Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом, страница 23

Тепловое излучение может быть также зарегистрировано в микроволновой области электромагнитного спектра, т. е. в диапазоне длин волн от 1 мм до 1 м (частоты от 0,3 до 300 ГГц). Здесь, как и для теплового инфракрасного излучения, физическим параметром, характеризующим излучение при определенной температуре, является излучательная способность, устанавливаемая на основании тех же самых принципов. Но все же на практике ситуация оказывается более сложной, чем для случая инфракрасного излучения. Во-первых, диапазон длин волн, в которых можно вести микроволновые измерения, гораздо шире, чем при инфракрасном излучении. Обычно инфракрасные измерения ведут в одной полосе, охватывающей весь диапазон от 8 до 12 мкм, в крайнем случае — в двух соседних полосах, в то время как микроволновые измерения выполняют на ряде частотных полос в широком диапазоне, как правило, от 4 до 40 ГГц (10-кратная разница!). Поэтому возникает необходимость изучения зависимости излучательной способности от частоты. Во-вторых, микроволновые измерения часто выполняют при направлениях падения излучения, сильно отстоящих от нормали к поверхности, и поэтому необходимо исследовать зависимость излучательной способности от угла падения. Наконец, излучательная способность порой существенно зависит от состояния поляризации, так что придется рассмотреть и эту зависимость. Все эти факторы значительно усложняют установление характерных параметров микроволновой излучательной способности «типичных» материалов. Попытаемся поэтому дать лишь некоторую иллюстрацию главных особенностей. Более полный материал можно найти в работе Ulaby и др. (1982, т. 2).

Для однородного материала (т.е. такого, в котором эффект объемного рассеяния несущественен), имеющего гладкую поверхность, излучательная способность выражается формулой ________________, где r — коэффициент отражения Френеля, соответствующий направлению и поляризации излучения (что следует из уравнения (3.86)). Рис. 3.26 иллюстрирует этот случай. Кривые построены с использованием коэффициентов Френеля для материалов с диэлектрической постоянной 18,5—31,3i, что соответствует состоянию спокойной морской воды при температуре 20 °С и частоте 35 ГГц. На рисунке также можно видеть, что излучательная способность при вертикальной поляризации возрастает до максимальной величины около 1 при угле падения примерно 80°. Это как раз соответствует углу Брюстера, о котором мы говорили в п. 3.2. Причина, по которой излучательная способность немного не достигает 1, состоит в том, что диэлектрическая постоянная является не действительной величиной, а комплексной. (Отметим, кстати, что диэлектрическая постоянная, а значит, и излучательная способность поверхности воды зависят от температуры.)

Продолжая обсуждать наш пример с морской водой, рассмотрим, как влияет изменение ее солености. Увеличение солености приводит к повышению электрической проводимости воды, а следовательно, и коэффициента отражения Френеля, что снижает излучательную способность. Однако мы видели на рис. 3.2, что диэлектрические постоянные для морской и чистой воды существенно различаются только на частоте ниже 5 ГГц, поэтому зависимость излучательной способности от солености воды выше этой частоты будет незначительна. Рассмотрим еще эффект неровностей на поверхности воды, возникающих, например, под действием ветра. Данный эффект приводит к снижению отражательной способности и, следовательно, к повышению излучательной способности при направлениях наблюдения, удаленных от нормали. Поэтому наблюдение микроволнового излучения от водной поверхности в направлении надира дает возможность измерять состояние моря. Этот эффект проявляется сильнее на высоких частотах, что соответствует моделям рассеяния, которые мы исследовали в п. 3.3.4., и он также больше для излучения с горизонтальной поляризацией, чем с вертикальной