2.2.2.Резонансное рассеяние света

Эффекты резонансного рассеяния затушевываются резонансной флуоресценцией, к которой раньше их и относили.

Схематическая диаграмма энергетических уровней атома или молекулы и различных процессов взаимодействия: а – широкополосная флуоресценция; б – резонансная флуоресценция; в – резонансное рассеяние

Но все же они разнятся принципиальным образом.

Резонансную флуоресценцию обычно рассматривают, как совокупность двух последовательных однофотонных процессов. Они состоят сначала в поглощении фотона с частотой , а затем в спонтанном испускании фотона с частотой .

Поскольку этот процесс не мгновенный, в него могут успеть вмешаться эффекты безизлучательного столкновительного тушения.

При резонансном рассеянии происходит одновременное исчезновение фотона с частотой и появление другого фотона с частотой . То есть этот эффект из определения резонансной флуоресценции исключается (выкидывается).

Таким образом, резонансное рассеяние – это двухфотонный одноступенчатый процесс. Этот процесс практически мгновенный, поэтому на него не оказывают кого-либо влияния столкновительные процессы тушения, деполяризации или релаксации.

Релаксация – процесс установления равновесия термодинамического в макроскопических системах (здесь в газах).

Деполяризация света поляризованной люминесценции происходит в результате вращения молекул за время жизни возбужденного состояния (вращательная деполяризация света) или вследствие передачи энергии возбуждения от возбужденных молекул к невозбужденным (концентрационная деполяризация света).

Величину дифференциального сечения резонансного рассеяния также оценивают по сечению поглощения. Если частота лазерного излучения совпадает с центром доплеровского контура линии газа, то дифференциальное сечение резонансного рассеяния можно записать в виде (Чемберлен Дж.)

,

где − вероятность спонтанного перехода из состояния в состояние ; и − статистические веса, показывающие степень вырождения обоих состояний; − индикатриса рассеяния.

В квантовой механике важнейшим случаем является вырождение уровней энергии системы. Это когда система имеет определенное значение энергии, но при этом может находиться в нескольких различных состояниях.

Сечения резонансного рассеяния имеют порядок 10^-12 – 10^-14 см²/ср. Например, для паров , которые находятся в верхней мезосфере и нижней термосфере, сечение резонансного рассеяния ≈ 9,8∙10^-13 см²/ср на длине волны =589 нм.

3.Уходящее излучение

Как уже отмечалось, уходящее излучение является фоновой помехой при аэрокосмических наблюдениях Земли и атмосферы.

К основным средствам технической реализации дистанционного зондирования из космоса в оптическом диапазоне относятся: аэрофотосъемочные системы, оптико-электронные системы, работающие пассивным или активным методом, радиотеплолокационные системы.

Особое место из перечисленных технических средств зондирования занимают оптико-электронные радиометры для дистанционных измерений энергетической яркости (или температуры) природных образований Земли и планет.

При исследованиях природных ресурсов часто требуется измерить не только интегральное излучение различных объектов в определенном спектральном диапазоне, но и спектральное распределение энергии внутри этого диапазона. Важнейшей особенностью таких приборов является то, что в них часто одновременно осуществляется просмотр пространственного распределения излучения (сканирование по пространству исследуемых излучателей) и разложение в спектр этого излучения. В последнем случае количественно оценивается монохроматичность составляющих излучения (сканирование по спектру излучения).

К таким приборам относятся: бортовые автоматические спектрорадиометры с диспергирующими элементами (призмы, набор призм), бортовые автоматические фурье-спектрорадиометры (в них происходит разложение излучения за счет селективной модуляции проходящего через прибор потока).

Основой спутниковой аппаратуры являются и различные телевизионные системы: одноэлементные однострочные, однокадровые и многокадровые.

Для создания видимого аналога теплового изображения используются тепловизионные системы: с одноэлементным сканированием, с параллельным сканированием, с последовательным сканированием.

Оптимальным для измерения температуры облачного покрова и Земли является диапазон 3,4-4,1 мкм; для определения концентрации водяного пара в тропосфере – 6,4-6,9 мкм; для измерения интенсивности излучения земной поверхности −10-12 мкм; для исследования геотермических процессов и температурных градиентов морских течений – 3,4-4,1 мкм и 10- 12 мкм.

Анализ возможностей инфракрасного дистанционного зондирования при геологическом картировании силикатных пород показал, что для надежной идентификации типов этих пород выгодной является область 8-14 мкм. При разбиении этой области на 10-12 спектральных каналов, каждый из которых имеет ширину 0,5 мкм, идентификация оказывается весьма надежной.

При этом пространственное разрешение, приведенное к поверхности Земли, должно быть равно 100 м. Для высоты полета 350 км это эквивалентно угловому разрешению 1′. Такое разрешение может быть уже сегодня обеспечено современной оптикой даже с учетом сложных условий эксплуатации прибора. Например, в экспериментах станции "Скайлэб" оно составило 79 м.

При исследовании природных ресурсов источниками информации является излучение с подстилающей поверхности, искаженное атмосферными помехами.

При дистанционном зондировании загрязнений излучение от подстилающей поверхности само оказывается фоновой помехой.

Во всех случаях сопоставление характеристик потоков уходящей радиации коротковолновой (рассеянной атмосферой или отраженной подстилающей поверхностью) и длинноволновой (за счет собственного излучения атмосферы или подстилающей поверхности) оказывается необходимым при аэрокосмических наблюдениях.

Рассмотрим основные характеристики уходящего, а также отраженного подстилающей поверхностью излучения.