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

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).

Lo spettro elettromagnetico

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

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

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.

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]

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.

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

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]

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.

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.