5 Mathematical description2.6 Quantum properties

of radiation2.7 Radiation measures

3. Electromagnetic Spectrum4. Reflection and Refraction5. Radiative properties of natural surfaces6. Thermal emission7. Atmospheric transmission8. Atmospheric emission9. Absorption atmospheric gases10. Broadband fluxes and heating rates (cloud free)11. Radiative transfer with scattering12. Scattering and absorption by particels13. Radiative transfer with multiple scattering


Wiederholung

Welche Annahmen sind in homogenen, zeitab-hängigen Maxwell-Gleichungen enthalten?

Was sagen sie aus und was ist eine Lösung?

Was sagt der komplexe Wellenzahlvektor ?

Was bestimmt die Wellenzahl in einem Medium?

Was ist der Pointing-Vektor?

k‘ ist senkrecht zu Ebenen konstanter Phase -> Ausbreitungsrichtung k‘‘ ist senkrecht zu Ebenen konstanter Amplitude

sind beide parallel oder k‘‘=0 ist die Welle homogen


2.5 Quantum properties of radiation Dualism wave - particle

Electromagnetic waves occur (are emitted), when atoms/molecules transfer to a lower state of energy (electron configuration, vibrational and rotational states)

If EM-waves are absorbed, then the atoms/molecules are transferred to a higher state of energy.

Radiant energy is made of discrete energy packets (photons)

An EM-wave (photon) has the energy E=hν with ν frequency of the wave and h=6.6263x10-34 Js the Planck constant

Problem 2Only radiation with wavelengths smaller than 0.242 μm is capable of dissociating molecular oxygen into atomic oxygen, according to

O2+photon O+OBased on this information, how much energy in apparently required to break the molecular bond of single O2 molecule?


2.6 Radiation measures

Radiant energy flux density F [W/m²]total radiant flux through unit surfacemostly w.r.t. to a horizontal surface, but also normal to a radiation source (e.g. sun)Flux contains all incoming radiation from the hemisphere (direct and diffuse)

natural incoherent radiation, mostly broad-band between wavelengths λ1 and λ2

Definition of monochromatic (spectral) radiant energy flux density Fλ [W m-2 μm-1]

Example: Radiant energy flux density between 0.3 and 1.0 μm is 200 Wm-2

+

-

Horizontalsurface


Spherical geometry (polar coordinates)every direction above the horizon can be described by two angles

Zenith angle θ measures angle from a reference (i.e. over head) 0 < θ < π/2 zenith θ =0° , horizon π/2 nadir θ =180° or πμ=cos θ; elevation angle = 90° - θ

azimuth angle Φangle from horizontal reference pointcounter clockwisecircle 0 < Φ < 2π


Solid angle

solid angle ω [sr] solid angle is to „regular“ angle as area is to length reference direction (i.e. vertical)sphere has a surface of 4 π r2

r = 1m surface 4π solid angle 4π sr

Infinitesimal solid angle element


Solid angle: examples

Cloud withinelevation π/4 < θ < π/2azimuth 0 < Φ < π/8Which solid angle does the cloud cover?Estimate cloud cover!

Does the sun or the moon occupy a larger solid angle?Distances Dsun = 1.496 x 108 kmDmoon = 3.84 x 105 km

Radii

rsun = 6.96 x 105 kmrmoon = 1.74x103 km


2.7 Radiation measures

Radiant energy intensity or radiance I [W/(m²sr)]radiant energy flux per unit surface and solid anglesr = Steradian, solid angle unit

Relation between flux density and intensity is through integration over the hemisphere

I is the energy flux through a unit surface originating from a solid angle unit, whereby the surface is normal to the beam direction (cosθ factor in integration for F).

dΩθ

EF

I


Radiant energy flux density F

F is reduced at off-nadir incidence at constant source strength


Radiation quantities (german/english)

Strahlungsenergie radiant energy E Joule

Strahlungsfluss radiant energy flux Watt

Strahlungsflussdichteradiant energy flux density orirradiance

Watt m-2

Strahldichteradiant energy intensity or radiance

Watt m-2 sr-1


Strahlungsintensität und Polarization

Für die meisten Anwendungen interessiert nur die skalare Strahlungsintensität I.

Ziel: Beschreibung der Polarisationseigenschaften

Stokes-Vektor Grad der Polarization

Grad der linearen PolarizationGrad der linearen Polarization

zirkularen Polarization

Unpolarisierte Strahlung: U=Q=V=0

7. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13

Beschreibung polarisierter Strahlung

Annahme: elektrisches Feld ist eine harmonische Funktion der Zeit

Nun teilen wir den ortsabhängigen Feldvektor in die parallele und senkrechte Komponente auf:

mit Amplitude Phase reelle Funktionen des Ortes

Sind beide Phasen gleich → linear polarisiert

Sind sie um 90° verschoben, so beschreibt der E-Vektor eine Ellipse

Ist genau eine Phase zusätzlich null, ist die Ellipse nach den Koordinatenachsen ausgerichtet und die Halbachsen der Ellipse sind gleich den beiden E-Feld- Komponenten.

In jedem Fall ist das Feld 100% polarisiert!

a

14


Wir wollen nun zu den messbaren Größen, die mit der Energieflussdichte durch die elektromagnetischen Wellen und damit dem Poynting‘schen Vektor zusammenhängt.

Wir können mittels Polarisationsfilter sofort zwei Größen, Intensität I (ohne Filter) und lineare Polarisationsdifferenz Q (Filter bei 90°), messen und die beiden Amplituden entlang der Achsen bestimmen:

Eine weitere Größe U, welche die Phasenverschiebung beider Komponenten gegeneinander bestimmt, ist messbar, wenn man mit einem Polarisationsfilter bei 45° und bei 135° misst und die Intensitäten voneinander abzieht.

Da der Cosinus symmetrisch ist, kennen wir aber noch nicht die Drehrichtung des E-Feldes!


15


Um auch das Vorzeichen der Phase zu bestimmen, messen wir mit Filtern, die nur eine Rotationsrichtung von zirkulär polarisiertem Licht durchlassen (schwierig, aber gibt es).

Wir definieren die komplexen orthonormalen Einheitsvektoren mit entsprechenden Projektionen des E-Feldes:

Misst man diese durch entsprechende Polarisationsfilter, so kann die vierte Komponente bestimmt werden

Damit ist auch das Vorzeichen der Phasendifferenz und damit die Drehrichtung bekannt.


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Die Kombination der vier Intensitätskomponenten ergibt den Stokes vektor:

Polarization I Q U V

Horizontal 1 1 0 0

Vertikal 1 -1 0 0

Linear + 45° 1 0 1 0

Linear – 45° 1 0 -1 0

Zirkular rechts 1 0 0 1

Zirkular links 1 0 0 -1

Unpolarisiert 1 0 0 0

Intensität

Pol.grad

Pol.ebene

Elliptizität


Anwendung Stokes-Vektor

Beschreibung der Strahlungs-Wechselwirkungen

Skalar :

Polarisiert:

Müller Matrix beschreibt Änderungen von Intensität und Polarisation

Beispiel: Transformation einer beliebig polarisierten Strahlung in reinelliptische Polarisation!


Anwendungen

Solarkonstante: Mittlerer solarer „Fluss“ So=1370 Wm-2 (Strahlungsflussdichte)

= 1.74 x 1017 W (Strahlungsfluss)


Sonnengeometrie

θs

Was ist der Effekt der atmosphärischen Refraktivität?


Anwendungen

Verfügbare Sonneneinstrahlung pro Tag (transparente Atmosphäre)

Kombinierte Effekte von - Tageslänge

und - Winkel


Sonneneinstrahlung

Obergrenze für verfügbare Sonnenenergie Einfluss der Atmosphäre


4 mSolar Thermisch oder terrestrisch

3. Elektromagnetisches Spektrum

Strahlungsfeld kann als Überlagerung vieler unabhängiger sinusförmiger Schwingungen angesehen werden jede Wellenlänge kann unabhängig analysiert werden Beispiel: Regenbogen (Tropfen zerlegt solare Strahlung in spektrale Komponenten)


Reflektion und Streuung

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Reflektion, wenn Oberfläche glatt (groß) gegen Wellenlänge λ ist, z.B. Erdoberfläche Streuung in der Atmosphäre wenn Partikel vergleichbar oder größer als λ, z.B.

- Sonnenlicht wird schwach an Gasen aber stark an Wolken gestreut- Radiowellen werden an Schicht ionisierender Gase in Hochatmosphäre reflektiert


Elektromagnetisches Spektrum

Im Vakuum


Radiowellen: < 3 GHz (~λ>10 cm)

Hohe Transparenz der Atmosphäre (Radiofenster) Beobachtung der Erdoberfläche aus dem Weltraum

Frequenzbänder P, L, S, C, X, K bezeichnen für Radargeräte genutzte Frequenzbereiche (kryptische Bezeichnung aus dem 2. Weltkrieg)

Neben aktiven Systemen wie Radar und Altimeter werden auch passive Radiometer (z.B. SMOS zur Messung der Bodenfeuchte oder Salinität) in diesem Frequenzbereich genutzt

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EM Spektrum: Radiowellen


Mikrowellen: 3 > > 300 GHz (10 cm > λ >1 mm)

Rotationsübergänge atmosphärische Gase (Wasserdampf, Sauerstoff, Ozon)

Messungen der spektralen Verteilung (Spektrometer) entlang von Rotationslinien erlauben die Bestimmung von Profilen.

Beispiel: Satelliteninstrument AMSU (Advanced Microwave Sounder) zur Bestimmung von Temperatur- und Feuchteprofilen in Tropo- und Stratosphäre.

Wasserwolken sind im Mikrowellenbereich semitransparent und werden sowohl mit passiven Sensoren als auch mit Wolkenradargeräten beobachtet.

Bestimmungen von Oberflächeneigenschaften (Eistyp, Rauhigkeit)28

EM Spektrum: Mikrowellen


Infrarotbereich: 1 mm > λ > 4 μm) 0.9 % des solaren Energieoutput Im Infrarotbereich sind sowohl Rotations- als auch Vibrationsübergänge vieler

atmosphärischer Gase zu finden (Imager, Spektrometer, Polarimeter und Laser) Die Kohlendioxidbande bei 15 μm wird häufig für Temperaturprofile genutzt Viele Spurengase (Atmosphärenchemie) aber auch Wolken (Wasser und Eis)

können beobachtet werden. Oberflächeneigenschaften nur bei wolkenfreiem Himmel

Submillimeterbereich (300 GHz bis 3 THz; 1 – 0.1 mm) wird auch teilweise dem Mikrowellenbereich zugeordnet

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EM Spektrum: Thermisches IR


Solare Strahlung (4 μm > λ > 0.1 μm)

zahlreiche Vibrationsübergänge (z.B. Wasserdampf). Reflektiertes Sonnenlicht wird vom Satelliten u.a. für die Fernerkundung von Boden- und Wolken-eigenschaften genutzt. Limitierung durch Wolken und Dunkelheit.

Absorption energiereicher Sonnenstrahlung hauptsächlich durch Ozon und Sauerstoff, wobei hier auch Elektronenübergänge ins Spiel kommen.

Ozonfernerkundung (z.B. Total Ozone Mapping System TOMS) und auch Oberflächen anderer Planeten (ohne stark absorbierende Atmosphäre)

EM Spektrum: Solare Strahlung


EM Spektrum: Solare Strahlung

Bereich Wellenlängen Solarer Output Bedeutung

Fern UV 0.1 < λ < 0.2 μm 0.01 % O2 Dissoziationoberhalb 50 km

UV-C 0.2 < λ < 0.28 μm 0.5 % O2 + O3 Diss.30 – 60 km

UV-B 0.28 < λ < 0.32 μm 1.3 % Meist absorbiertSonnenbrand

UV-A 0.32 < λ < 0.4 μm 6.2 % Zur Oberfläche

Sichtbar 0.4 < λ < 0.7 μm 39 % Transparent

Nahes IR 0.7 < λ < 4 μm 52 % Teilweise absorbiert (H2O)

Therm. IR 4 < λ < 50 μm 0.9 % Viele Absorber

Kosmische Strahlung (Gamma + Röntgen) aus radioaktivem Zerfall und Fusion wird alle 100 hPa um Faktor 2 reduziert

Im extremen UV wird O2 und N2 ionisiert


Absorption solarer StrahlungFraunhoferlinien entstehen durch Resonanzabsorption der Gase in der Sonnen-Chromosphäre und sind am Atmosphärenoberrand (TOA) sichtbar

In erster Nährung entspricht Sonnenstrahlung am TOA Planckkurve mit ca. 5800 K


Absorption solarer Strahlung

In der Atmosphäre absorbieren Ozon und Sauerstoff UV-C und UV-B Strahlung nahezu vollständig

Atmosphären-oberrand

O3 + h

O2 + h


Absorption solarer Strahlung

Atmosphären-oberrand


Anwendung: Ozonschicht

Chapmann Zyklus beschreibt vertikale Ozonverteilung in Stratosphäre recht gut

j1

k1

j2

k2

Chapman Zyklus

Wieso ist Maximum in ca. 30 km?Warum sind wahre Werte

geringer?Woher kommt die Erwärmung?


Vertikalprofil von Ozon

Ozon nimmt

mit zunehmender Höhe wegen der geringeren Sauerstoffkonzentration ab

mit zunehmender Höhe wegen der verfügbaren UV Photonen zu

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Aktinischer Fluss

J Photodissoziationskoeffizient [s-1]

Absorptionsquerschnitt [cm2 Molekül-1]

Quantenausbeute, Wahrscheinlichkeit dieses Kanals

I() Aktinischer Fluss [Photonen cm-2 s-1]

max Dissoziationsschwelle

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aktin – griech. „strahlend“

Anzahl der Photonen, die pro Zeiteinheit die Einheitsfläche (1 cm2) durchqueren, und zwar aus jeder beliebigen Richtung.


Quellen

Senken

UV-A Strahlung ist Schlüsselkomponente in troposphärischer Chemie

Anwendung: Photochemischer Smog

Photochemisches Gleichgewicht

Primärverschmutzer durch Verkehr und Industrie

Stickoxide (NOx = Monxid NO und Dioxide NO2)

Flüchtige Kohlenwasserstoffe (VOC)

Sofortige Bildung von Sekundärverschmutzern (Ozon, PAN..) durch Reaktionen mit reaktiven Sauerstoffatom

Schliessung des Zyklus

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Wird NO anders oxidiert akkumuliert sich Ozon!


Entwicklung des Ozonsmogs

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Anwendung: Hydroxy-Radikal

FCKW sind einige der wenigen Moleküle, die nicht von OH aufgebrochen werden können.

Das wichtigste Oxidationsmittel jedoch ist das OH-Radikal. Es ist sehr reaktiv und in der Lage, die meisten chemischen Verbindungen in der Troposphäre zu oxidieren.

Darum wird es auch das 'Waschmittel der Atmosphäre' genannt.

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4. Reflektion und Refraktion

Homogenes Medium

Glatt und gleichmässig auf Skala der Wellenlänge, - z.B. Wasseroberfläche im Sichtbaren- Mich ist „milchig“ da Schwebeteilchen in Größenordnung von λ

Beispiele für Inhomogenes Medium- Wasser ist „klumpig“ für Röntgen und Gamma-Strahlung- turbulente Wirbel für Zentimeter-Wellen

Wolken bestehen aus Tröpfen mit ca. 10 μm Durchmesser- homogen für Mikrowellen- inhomogen für sichtbar

Auf makrosopischer Skala kannein Medium durch den komplexenBrechungsindex beschrieben werden:


4. Reflektion und Refraktion

N ist Materialeigenschaft bestimmt von derPermittivität ε und der Permeabilität μ

N hängt ab von Medium, Wellenlänge sowie schwächer von Temperatur, Druck,..

nr bestimmt effektive Phasenge-schwindigkeit der Welle

Unstetigkeiten führen zu Reflektion und Refraktion

ni bestimmt Absorption (ni=0 keine Absorption)

nr und ni hängen über die Kramer-König Beziehung zusammen

Amplitude Phase

Wikipedia


Komplexer Brechungsindex

nr

ni

für alle Mediennr >1

Luft: nr = 1.0003

nichtabsorbierendesMedium:

Vis 1.33

Absorptionskoeffizient:

43

Abb. 4.1 Petty (2006)


Eindringtiefe

Transmission:

Beer-Bouguer-Lambert Gesetz:

Eindringtiefe gibt an, nach welcher Strecke die Intensität auf 1/e =37% abgenommen hat

Fernerkundung der Ozean-

oberflächentemperatur „skin temperature“

44

Abb. 4.2 Petty (2006)


Dielektrizitätskonstante

nichtmagnetisches Medium

Für viele Anwendung ist Dielektrizitätskonstante

üblicher als Brechungsindex

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μo 1.257 10−6 H / m Permeabilität des Vakuums

μ Permeabilität des Mediums

μr relative Permeabilität (ca. 1)

εo 8.85410-12 F / m Permittivität des Vakuums

ε Permittivität des Mediums (zwischen 1 und 80)

εr relative Permittivität (Dielektrizitätskonstante)


Optische Eigenschaften inhomgenes Medium

Mischung von zwei Materialien, die jeweils homogen sind, z.B. Schneefall in der Luft (Einzelkristalle sind ca. 1 mm und groß gegen Wellenlänge sichtbaren Lichts

Effektive Dielektrizitätskonstante für gemischte Medien

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f Volumenanteil des Einschlusses

εmr Dielektrizitätskonstante der Matrix

εr Dielektrizitätskonstante des eingeschlossenen Materials

Betrachtung einer Matrix mit Einschlüssenz.B. Luft (Matrix) und Wolkentropfen (Einschluss)

Maxwell-Garnett


Reflektion und Refraktion

ΘT

Θ

N1

N2

Θ

relativer Brechungsindex

Θ EinfallswinkelΘT Brechungswinkel des transmittierten Strahls

Snellius Brechungsgesetz

An Unstetigkeiten des Brechungsindex wirdeinfallende EM Welle teilweise reflektiert und teilweise transmittiert.

Brechung (Refraktion) bedeutet Richtungsänderung der transmittierten Welledurch Änderung der Phasengeschwindigkeit.

Bei ebener Grenzfläche findet spiegelndeReflektion (Einfallswinkel= Ausfallswinkel statt)

teilweise Reflektion


Reflektion und Refraktion

Abb. 4.3 Petty (2006) Strahl wird immer zum optisch

dickeren Medium hin gebrochen

Weg der Strahlung ist invariant zur Richtung, e.g. Übergangsrichtung vom einen zum anderen Medium

N1 = 1 (Luft)N2 = 1.33 (Wasser)


Absorption

Abb. 4.4 Petty (2006)

Luft: N=1Θ=0


Totalreflektion

Quelle: Wikipedia

Bei Einfallswinkel Θc findet erstmals Totalreflektionstatt. Strahlen mit größeren Winkel (z.B. Θ3) werden total reflektiert.


Totalreflektion

Luft: N=1Θ>0 und N2>N1

ΘT

Θ

N1

N2

Θ

Brechung weg von der Normalen Θt>Θ

kritischer Winkel für Totalreflektion

Θo definiert den Winkel, ab dem im im dichteren Medium interneTotalreflektion stattfindet

Θo gibt den maximal möglichen transmittierten Winkel an, der bei einemEinfallswinkel von 90 deg stattfindet


Reflektion Fresnel-Gleichungen

m relativer Brechungsindex = N1/N2

Rp Reflektivität der Welle parallel zur EinfallsebeneRs Reflektivität der Welle senkrecht zur Einfallsebene

BrewsterWinkel

kein BrewsterWinkel, da hoher

Imaginärteil


Brewster Winkel

Es gibt einen ausgezeichneten Einfallswinkel (abhängig vom Brechungsindex), bei dem keinerlei vertikal polarisierte Strahlung reflektiert wird.

Bei diesem Brewsterwinkel ist das reflektierte Signal also vollständig horizontal polarisiert.

Für Wasser im Sichtbaren θ=53°

Je größer der Realteil von m, desto größer sind die Reflektivitäten größer der Brewster Winkel kleiner der Winkel für Totalreflektion


Reflektion

Wasserfläche reflektiert sichtbares Licht - bei senkrechtem Einfall nur ca. 2% (Mittag)- bei sehr schrägem Einfall (Θ->90°) sehr stark (Sonnenuntergang)

Horizontale Polarisation wird stärkerreflektiert - polarisierende Sonnenbrille!

Spezialfall senkrechter Einfall Θ=0


Beispiel Wasseroberfläche

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Lichtbrechung

Sonne (oder ein Gegenstand am Horizont) erscheint höher als in Wirklichkeit. Die scheinbare Abplattung von Sonne und Mond entsteht durch die Abhängigkeit der Krümmung vom Winkel.

rot grün blau

Der grüne Strahl (sehr seltenes Phänomen) entsteht durch die Wellenlängenabhängigkeit der Brechung. Man müsste bei Sonnenuntergang zuletzt Blau sehen, sieht aber Grün, da das Blau schon rausgestreut ist (Rayleigh-Streuung)

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Kombination von Brechung und interner Reflektion- Sonnenstrahl wird beim Übertritt von der Luft in Tropfen gebrochen- Reflektion an Tropfeninnenseite- Brechung beim Austritt der Strahlung aus Tropfen

Insgesamt wird der Strahl um 139° gedreht. Der Beobachter B sieht den Haupt- und den Nebenbogen unter einem Winkel von 41° bzw. 51° Grad um den Sonnengegenpunkt der unter dem Horizont liegt.

Brechung abhängig von Wellenlänge

139°

Anwendung Regenbogen

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Nebenbogen bei 2-fach Reflektion

58



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Ebene Welleebene Oberfläche

geometr. Optik


HALOhäufige Eiskristallformen

Lichtbrechung im Eiskristall

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Sichtbares Licht hat am hexagonalen Prisma ein Minimum der Ablenkung zwischen 21,7° (rot, 656 nm) und 22,5° (violett, 400 nm).

Kein sichtbares Licht wird in kleineren Winkeln gebrochen, so dass der Eindruck eines leeren Raums zwischen Leuchtobjekt und Halo entsteht.


kleiner Ring 22°großer Ring 46°

Nebensonne (senkrechte Lage des Kristalls)

HALO

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Lichtstrahl durchläuft eine Seitenfläche und die Ober- oder Unterseite des Kristalls.

Das Minimum der Ablenkung in diesem Strahlengang ist 46°, weshalb der Ring genau hier am hellsten ist


Lichtbeugung

Kränze um Sonne und Mond (Höfe) und die Glorie (Heiligenschein) entstehen durch Beugung an Wassertropfen und Eispartikeln

Höfe sind umso größer je kleiner die Partikel sind.

Höfe sind innen blau und außen rot (anders als bei Regenbogen und Halo).

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Glorien und Heiligenscheine

Kränze vor allem bei dünnen Wasserwolken

Höfe vor allem bei dünnen Cirren

Ringe sind umso größer je kleinerTropfen

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5. Strahlungseigenschaften natürlicher Oberflächen

natürliche Oberflächen sind komplex Boden, Vegetation, Schnee, Fels..

sind sehr inhomogen Wasseroberflächen werden durch Wind

moduliert difuse Reflektion starke Abhängigkeit von Einfallswinkel

(Azimut und Elevation)

http://modis.gsfc.nasa.gov/gallery/

Meist empirische Charakterisierung aus Messungen


Absorption und Reflektion

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An Erdoberfläche wird Teil absorbiert (a) und Teil reflektiert (r)

Viele Oberflächen sind azimutal isotrop, d.h. z.B. Sonnenausrichtung (Ost, West..) und Φ Abhängigkeit verschwindet

Bei sehr rauhen Oberflächen, z.B. Wälder, kann auchAbhängigkeit vom Elevationswinkel vernachlässigt werden

Chlorophyll-sprung

H2O Vib-ration


Elektronische Zustände

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Quelle: Wikipedia


Vibrationsprozesse: H2O

Das Wassermolekül besteht aus drei Atomen (N=3) und hat somit 3 Schwingungsfreiheitsgrade und drei klassische Frequenzen ν1, die den Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 entsprechen

Eine Kombinationsschwingung ist z.B. ν2 + ν3 deren Wellenlänge sich mit1/λ = 1/λ3 + 1/λ2 zu 1.87 μm ergibt.

Ein Beispiel für eine Oberschwingung ist 2ν3, die einer Wellenlänge von 1.4 μm entspricht.

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Absorption und Reflektion

Neuschnee hat eine sehr hohe Reflektivität (85-95 %) im Sichtbaren und wird zum Infraroten nahezu „schwarz“

Wasser, Böden und frische Vegetation haben generell geringe Reflektivität (<15 %)

Lokales Maximum bei 0.55 μm durch Chlorophyll bewirkt, das Grass und Alfalfa grün sind

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Blattalter

Aus genauen spektralen Messungen der Blattreflektion kann auch auf das Alter der Blätter geschlossen werden.

Dies ist nichts anderes als die mit dem Auge erfasste Blattfärbung im Herbst.

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Oberflächenemission im Mikrowellenbereich

Oberflächensignal ist proportional zu dessen Temperatur und Emissivität ε

Im Gegensatz zum thermischen IR, wo natürliche Erdoberfläche (außer blankem Gestein) ε~1, liegt ε im Mikrowellenbereich zwischen 0.4 und 0.9.

0.4 - 0.6: Wasser, abhängig vom

Blickwinkel, Rauhigkeit, Wind, Schaum, Salz

0.6 - 0.9: Erdoberfläche, abhängig von Bodenfeuchtegehalt, Vegetation, Rauhigkeit..

bis 0.98: Eis, abhängig vom Alter


Winkelabhängigkeit der Reflektion

glatte Oberflächen reflektieren spiegelnd specular reflection (Snellius Gesetz)

Lambert-Oberflächen in alle Richtungen gleichmäßignach oben reflektierte Strahlungsflusdichte Fr ist isotrop

die meisten natürlichen Oberflächen sind sehr irregulärReflektivität r muss experimentell bestimmt werden

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Reflektion von Sonnenstrahlung

Sonnenstrahlung fällt unter Winkel θi ein

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bidirektionaleReflektionsfunktion

BDRF

Allgemein mehr als eineStrahlungsquelle !


Reflektion - Allgemein

Richtung der einfallenden Strahldichte

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reflektierte Flussdichte

mit

Reflektierte Strahldichte:


Reflektion - Anwendung

nackter Boden (Albedo ca. 10 %)absorbiert 30 % mehr Sonnenstrahlung als ein Weizenfeld (Albedo ca. 30 %)

Mikroskalige Zirkulationen

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QS Nettostrahlung solar [W m-2]

QL Nettostrahlung terrestrisch [W m-2]

H Fluss fühlbarer Wärme [W m-2]

LE Fluss latenter Wärme [W m-2]

B Bodenwärmestrom [W m-2]

QS - QL - H - LE - B = 0

1. Solare Erwärmung der Oberfläche

QS

LE

QL

BB

H



feuchte Oberflächen geben Energie vor allem in Form latenter Wärme ab

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1. Solare Erwärmung der Oberfläche


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4. Stunde: Zusammenfassung

Hambach

Wo?



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2. Fernerkundung

seit 1960 Satelliten im Sichtbaren

hohe Reflektivitäten hohe Albedo oder hohe BDRF

http://rammb.cira.colostate.edu/wmovl/VRL/Tutorials/GOES39/snglnvnu.htm

sun glint



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2. Fernerkundung

BRDF unterscheidet sich bei zwei benachbarten Wellenlängen kaum

Der sprunghafte Anstieg des Reflexionsgrades von Chlorophyll bei 0.7 µm wird zur Definition des Normalized Difference Vegetation Index NDVI genutzt.

NDVI wurde zuerst aus den Kannälen - 1 (0.55 - 0.75 μm) - 2 (0.75 - 1.6 μm) des Advanced Very High Resolution Radiometer AVHRR gemessenen Reflektivitäten definiert.

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