Temperaturmessung aus der Ferne

Wenn Sie die Eingangsenergie (Spektrum der Sonne) messen und mit der reflektierten Energie von ~30% (Reflexionsspektrum der Erde) vergleichen können, können Sie die absorbierte Energie von ~70% (Absorption des Planeten) berechnen. Um diese absorbierte Energie nur auf die Oberfläche zu isolieren, sind einige Annäherungen und eine umfangreiche Instrumentenkalibrierung erforderlich.

Die Sonne (im Weltraum) hat ein Spektrum eines schwarzen Körpers bei ~5700 K.

Wenn diese Energie auf die Atmosphäre trifft, wird ein Teil reflektiert (als Albedo bezeichnet ) und ein Teil absorbiert und später wieder mit einer anderen Frequenz als Wärme abgestrahlt (gemessen mit IR-Spektroradiometern).

Die Atmosphäre ist im Vergleich zur Erdoberfläche ziemlich kühl und hat nicht viel Masse zum direkten Erhitzen, aber sie ist gut darin, die längerwellige Infrarotwärme (IR) einzufangen. Wenn also die Erdoberfläche vom Weltraum aus gemessen wird, gehen etwa 50 % der IR-Energie (Wärme) durch die Wolken und 50 % werden zurückreflektiert (Treibhauseffekt).

Durch den Vergleich der Sonneneinstrahlung mit der gemessenen Albedo können sie einen Teil dieses Effekts korrigieren. Es kann auch mit Sensoren am Boden kalibriert werden, die zeigen, wie viel Energie durch die Atmosphäre gelangt. Beachte das$H_2O$,$O_3$(Ozon),$CO_2$Und$O_2$absorbieren merkliche Mengen der abgestrahlten Energie (Absorptionsbanden). In diesem Bild repräsentiert das Gelb das Spektrum außerhalb der Atmosphäre wie im Bild oben, wobei das Rot zeigt, welche Frequenzen und Leistungsstärken die Oberfläche auf Meereshöhe erreichen. Beachten Sie, wie$O_3$absorbiert die höhere Frequenz (kürzere Wellenlänge) des ultravioletten Lichts und bewahrt uns vor zu starkem Sonnenbrand?

So kann die IR-Strahlung aus dem Weltraum gemessen und mit dem Modell und den bodengestützten Sensoren verglichen werden. Dieses Bild ist eine breit angelegte Interpretation dessen, wie die „Helligkeit“ oder Leistung aussehen würde, wenn wir in diesem Frequenzband sehen könnten. Dies ist keine Spektrumsansicht, sondern eine Ansicht der Gesamtmenge an Energie, die bei sehr weitem IR-Sicht reflektiert wird. Die weite Sicht erschwert das Erkennen von Details, da Sie sehen können, dass es sich hauptsächlich um große Kleckse mit unterschiedlich starker reflektierter IR-Leistung handelt. Hier ist die NASA-Kamera viel leistungsfähiger, da sie durch eine Kombination aus Filtern und Frequenzauflösung den Dynamikbereich des Bildes dramatisch erhöhen und viel mehr als Blobs sehen kann (siehe das Detail im Bild der Lut-Wüste unten).

Wobei das aktuelle Modell, das immer wieder durch neue Informationen verfeinert wird, ungefähr so ​​aussieht.

Das spezifische Instrument, das die NASA verwendet, heißt Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), und es gibt ein ganzes Team, das die Kalibrierung unterstützt . Das MODIS-Instrument verfügt über 36 verschiedene Spektralbänder (Wellenlängengruppen), darunter einige, die die Wärmestrahlung oder die Menge der von der Landoberfläche emittierten Infrarotenergie erfassen. Da die beiden MODIS-Instrumente jeden Tag die gesamte Oberfläche scannen, liefern sie ein vollständiges Bild der irdischen Temperaturen und füllen die Lücken zwischen den Wetterstationen der Welt – insbesondere in extremen Umgebungen, in denen Temperaturen einfach nicht gemessen werden.

Die spektrale Bandtrennung für die 36 MODIS-Bänder basiert auf einem komplexen System aus dichroitischen Strahlteilern, Fokalebenenmasken und einzelnen Bandpassfiltern. Es gibt vier koregistrierte Fokusebenen, die durch drei dichroitische Strahlteiler getrennt sind, um das VIS (400 nm bis 550 nm), NIR (650 nm bis 950 nm), SWIR (1200 nm bis 2250 nm), MWIR (3600 nm bis 4600 nm) abzudecken ) und LWIR (6500 nm bis 14500 nm). Lineare Detektorarrays, eines für jedes Band, werden von Bandpassfiltern mit Abmessungen von nur 1 mm mal 7 mm bedeckt. Die MODIS-Anforderungen umfassen relative Bandbreiten von nur 1 % mit engen Toleranzen bei Bandmitte, Bandbreite, Flankenneigung und Außerbandspezifikationen. - IEEE

VIS – Visuelles Spektrum, NIR – Nahes Infrarot, SWIR – kurzwelliges Infrarot, MWIR – mittelwelliges Infrarot, LWIR – langwelliges Infrarot.

Der Vorteil des MODIS-Sensors besteht darin, dass die meisten atmosphärischen Temperaturen viel niedriger sind als die der Erdoberfläche. Mit schmaleren IR-Filtern und dem Vergleich verschiedener Bänder kann also die nahezu direkte Temperatur der Erdhaut gemessen werden (unter der Annahme einer ordnungsgemäßen Kalibrierung). Anhand dieser Informationen können sie täglich direkte Messungen durchführen. Zum Beispiel wurde festgestellt, dass die Lut-Wüste oft der heißeste Ort auf dem Planeten ist:

Die Lut-Wüste hat eine Ausdehnung von etwa 80.000 km und enthält mehrere seltsame geomorphologische Unterschiede, die sie zu einem einzigartigen Ort machen. Große Gebiete der Lut-Wüste überschreiten regelmäßig 65,0 °C, und der heißeste Punkt der Erde wurde in fünf von sieben Jahren in der Lut entdeckt.

IR-Bildgebung im Allgemeinen wird häufig in industriellen Anwendungen verwendet, um unregelmäßige Wärmequellen zu finden. Es kann verwendet werden, um Objekte sehr detailliert zu sehen, wobei jedes Pixel als winziges Thermometer fungiert, mit dem Sie die Temperatur jedes Pixels auf einem Bild messen können. So funktioniert MODIS, aber es ist viel komplizierter. Hier ist ein Beispiel eines FLIR-Handgeräts, das das Konzept mit dem LINKEN Bild in Schwarzweiß mit hervorgehobenem Referenzpunkt im Vergleich zum RECHTEN Bild in IR mit demselben hervorgehobenen Punkt veranschaulicht.