1. Physikalische Grundlagen
Atmosphärische Einflüsse
Jede Form von Strahlung wird von der Atmosphäre auf verschiedenste Weise beeinflusst. Die Sonnenstrahlung wie auch die von der Erde reflektierte Strahlung wird von Partikeln in der Atmosphäre gestreut, reflektiert oder absorbiert. Wolken sind das größte Hindernis für Strahlung und machen es passiven Satellitensensoren unmöglich, die Erdoberfläche zu vermessen.
Atmosphärische Einflüsse sind wellenlängenabhängig. Im sichtbaren Spektrum strahlt die Sonne mit höchsten Intensitäten, gleichzeitig ist die atmosphärische Durchlässigkeit am höchsten (siehe Abbildung). Sind die Wellenlängen länger, reduziert sich die Durchlässigkeit zu schmalen Bändern. Dies schließt die optischen Fenster im thermischen Infrarot ein, in welchen die Erde Strahlung in den Weltraum aussendet. Im Bereich der Mikrowellen ist die Atmosphäre fast durchlässig, aber die Strahlung von Sonne und Erde ist gering, so dass dieser Bereich von aktiven Radarsystemen genutzt werden kann. Kürzere Wellenlängen wie das Ultraviolett werden fast vollständig von der Atmosphäre absorbiert und sind daher für die Fernerkundung unwesentlich. Die Fernerkundung konzentriert sich auf die durchlässigen Bereiche oder die so genannten atmosphärischen Fenster.
Atmosphärische Streuung beschreibt die durch Partikel verursachte Streuung von Strahlung in der Atmosphäre.
Rayleigh-Streuung ist eine diffuse Streuung elektromagnetischer Wellen an winzigen Teilchen oder Molekülen (wie z.B. Stickstoff oder Sauerstoff), deren Durchmesser sehr viel kleiner als die Wellenlänge ist. Kurzwelliges Licht der Sonne - zum Beispiel blaues Licht - wird stärker gestreut als langwelliges (zum Beispiel rotes) Licht.
Mie-Streuung wird durch Partikel in der Atmosphäre verursacht, deren Durchmesser größer als die Wellenlänge ist. Zu diesen Partikeln gehören die Wassertröpfchen in Wolken, Eiskristalle, und Aerosole (Meersalz, Staub, biologische Stoffe, Sulfate, Nitrate usw. resultierend aus Verdunstung, Feuer und Waldbränden, Vulkanausbrüchen und Industrieschadstoffen). Die Streuung ist weniger wellenlängenspezifisch als die Rayleigh-Streuung, was Wolken weiß und Nebel grau erscheinen lässt.
Im Gegensatz zur Streuung steht Absorption für einen effektiven Energieverlust der Strahlung und wird hauptsächlich durch Wasserdampf, Kohlendioxid und Ozon verursacht. Die Absorption von Gasen hängt wesentlich von der Wellenlänge ab und bestimmt das atmosphärische Fenster, d.h. die Bereiche, in denen die Strahlung nicht blockiert wird.
Bei jeder Anwendung von Fernerkennung müssen zwei wesentliche Punkte in Betracht gezogen werden, um die spektrale Empfindlichkeit der Sensoren festzulegen, mit denen Strahlung registriert wird: Die Hauptquellen der Strahlung (Sonne und Erde) und die atmosphärischen Fenster (siehe Abbildung).
