ปฏิสัมพันธ์ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ปฏิสัมพันธ์พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้ากับชั้นบรรยากาศ

การตรวจวัดการแผ่รังสีของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งที่สะท้อนหรือปลดปล่อยจากพื้นผิวโลกโดยใช้อุปกรณ์รับรู้จากระยะไกล จะต้องผ่านการเดินทางในชั้นบรรยากาศด้วยระยะทางหนึ่งเสมอ ทั้งนี้ขึ้นกับเงื่อนไขในการวัดหรือรับรู้ ตัวอย่างเช่น ในการถ่ายภาพพื้นผิวโลกจากอวกาศต้องอาศัยแสงอาทิตย์เดินทางผ่านชั้นบรรยากาศของโลกถึงสองครั้ง เพื่อเดินทางจากแหล่งกำเนิด (ดวงอาทิตย์) ไปตกกระทบและสะท้อนจากพื้นผิวโลกไปยังอุปกรณ์รับรู้ ส่วนในการใช้อุปกรณ์รับรู้เชิงความร้อนติดตั้งไปกับอากาศยานเพื่อตรวจวัดพลังงานที่ปลดปล่อยโดยตรงจากวัตถุร้อนบนพื้นโลกผ่านระยะทางในชั้นบรรยากาศที่สั้นกว่ามากไปยังอุปกรณ์รับรู้ นอกจากนี้สภาพของชั้นบรรยากาศที่ต่างกัน (ขึ้นกับฝุ่น ควัน ไอน้ำ ละอองลอยต่างๆ ที่มีผลต่อขนาดและความยาวคลื่นของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกี่ยวข้อง) ก็เป็นตัวแปรสำคัญที่ทำให้ปริมาณของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่วัดได้จากอุปกรณ์รับรู้อาจมีค่าลดทอนลงหรือผิดไป ผลกระทบต่อพลังงานแม่เหล็ก ไฟฟ้าดังกล่าวเกิดจากปรากฏการณ์สองชนิดคือ การกระเจิงและการดูดกลืนในชั้นบรรยากาศ (atmospheric scattering and absorption)

รูปที่ 7 การแผ่พลังงานจากดวงอาทิตย์ ที่มา สมพงษ์ เลี่ยงโรคาพาธ (2551)

การกระเจิง (Scattering)

การกระเจิงของแสงในชั้นบรรยากาศทำให้แสงแพร่ไปในทิศทางที่ไม่อาจทำนายได้ เมื่อพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ไปกระทบกับอนุภาคขนาดต่างๆในชั้นบรรยากาศ การกระเจิงแบบเรลี (Rayleigh scattering) เกิดขึ้นเมื่อพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ไปมีปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลของบรรยากาศและอนุภาคอื่นๆที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าขนาดความยาวคลื่นของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้านั้นมาก ผลกระทบที่เกิดขึ้นจากการกระเจิงแบบเรลีเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสี่ของความยาวคลื่น นั่นหมายถึงมีแนวโน้มที่จะส่งผลให้ความยาวคลื่นสั้นมีการกระเจิงเกิดขึ้นในกระบวนการนี้มากกว่าในคลื่นที่ความยาวคลื่นที่ยาวกว่า

รูปที่ 8 การแผ่พลังงานจากดวงอาทิตย์ ที่มา สมพงษ์ เลี่ยงโรคาพาธ (2550)

การที่ท้องฟ้ามีสีน้ำเงินหรือฟ้าเป็นผลจากการกระเจิงแบบเรลีนี้ ถ้าไม่มีการกระเจิงแบบนี้ท้องฟ้าคงจะดำมืด เมื่อแสงจากดวงอาทิตย์มีปฏิสัมพันธ์กับชั้นบรรยากาศโลกแสงที่ความยาวคลื่นสั้นกว่า (สีน้ำเงิน) จะกระเจิงไปในทิศทางอื่นมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับส่วนอื่นในช่วงคลื่นแสงที่ตามองเห็น เป็นผลให้ท้องฟ้ามีสีน้ำเงิน ส่วนในเวลาดวงอาทิตย์ขึ้นและตก รังสีจากดวงอาทิตย์เดินทางผ่านชั้นบรรยากาศด้วยระยะทางที่มากกว่าช่วงกลางวัน พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าความยาวคลื่นสั้นกว่าจึงอาจกระเจิงออกไปหมดสิ้น เหลือเพียงแต่ความยาวคลื่นที่ยาวกกว่าคือแสงสีส้มหรือแดง

รูปที่ 9 การแผ่พลังงานจากดวงอาทิตย์และการกระเจิงในชั้นบรรยากาศ ที่มา สมพงษ์ เลี่ยงโรคาพาธ (2550)

เมื่ออนุภาคในชั้นบรรยากาศมีขนาดเท่าๆกับความยาวคลื่นของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า จะเกิดการกระเจิงแบบมี (Mie scattering) ไอน้ำและฝุ่นเป็นสาเหตุหลักของการกระเจิงแบบมี ซึ่งมีผลต่อพลังงานที่มีความยาวคลื่นยาวกว่าเมื่อเทียบกับการกระเจิงแบบเรลี แม้ว่าการกระเจิงส่วนใหญ่ในบรรยากาศจะเป็นแบบเรลี แต่การกระเจิงแบบมีก็ส่งผลต่อพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงกว้างได้เช่นกัน

สิ่งที่รบกวนการรับรู้จากระยะไกลได้มากกว่าก็คือการกระเจิงแบบไม่เลือก (Non-selective scattering) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคในชั้นบรรยากาศมีขนาดใหญ่กว่าความยาวคลื่นของพลังงานที่ต้องการรับรู้ หยดน้ำ(ขนาดประมาณ 5 ถึง 100 µm) เป็นสาเหตุหลัก ซึ่งจะกระเจิงแสงทั้งหมดทั้งแสงที่ตามองเห็น คลื่นอินฟราเรดใกล้และกลาง ออกไปด้วยปริมาณที่เท่าๆกัน หรือกระเจิงแบบไม่เลือก ความยาวคลื่นในช่วงแสงที่ตามองเห็น ได้แก่แสงสีน้ำเงิน เขียวและแดง จะกระเจิงไปในปริมาณที่เท่ากัน ดังนั้นหมอกและเมฆ (ประกอบขึ้นจากหยดน้ำ) จึงปรากฏเป็นสีขาว

รูปที่ 10 การแผ่พลังงานจากดวงอาทิตย์ ดัดแปลงจาก: Lillesand et al 2004 และhttp://www.fas.org/irp/imint/docs/rst/Intro/Part2_4.html

การดูดกลืน (Absorption)

การดูดกลืนมีความแตกต่างกับการกระเจิง การดูดกลืนในชั้นบรรยากาศยังผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าไปกับส่วนประกอบของชั้นบรรยากาศ โดยเป็นผลจากการดูดกลืนพลังงานที่ความยาวคลื่นต่างๆ ตัวดูดกลืนในชั้นบรรยากาศที่มีผลต่อการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์มากที่สุดได้แก่ คาร์บอนไดออกไซด์ ไอน้ำ และโอโซน แก๊สเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะดูดกลืนพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นที่จำเพาะ ซึ่งจะส่งผลอย่างมากต่อพลังงานในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ ที่วัดได้จากระบบการรับรู้จากระยะไกล ช่วงความยาวคลื่นที่ชั้นบรรยากาศยอมให้มีการส่งผ่านพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าได้ (มีการกระเจิงและดูดกลืนไปน้อย) เรียกว่า หน้าต่างชั้นบรรยากาศ (Atmospheric windows)

หน้าต่างชั้นบรรยากาศ (Atmospheric windows)

พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศที่มีส่วนประกอบของแก๊สชนิดต่างๆ จะถูกดูดกลืนไปตามสัดส่วนในช่วงความยาวคลื่นที่จำเพาะตามชนิดของแก๊สนั้นๆ เมื่อรวมรูปแบบการดูดกลืนของแก๊สหลักๆทั้งหมดในชั้นบรรยากาศเข้าไว้ด้วยกันจะได้รูปแบบการดูดกลืนของชั้นบรรยากาศ อย่างไรก็ตามจากรูปแบบการดูดกลืนดังกล่าวจะเห็นว่าชั้นบรรยากาศยังเปิดให้หรือยินยอมให้ส่งผ่านพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าได้ในบางช่วง ดังหน้าต่างชั้นบรรยากาศตามรูปที่ 10

รูปที่ 11 หน้าต่างชั้นบรรยากาศ (Atmospheric windows) และอุปกรณ์รับรู้ในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ ที่มา สมพงษ์ เลี่ยงโรคาพาธ (2551)

ชั้นบรรยากาศเปิดให้มีการส่งผ่านพลังงานแม่เหล็ก ไฟฟ้าได้ในสามช่วงหลักๆ ช่วงแรกความยาวคลื่นตรงกับช่วงคลื่นแสงที่ตามองเห็นถึงอินฟราเรดใกล้และกลาง ซึ่งสามารถใช้ตามนุษย์หรือกล้องถ่ายรูปเป็นอุปกรณ์รับรู้ได้ หรือใช้เครื่องกราดภาพแบบหลายช่วงคลื่น (Multispectral scanner, ตามรูป) ก็จะสามารถตอบสนองต่อพลังงานในช่วงแคบๆได้หลายช่วง ช่วงที่สองจะเป็นช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่ 3 ถึง 5µm และ 8 ถึง 14µm ซึ่งอยู่ในช่วงที่ใกล้เคียงกับการปลดปล่อยความร้อนของผิวโลก ทั้งนี้ต้องใช้เครื่องกราดภาพเชิงความร้อน (Thermal scanner) และสุดท้ายช่วงเปิดกว้างอีกช่วงคือประมาณ 1mm ถึง 1m ซึ่งตรงกับช่วงไมโครเวฟ และความถี่วิทยุ ซึ่งมีการนำมาใช้งานทางด้านการถ่ายภาพด้วยเรดาร์

จากความสัมพันธ์ระหว่างแหล่งพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าและหน้าต่างชั้นบรรยากาศที่เปิดออกเพื่อให้พลังงานสามารถส่งผ่านไปยังและสะท้อนมาจากพื้นผิวโลก และการตอบสนองเชิงคลื่นของอุปกรณ์รับรู้ที่ใช้ในงานการรับรู้จากระยะไกล เราจึงต้องคำนึงถึง

1) การตอบสนองของอุปกรณ์รับรู้ที่มีให้เลือกใช้ได้ 

2) ช่วงความยาวคลื่นที่ต้องการใช้ที่เหมาะสมกับหน้าต่างชั้นบรรยากาศ และ 

3) แหล่งกำเนิด ขนาด และองค์ประกอบเชิงคลื่นของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงคลื่นดังกล่าว

อย่างไรก็ตาม ทางเลือกของช่วงความยาวคลื่นของอุปกรณ์รับรู้จะขึ้นอยู่กับการตอบสนองจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับพื้นผิวที่สนใจ

กล่าวโดยสรุป เราสามารถใช้ระบบการรับรู้จากระยะไกลด้วยดาวเทียมในการสำรวจโลกผ่านชั้นบรรยากาศโลกที่เต็มไปด้วยแก๊สหลากหลายชนิด ได้จากพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นเพียง 3 ช่วงหลักๆ ได้แก่ ช่วงคลื่นแสง (แสงที่ตามองเห็นได้ อินฟราเรดใกล้และกลาง) ช่วงคลื่นอินฟราเรดความร้อน และสุดท้ายช่วงคลื่นไมโครเวฟ การออกแบบอุปกรณ์รับรู้จากระยะไกลจึงขึ้นอยู่กับ 3 ช่วงนี้เป็นหลัก

แหล่งข้อมูลอ้างอิง

[1] Lillesand, T.M., Kiefer, R.W. and Chipman, J.W., (2004), "Remote Sensing and Image Interpretation", 5th edition, John Wiley and son.
[2] สมพงษ์ เลี่ยงโรคาพาธ (2550), "ปฏิสัมพันธ์ของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้ากับชั้นบรรยากาศและพื้นโลก",เอกสารประกอบการสอนวิชา GIS Remote Sensing, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร
[3] สมพงษ์ เลี่ยงโรคาพาธ (2551), เอกสารประกอบการบรรยาย "ระบบถ่ายภาพดาวเทียมและการประยุกต์ใช้ภาพถ่ายดาวเทียมเพื่อศึกษาภาวะโลกร้อน", โครงการอบรมแกนนำเครือข่ายองค์ความรู้ด้านกิจการอวกาศ รุ่นที่ 2, วันที่ 30 กันยายน 2551, กระทรวงเทคโนโลยีสารสนเทศและการสื่อสารและสถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง

ที่มา http://www.space.mict.go.th/knowledge.php?id=rs1