Atmosphärische Streuung

Elektromagnetische Strahlung kann nicht nur absorbiert oder durchgelassen werden, sondern auch von Teilchen in der Atmosphäre reflektiert oder gestreut werden. Unter Streuung versteht man die Umlenkung elektromagnetischer Energie durch Schwebeteilchen in der Atmosphäre. Art und Umfang der Streuung hängen von der Größe der Teilchen und der Wellenlänge der Energie ab. Es gibt drei Hauptarten der Streuung, die sich auf die einfallende Sonnenstrahlung auswirken:

• Rayleigh-Streuung
• Mie-Streuung
• Nichtselektive Streuung

Rayleigh-Streuung

Rayleigh-Streuung tritt auf, wenn Strahlung (Licht) mit Molekülen und Teilchen in der Atmosphäre interagiert, deren Durchmesser kleiner ist als die Wellenlänge der einfallenden Strahlung. Kürzere Wellenlängen werden leichter gestreut als längere Wellenlängen. Licht mit kürzeren Wellenlängen (wie blaues und violettes sichtbares Licht) wird von kleinen Partikeln wie NO2 und O2 gestreut. Da blaues Licht am kurzwelligen Ende des sichtbaren Spektrums liegt, wird es in der Atmosphäre stärker gestreut als rotes Licht mit längeren Wellenlängen. Die Rayleigh-Streuung ist für die blaue Farbe des Himmels verantwortlich. Rayleigh-Streuung kann auch Dunst auf Bildern erzeugen. Bei Luftaufnahmen werden spezielle Filter verwendet, um die Streuung des blauen Lichts herauszufiltern und den Dunst zu reduzieren. Bei digitalen Bildern werden verschiedene Techniken eingesetzt, um die Auswirkungen der Rayleigh-Streuung zu minimieren.

Bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang legt das einfallende Sonnenlicht eine längere Strecke (Weglänge) durch die Atmosphäre zurück. Der längere Weg führt zu einer Streuung der kurzen (blauen) Wellenlängen, die so stark ist, dass wir nur die längeren Wellenlängen des Lichts, das Rot und Orange, sehen. In Abwesenheit von Partikeln und Streuung würde der Himmel schwarz erscheinen.

Bildquelle: Principles of Remote Sensing (Tempfli et al.)

Mie-Streuung

Mie-Streuung tritt auf, wenn die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung eine ähnliche Größe hat wie die atmosphärischen Partikel. Mie-Streuung beeinflusst im Allgemeinen die Strahlung vom nahen UV bis zum mittleren Infrarotbereich des Spektrums. Mie-Streuung tritt vor allem in den unteren Bereichen der Atmosphäre auf, wo größere Partikel häufiger vorkommen, und dominiert bei bedecktem Himmel. Pollen, Staub und Smog sind die Hauptursachen für Mie-Streuung. Mie-Streuung führt zu einer allgemeinen Trübung der Bilder.

Nichtselektive Streuung

Nichtselektive Streuung tritt auf, wenn der Durchmesser der Partikel in der Atmosphäre viel größer ist als die Wellenlänge der Strahlung. Nichtselektive Streuung wird hauptsächlich durch Wassertröpfchen in der Atmosphäre verursacht. Bei der nicht-selektiven Streuung wird die gesamte Strahlung im sichtbaren und infraroten Bereich des Spektrums gleichmäßig gestreut – daher der Begriff nicht-selektiv. Da die Wolken alle Wellenlängen des Lichts streuen, bedeutet dies, dass die Wolken die meiste Energie davon abhalten, die Erdoberfläche zu erreichen. Dies kann die Interpretation und Analyse von Fernerkundungsbildern in wolken- und nebelverhangenen Gebieten erschweren. Wolken werfen auch Schatten, die die Beleuchtung und das relative Reflexionsvermögen von Oberflächenmerkmalen verändern. Dies kann eine große Einschränkung bei Fernerkundungsbildern darstellen.

Auswirkungen der atmosphärischen Wechselwirkung

In der Fernerkundung ist es wichtig, die Auswirkungen der Atmosphäre auf die elektromagnetische Strahlung zu verstehen. Zunächst ist es wichtig, die atmosphärischen Fenster zu verstehen und zu wissen, ob ein Sensor in einem bestimmten Teil des Spektrums durch die Atmosphäre „sehen“ kann oder nicht. Da die Atmosphäre die eintreffende Strahlung absorbiert und streut, müssen wir diese Wechselwirkungen oft korrigieren. Dieser Vorgang wird als „atmosphärische Korrektur“ bezeichnet und ist eine gängige Bildverarbeitungstechnik.

Zum Spaß: Sonnenuntergang auf dem Mars

Die Atmosphäre auf dem Mars unterscheidet sich von der auf der Erde und enthält eine beträchtliche Menge feiner Partikel in der Atmosphäre. Dadurch wird das Licht anders gestreut als bei uns auf der Erde. Der Staub in der Marsatmosphäre lässt blaues Licht effizienter in die Atmosphäre eindringen als Licht mit längeren Wellenlängen. Dies führt dazu, dass die blauen Farben im gemischten Licht, das von der Sonne kommt, näher an dem Teil des Himmels bleiben, der von der Sonne eingenommen wird, verglichen mit der breiteren Streuung der gelben und roten Farben. Dieser Effekt ist bei Sonnenuntergang am stärksten ausgeprägt, wenn das Sonnenlicht einen längeren Weg durch die Atmosphäre zurücklegt als am Mittag. Dies führt zu einem blau gefärbten Sonnenuntergang auf dem Mars.

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