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7. December 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
METSWN Organisation, 2nd half
1
8 30. November Radiation introduction (UL)
9 7. December EM Spectrum; Reflection and refraction (SC)
10 14. December Thermal emission and Transmission (SC)
11 11. January Gas absorption (SC)
12 18. January Heating rates (Exercises, KE)
13 25. January Radiative transfer (Exercises, UL)
14 1. February Scattering (SC)
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Content1. Introduction
2. Properties of electromagnetic radiation2.1 Electromagnetic waves2.2 Frequency2.3 Polarization2.4 Energy2.5 Mathematical description2.6 Quantum properties
of radiation2.7 Radiation measures
3. Electromagnetic Spectrum4. Reflection and Refraction5. Radiative properties of natural surfaces6. Thermal emission7. Atmospheric transmission8. Atmospheric emission9. Absorption atmospheric gases10. Broadband fluxes and heating rates (cloud free)11. Radiative transfer with scattering12. Scattering and absorption by particels13. Radiative transfer with multiple scattering
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Wiederholung
Welche Annahmen sind in homogenen, zeitab-hängigen Maxwell-Gleichungen enthalten?
Was sagen sie aus und was ist eine Lösung?
Was sagt der komplexe Wellenzahlvektor ?
Was bestimmt die Wellenzahl in einem Medium?
Was ist der Pointing-Vektor?
k‘ ist senkrecht zu Ebenen konstanter Phase -> Ausbreitungsrichtung k‘‘ ist senkrecht zu Ebenen konstanter Amplitude
sind beide parallel oder k‘‘=0 ist die Welle homogen
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2.5 Quantum properties of radiation Dualism wave - particle
Electromagnetic waves occur (are emitted), when atoms/molecules transfer to a lower state of energy (electron configuration, vibrational and rotational states)
If EM-waves are absorbed, then the atoms/molecules are transferred to a higher state of energy.
Radiant energy is made of discrete energy packets (photons)
An EM-wave (photon) has the energy E=hν with ν frequency of the wave and h=6.6263x10-34 Js the Planck constant
Problem 2Only radiation with wavelengths smaller than 0.242 μm is capable of dissociating molecular oxygen into atomic oxygen, according to
O2+photon O+OBased on this information, how much energy in apparently required to break the molecular bond of single O2 molecule?
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2.6 Radiation measures
Radiant energy flux density F [W/m²]total radiant flux through unit surfacemostly w.r.t. to a horizontal surface, but also normal to a radiation source (e.g. sun)Flux contains all incoming radiation from the hemisphere (direct and diffuse)
natural incoherent radiation, mostly broad-band between wavelengths λ1 and λ2
Definition of monochromatic (spectral) radiant energy flux density Fλ [W m-2 μm-1]
Example: Radiant energy flux density between 0.3 and 1.0 μm is 200 Wm-2
+
-
Horizontalsurface
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Spherical geometry (polar coordinates)every direction above the horizon can be described by two angles
Zenith angle θ measures angle from a reference (i.e. over head) 0 < θ < π/2 zenith θ =0° , horizon π/2 nadir θ =180° or πμ=cos θ; elevation angle = 90° - θ
azimuth angle Φangle from horizontal reference pointcounter clockwisecircle 0 < Φ < 2π
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Solid angle
solid angle ω [sr] solid angle is to „regular“ angle as area is to length reference direction (i.e. vertical)sphere has a surface of 4 π r2
r = 1m surface 4π solid angle 4π sr
Infinitesimal solid angle element
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Solid angle: examples
Cloud withinelevation π/4 < θ < π/2azimuth 0 < Φ < π/8Which solid angle does the cloud cover?Estimate cloud cover!
Does the sun or the moon occupy a larger solid angle?Distances Dsun = 1.496 x 108 kmDmoon = 3.84 x 105 km
Radii
rsun = 6.96 x 105 kmrmoon = 1.74x103 km
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2.7 Radiation measures
Radiant energy intensity or radiance I [W/(m²sr)]radiant energy flux per unit surface and solid anglesr = Steradian, solid angle unit
Relation between flux density and intensity is through integration over the hemisphere
I is the energy flux through a unit surface originating from a solid angle unit, whereby the surface is normal to the beam direction (cosθ factor in integration for F).
dΩθ
EF
I
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Radiant energy flux density F
F is reduced at off-nadir incidence at constant source strength
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Radiation quantities (german/english)
Strahlungsenergie radiant energy E Joule
Strahlungsfluss radiant energy flux Watt
Strahlungsflussdichteradiant energy flux density orirradiance
Watt m-2
Strahldichteradiant energy intensity or radiance
Watt m-2 sr-1
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Strahlungsintensität und Polarization
Für die meisten Anwendungen interessiert nur die skalare Strahlungsintensität I.
Ziel: Beschreibung der Polarisationseigenschaften
Stokes-Vektor Grad der Polarization
Grad der linearen PolarizationGrad der linearen Polarization
zirkularen Polarization
Unpolarisierte Strahlung: U=Q=V=0
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Beschreibung polarisierter Strahlung
Annahme: elektrisches Feld ist eine harmonische Funktion der Zeit
Nun teilen wir den ortsabhängigen Feldvektor in die parallele und senkrechte Komponente auf:
mit Amplitude Phase reelle Funktionen des Ortes
Sind beide Phasen gleich → linear polarisiert
Sind sie um 90° verschoben, so beschreibt der E-Vektor eine Ellipse
Ist genau eine Phase zusätzlich null, ist die Ellipse nach den Koordinatenachsen ausgerichtet und die Halbachsen der Ellipse sind gleich den beiden E-Feld- Komponenten.
In jedem Fall ist das Feld 100% polarisiert!
a
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Wir wollen nun zu den messbaren Größen, die mit der Energieflussdichte durch die elektromagnetischen Wellen und damit dem Poynting‘schen Vektor zusammenhängt.
Wir können mittels Polarisationsfilter sofort zwei Größen, Intensität I (ohne Filter) und lineare Polarisationsdifferenz Q (Filter bei 90°), messen und die beiden Amplituden entlang der Achsen bestimmen:
Eine weitere Größe U, welche die Phasenverschiebung beider Komponenten gegeneinander bestimmt, ist messbar, wenn man mit einem Polarisationsfilter bei 45° und bei 135° misst und die Intensitäten voneinander abzieht.
Da der Cosinus symmetrisch ist, kennen wir aber noch nicht die Drehrichtung des E-Feldes!
Beschreibung polarisierter Strahlung
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Um auch das Vorzeichen der Phase zu bestimmen, messen wir mit Filtern, die nur eine Rotationsrichtung von zirkulär polarisiertem Licht durchlassen (schwierig, aber gibt es).
Wir definieren die komplexen orthonormalen Einheitsvektoren mit entsprechenden Projektionen des E-Feldes:
Misst man diese durch entsprechende Polarisationsfilter, so kann die vierte Komponente bestimmt werden
Damit ist auch das Vorzeichen der Phasendifferenz und damit die Drehrichtung bekannt.
Beschreibung polarisierter Strahlung
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Beschreibung polarisierter Strahlung
Die Kombination der vier Intensitätskomponenten ergibt den Stokes vektor:
Polarization I Q U V
Horizontal 1 1 0 0
Vertikal 1 -1 0 0
Linear + 45° 1 0 1 0
Linear – 45° 1 0 -1 0
Zirkular rechts 1 0 0 1
Zirkular links 1 0 0 -1
Unpolarisiert 1 0 0 0
Intensität
Pol.grad
Pol.ebene
Elliptizität
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Anwendung Stokes-Vektor
Beschreibung der Strahlungs-Wechselwirkungen
Skalar :
Polarisiert:
Müller Matrix beschreibt Änderungen von Intensität und Polarisation
Beispiel: Transformation einer beliebig polarisierten Strahlung in reinelliptische Polarisation!
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Anwendungen
Solarkonstante: Mittlerer solarer „Fluss“ So=1370 Wm-2 (Strahlungsflussdichte)
= 1.74 x 1017 W (Strahlungsfluss)
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Sonnengeometrie
θs
Was ist der Effekt der atmosphärischen Refraktivität?
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Anwendungen
Verfügbare Sonneneinstrahlung pro Tag (transparente Atmosphäre)
Kombinierte Effekte von - Tageslänge
und - Winkel
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Sonneneinstrahlung
Obergrenze für verfügbare Sonnenenergie Einfluss der Atmosphäre
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4 mSolar Thermisch oder terrestrisch
3. Elektromagnetisches Spektrum
Strahlungsfeld kann als Überlagerung vieler unabhängiger sinusförmiger Schwingungen angesehen werden jede Wellenlänge kann unabhängig analysiert werden Beispiel: Regenbogen (Tropfen zerlegt solare Strahlung in spektrale Komponenten)
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Reflektion und Streuung
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Reflektion, wenn Oberfläche glatt (groß) gegen Wellenlänge λ ist, z.B. Erdoberfläche Streuung in der Atmosphäre wenn Partikel vergleichbar oder größer als λ, z.B.
- Sonnenlicht wird schwach an Gasen aber stark an Wolken gestreut- Radiowellen werden an Schicht ionisierender Gase in Hochatmosphäre reflektiert
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Elektromagnetisches Spektrum
Im Vakuum
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Elektromagnetisches Spektrum
Im Vakuum
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Radiowellen: < 3 GHz (~λ>10 cm)
Hohe Transparenz der Atmosphäre (Radiofenster) Beobachtung der Erdoberfläche aus dem Weltraum
Frequenzbänder P, L, S, C, X, K bezeichnen für Radargeräte genutzte Frequenzbereiche (kryptische Bezeichnung aus dem 2. Weltkrieg)
Neben aktiven Systemen wie Radar und Altimeter werden auch passive Radiometer (z.B. SMOS zur Messung der Bodenfeuchte oder Salinität) in diesem Frequenzbereich genutzt
27
EM Spektrum: Radiowellen
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Mikrowellen: 3 > > 300 GHz (10 cm > λ >1 mm)
Rotationsübergänge atmosphärische Gase (Wasserdampf, Sauerstoff, Ozon)
Messungen der spektralen Verteilung (Spektrometer) entlang von Rotationslinien erlauben die Bestimmung von Profilen.
Beispiel: Satelliteninstrument AMSU (Advanced Microwave Sounder) zur Bestimmung von Temperatur- und Feuchteprofilen in Tropo- und Stratosphäre.
Wasserwolken sind im Mikrowellenbereich semitransparent und werden sowohl mit passiven Sensoren als auch mit Wolkenradargeräten beobachtet.
Bestimmungen von Oberflächeneigenschaften (Eistyp, Rauhigkeit)28
EM Spektrum: Mikrowellen
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Infrarotbereich: 1 mm > λ > 4 μm) 0.9 % des solaren Energieoutput Im Infrarotbereich sind sowohl Rotations- als auch Vibrationsübergänge vieler
atmosphärischer Gase zu finden (Imager, Spektrometer, Polarimeter und Laser) Die Kohlendioxidbande bei 15 μm wird häufig für Temperaturprofile genutzt Viele Spurengase (Atmosphärenchemie) aber auch Wolken (Wasser und Eis)
können beobachtet werden. Oberflächeneigenschaften nur bei wolkenfreiem Himmel
Submillimeterbereich (300 GHz bis 3 THz; 1 – 0.1 mm) wird auch teilweise dem Mikrowellenbereich zugeordnet
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EM Spektrum: Thermisches IR
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Solare Strahlung (4 μm > λ > 0.1 μm)
zahlreiche Vibrationsübergänge (z.B. Wasserdampf). Reflektiertes Sonnenlicht wird vom Satelliten u.a. für die Fernerkundung von Boden- und Wolken-eigenschaften genutzt. Limitierung durch Wolken und Dunkelheit.
Absorption energiereicher Sonnenstrahlung hauptsächlich durch Ozon und Sauerstoff, wobei hier auch Elektronenübergänge ins Spiel kommen.
Ozonfernerkundung (z.B. Total Ozone Mapping System TOMS) und auch Oberflächen anderer Planeten (ohne stark absorbierende Atmosphäre)
EM Spektrum: Solare Strahlung
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EM Spektrum: Solare Strahlung
Bereich Wellenlängen Solarer Output Bedeutung
Fern UV 0.1 < λ < 0.2 μm 0.01 % O2 Dissoziationoberhalb 50 km
UV-C 0.2 < λ < 0.28 μm 0.5 % O2 + O3 Diss.30 – 60 km
UV-B 0.28 < λ < 0.32 μm 1.3 % Meist absorbiertSonnenbrand
UV-A 0.32 < λ < 0.4 μm 6.2 % Zur Oberfläche
Sichtbar 0.4 < λ < 0.7 μm 39 % Transparent
Nahes IR 0.7 < λ < 4 μm 52 % Teilweise absorbiert (H2O)
Therm. IR 4 < λ < 50 μm 0.9 % Viele Absorber
Kosmische Strahlung (Gamma + Röntgen) aus radioaktivem Zerfall und Fusion wird alle 100 hPa um Faktor 2 reduziert
Im extremen UV wird O2 und N2 ionisiert
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Absorption solarer StrahlungFraunhoferlinien entstehen durch Resonanzabsorption der Gase in der Sonnen-Chromosphäre und sind am Atmosphärenoberrand (TOA) sichtbar
In erster Nährung entspricht Sonnenstrahlung am TOA Planckkurve mit ca. 5800 K
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Absorption solarer Strahlung
In der Atmosphäre absorbieren Ozon und Sauerstoff UV-C und UV-B Strahlung nahezu vollständig
Atmosphären-oberrand
O3 + h
O2 + h
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Absorption solarer Strahlung
Atmosphären-oberrand
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Anwendung: Ozonschicht
Chapmann Zyklus beschreibt vertikale Ozonverteilung in Stratosphäre recht gut
j1
k1
j2
k2
Chapman Zyklus
Wieso ist Maximum in ca. 30 km?Warum sind wahre Werte
geringer?Woher kommt die Erwärmung?
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Vertikalprofil von Ozon
Ozon nimmt
mit zunehmender Höhe wegen der geringeren Sauerstoffkonzentration ab
mit zunehmender Höhe wegen der verfügbaren UV Photonen zu
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Aktinischer Fluss
J Photodissoziationskoeffizient [s-1]
Absorptionsquerschnitt [cm2 Molekül-1]
Quantenausbeute, Wahrscheinlichkeit dieses Kanals
I() Aktinischer Fluss [Photonen cm-2 s-1]
max Dissoziationsschwelle
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aktin – griech. „strahlend“
Anzahl der Photonen, die pro Zeiteinheit die Einheitsfläche (1 cm2) durchqueren, und zwar aus jeder beliebigen Richtung.
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Quellen
Senken
UV-A Strahlung ist Schlüsselkomponente in troposphärischer Chemie
Anwendung: Photochemischer Smog
Photochemisches Gleichgewicht
Primärverschmutzer durch Verkehr und Industrie
Stickoxide (NOx = Monxid NO und Dioxide NO2)
Flüchtige Kohlenwasserstoffe (VOC)
Sofortige Bildung von Sekundärverschmutzern (Ozon, PAN..) durch Reaktionen mit reaktiven Sauerstoffatom
Schliessung des Zyklus
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Wird NO anders oxidiert akkumuliert sich Ozon!
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Entwicklung des Ozonsmogs
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Anwendung: Hydroxy-Radikal
FCKW sind einige der wenigen Moleküle, die nicht von OH aufgebrochen werden können.
Das wichtigste Oxidationsmittel jedoch ist das OH-Radikal. Es ist sehr reaktiv und in der Lage, die meisten chemischen Verbindungen in der Troposphäre zu oxidieren.
Darum wird es auch das 'Waschmittel der Atmosphäre' genannt.
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4. Reflektion und Refraktion
Homogenes Medium
Glatt und gleichmässig auf Skala der Wellenlänge, - z.B. Wasseroberfläche im Sichtbaren- Mich ist „milchig“ da Schwebeteilchen in Größenordnung von λ
Beispiele für Inhomogenes Medium- Wasser ist „klumpig“ für Röntgen und Gamma-Strahlung- turbulente Wirbel für Zentimeter-Wellen
Wolken bestehen aus Tröpfen mit ca. 10 μm Durchmesser- homogen für Mikrowellen- inhomogen für sichtbar
Auf makrosopischer Skala kannein Medium durch den komplexenBrechungsindex beschrieben werden:
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4. Reflektion und Refraktion
N ist Materialeigenschaft bestimmt von derPermittivität ε und der Permeabilität μ
N hängt ab von Medium, Wellenlänge sowie schwächer von Temperatur, Druck,..
nr bestimmt effektive Phasenge-schwindigkeit der Welle
Unstetigkeiten führen zu Reflektion und Refraktion
ni bestimmt Absorption (ni=0 keine Absorption)
nr und ni hängen über die Kramer-König Beziehung zusammen
Amplitude Phase
Wikipedia
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Komplexer Brechungsindex
nr
ni
für alle Mediennr >1
Luft: nr = 1.0003
nichtabsorbierendesMedium:
Vis 1.33
Absorptionskoeffizient:
43
Abb. 4.1 Petty (2006)
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Eindringtiefe
Transmission:
Beer-Bouguer-Lambert Gesetz:
Eindringtiefe gibt an, nach welcher Strecke die Intensität auf 1/e =37% abgenommen hat
Fernerkundung der Ozean-
oberflächentemperatur „skin temperature“
44
Abb. 4.2 Petty (2006)
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Dielektrizitätskonstante
nichtmagnetisches Medium
Für viele Anwendung ist Dielektrizitätskonstante
üblicher als Brechungsindex
45
μo 1.257 10−6 H / m Permeabilität des Vakuums
μ Permeabilität des Mediums
μr relative Permeabilität (ca. 1)
εo 8.85410-12 F / m Permittivität des Vakuums
ε Permittivität des Mediums (zwischen 1 und 80)
εr relative Permittivität (Dielektrizitätskonstante)
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Optische Eigenschaften inhomgenes Medium
Mischung von zwei Materialien, die jeweils homogen sind, z.B. Schneefall in der Luft (Einzelkristalle sind ca. 1 mm und groß gegen Wellenlänge sichtbaren Lichts
Effektive Dielektrizitätskonstante für gemischte Medien
46
f Volumenanteil des Einschlusses
εmr Dielektrizitätskonstante der Matrix
εr Dielektrizitätskonstante des eingeschlossenen Materials
Betrachtung einer Matrix mit Einschlüssenz.B. Luft (Matrix) und Wolkentropfen (Einschluss)
Maxwell-Garnett
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Reflektion und Refraktion
ΘT
Θ
N1
N2
Θ
relativer Brechungsindex
Θ EinfallswinkelΘT Brechungswinkel des transmittierten Strahls
Snellius Brechungsgesetz
An Unstetigkeiten des Brechungsindex wirdeinfallende EM Welle teilweise reflektiert und teilweise transmittiert.
Brechung (Refraktion) bedeutet Richtungsänderung der transmittierten Welledurch Änderung der Phasengeschwindigkeit.
Bei ebener Grenzfläche findet spiegelndeReflektion (Einfallswinkel= Ausfallswinkel statt)
teilweise Reflektion
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Reflektion und Refraktion
Abb. 4.3 Petty (2006) Strahl wird immer zum optisch
dickeren Medium hin gebrochen
Weg der Strahlung ist invariant zur Richtung, e.g. Übergangsrichtung vom einen zum anderen Medium
N1 = 1 (Luft)N2 = 1.33 (Wasser)
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Absorption
Abb. 4.4 Petty (2006)
Luft: N=1Θ=0
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Totalreflektion
Quelle: Wikipedia
Bei Einfallswinkel Θc findet erstmals Totalreflektionstatt. Strahlen mit größeren Winkel (z.B. Θ3) werden total reflektiert.
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Totalreflektion
Luft: N=1Θ>0 und N2>N1
ΘT
Θ
N1
N2
Θ
Brechung weg von der Normalen Θt>Θ
kritischer Winkel für Totalreflektion
Θo definiert den Winkel, ab dem im im dichteren Medium interneTotalreflektion stattfindet
Θo gibt den maximal möglichen transmittierten Winkel an, der bei einemEinfallswinkel von 90 deg stattfindet
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Reflektion Fresnel-Gleichungen
m relativer Brechungsindex = N1/N2
Rp Reflektivität der Welle parallel zur EinfallsebeneRs Reflektivität der Welle senkrecht zur Einfallsebene
BrewsterWinkel
kein BrewsterWinkel, da hoher
Imaginärteil
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Brewster Winkel
Es gibt einen ausgezeichneten Einfallswinkel (abhängig vom Brechungsindex), bei dem keinerlei vertikal polarisierte Strahlung reflektiert wird.
Bei diesem Brewsterwinkel ist das reflektierte Signal also vollständig horizontal polarisiert.
Für Wasser im Sichtbaren θ=53°
Je größer der Realteil von m, desto größer sind die Reflektivitäten größer der Brewster Winkel kleiner der Winkel für Totalreflektion
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Reflektion
Wasserfläche reflektiert sichtbares Licht - bei senkrechtem Einfall nur ca. 2% (Mittag)- bei sehr schrägem Einfall (Θ->90°) sehr stark (Sonnenuntergang)
Horizontale Polarisation wird stärkerreflektiert - polarisierende Sonnenbrille!
Spezialfall senkrechter Einfall Θ=0
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Beispiel Wasseroberfläche
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Lichtbrechung
Sonne (oder ein Gegenstand am Horizont) erscheint höher als in Wirklichkeit. Die scheinbare Abplattung von Sonne und Mond entsteht durch die Abhängigkeit der Krümmung vom Winkel.
rot grün blau
Der grüne Strahl (sehr seltenes Phänomen) entsteht durch die Wellenlängenabhängigkeit der Brechung. Man müsste bei Sonnenuntergang zuletzt Blau sehen, sieht aber Grün, da das Blau schon rausgestreut ist (Rayleigh-Streuung)
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Kombination von Brechung und interner Reflektion- Sonnenstrahl wird beim Übertritt von der Luft in Tropfen gebrochen- Reflektion an Tropfeninnenseite- Brechung beim Austritt der Strahlung aus Tropfen
Insgesamt wird der Strahl um 139° gedreht. Der Beobachter B sieht den Haupt- und den Nebenbogen unter einem Winkel von 41° bzw. 51° Grad um den Sonnengegenpunkt der unter dem Horizont liegt.
Brechung abhängig von Wellenlänge
139°
Anwendung Regenbogen
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Anwendung Regenbogen
Nebenbogen bei 2-fach Reflektion
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Anwendung Regenbogen
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Ebene Welleebene Oberfläche
geometr. Optik
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HALOhäufige Eiskristallformen
Lichtbrechung im Eiskristall
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Sichtbares Licht hat am hexagonalen Prisma ein Minimum der Ablenkung zwischen 21,7° (rot, 656 nm) und 22,5° (violett, 400 nm).
Kein sichtbares Licht wird in kleineren Winkeln gebrochen, so dass der Eindruck eines leeren Raums zwischen Leuchtobjekt und Halo entsteht.
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kleiner Ring 22°großer Ring 46°
Nebensonne (senkrechte Lage des Kristalls)
HALO
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Lichtstrahl durchläuft eine Seitenfläche und die Ober- oder Unterseite des Kristalls.
Das Minimum der Ablenkung in diesem Strahlengang ist 46°, weshalb der Ring genau hier am hellsten ist
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Lichtbeugung
Kränze um Sonne und Mond (Höfe) und die Glorie (Heiligenschein) entstehen durch Beugung an Wassertropfen und Eispartikeln
Höfe sind umso größer je kleiner die Partikel sind.
Höfe sind innen blau und außen rot (anders als bei Regenbogen und Halo).
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Glorien und Heiligenscheine
Kränze vor allem bei dünnen Wasserwolken
Höfe vor allem bei dünnen Cirren
Ringe sind umso größer je kleinerTropfen
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5. Strahlungseigenschaften natürlicher Oberflächen
natürliche Oberflächen sind komplex Boden, Vegetation, Schnee, Fels..
sind sehr inhomogen Wasseroberflächen werden durch Wind
moduliert difuse Reflektion starke Abhängigkeit von Einfallswinkel
(Azimut und Elevation)
http://modis.gsfc.nasa.gov/gallery/
Meist empirische Charakterisierung aus Messungen
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Absorption und Reflektion
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An Erdoberfläche wird Teil absorbiert (a) und Teil reflektiert (r)
Viele Oberflächen sind azimutal isotrop, d.h. z.B. Sonnenausrichtung (Ost, West..) und Φ Abhängigkeit verschwindet
Bei sehr rauhen Oberflächen, z.B. Wälder, kann auchAbhängigkeit vom Elevationswinkel vernachlässigt werden
Chlorophyll-sprung
H2O Vib-ration
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Elektronische Zustände
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Quelle: Wikipedia
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Vibrationsprozesse: H2O
Das Wassermolekül besteht aus drei Atomen (N=3) und hat somit 3 Schwingungsfreiheitsgrade und drei klassische Frequenzen ν1, die den Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 entsprechen
Eine Kombinationsschwingung ist z.B. ν2 + ν3 deren Wellenlänge sich mit1/λ = 1/λ3 + 1/λ2 zu 1.87 μm ergibt.
Ein Beispiel für eine Oberschwingung ist 2ν3, die einer Wellenlänge von 1.4 μm entspricht.
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Absorption und Reflektion
Neuschnee hat eine sehr hohe Reflektivität (85-95 %) im Sichtbaren und wird zum Infraroten nahezu „schwarz“
Wasser, Böden und frische Vegetation haben generell geringe Reflektivität (<15 %)
Lokales Maximum bei 0.55 μm durch Chlorophyll bewirkt, das Grass und Alfalfa grün sind
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Blattalter
Aus genauen spektralen Messungen der Blattreflektion kann auch auf das Alter der Blätter geschlossen werden.
Dies ist nichts anderes als die mit dem Auge erfasste Blattfärbung im Herbst.
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Oberflächenemission im Mikrowellenbereich
Oberflächensignal ist proportional zu dessen Temperatur und Emissivität ε
Im Gegensatz zum thermischen IR, wo natürliche Erdoberfläche (außer blankem Gestein) ε~1, liegt ε im Mikrowellenbereich zwischen 0.4 und 0.9.
0.4 - 0.6: Wasser, abhängig vom
Blickwinkel, Rauhigkeit, Wind, Schaum, Salz
0.6 - 0.9: Erdoberfläche, abhängig von Bodenfeuchtegehalt, Vegetation, Rauhigkeit..
bis 0.98: Eis, abhängig vom Alter
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Winkelabhängigkeit der Reflektion
glatte Oberflächen reflektieren spiegelnd specular reflection (Snellius Gesetz)
Lambert-Oberflächen in alle Richtungen gleichmäßignach oben reflektierte Strahlungsflusdichte Fr ist isotrop
die meisten natürlichen Oberflächen sind sehr irregulärReflektivität r muss experimentell bestimmt werden
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Reflektion von Sonnenstrahlung
Sonnenstrahlung fällt unter Winkel θi ein
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bidirektionaleReflektionsfunktion
BDRF
Allgemein mehr als eineStrahlungsquelle !
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Reflektion - Allgemein
Richtung der einfallenden Strahldichte
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reflektierte Flussdichte
mit
Reflektierte Strahldichte:
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Reflektion - Anwendung
nackter Boden (Albedo ca. 10 %)absorbiert 30 % mehr Sonnenstrahlung als ein Weizenfeld (Albedo ca. 30 %)
Mikroskalige Zirkulationen
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QS Nettostrahlung solar [W m-2]
QL Nettostrahlung terrestrisch [W m-2]
H Fluss fühlbarer Wärme [W m-2]
LE Fluss latenter Wärme [W m-2]
B Bodenwärmestrom [W m-2]
QS - QL - H - LE - B = 0
1. Solare Erwärmung der Oberfläche
QS
LE
QL
BB
H
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Reflektion - Anwendung
feuchte Oberflächen geben Energie vor allem in Form latenter Wärme ab
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1. Solare Erwärmung der Oberfläche
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4. Stunde: Zusammenfassung
Hambach
Wo?
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Reflektion - Anwendung
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2. Fernerkundung
seit 1960 Satelliten im Sichtbaren
hohe Reflektivitäten hohe Albedo oder hohe BDRF
http://rammb.cira.colostate.edu/wmovl/VRL/Tutorials/GOES39/snglnvnu.htm
sun glint
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Reflektion - Anwendung
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2. Fernerkundung
BRDF unterscheidet sich bei zwei benachbarten Wellenlängen kaum
Der sprunghafte Anstieg des Reflexionsgrades von Chlorophyll bei 0.7 µm wird zur Definition des Normalized Difference Vegetation Index NDVI genutzt.
NDVI wurde zuerst aus den Kannälen - 1 (0.55 - 0.75 μm) - 2 (0.75 - 1.6 μm) des Advanced Very High Resolution Radiometer AVHRR gemessenen Reflektivitäten definiert.