電磁波によるリモートセンシングの原理に関すること

電磁波の源に注目した観測方法の分類

能動型(active):

衛星から電磁波を出し、対象物で反射された 電磁波の到達時刻や強さを観測する。 受動型よりも精度のよい観測ができることが多いが、 エネルギー資源を多く必要とする。

受動型(passive):

対象物から射出または反射された自然の電磁波 (の強さなど)を観測する。

• 太陽放射の反射を観測...可視・近赤外の波長帯
• 地球(地表面・大気)の熱放射を観測...熱赤外・マイクロ波の波長帯

別の源から人工的に発信された電磁波を受信するだけのセンサーはこの分類にうまくはまらない。 その主要なものには、GPS (Global Positioning System)を利用する(GPS衛星以外の)衛星がある。 GPSについては別に説明する。

電磁波の伝達の特徴

• 電磁波の吸収...電磁波のエネルギーが、吸収した物体の内部エネルギー に変わる。
• 電磁波の散乱...電磁波のエネルギーには変わりがないが、電磁波の方向 が変わる。もとの電磁波が方向がそろっていても、散乱後の電磁波の方向は (ある程度)ランダムになる。
• 波長別に細かくみたとき、ある物質のある波長の電磁波の吸収率は 射出率(射出する放射輝度の黒体放射に対する割合)に等しい ...熱力学的局所平衡が成り立っていて物体の温度が定義できるような 状況にあることが前提。
  • 「黒いものは白いものより暖まりやすくさめやすい」ということわざは、 もし「黒、白」が可視光線だけでなく赤外線に対する吸収率をも代表している とすれば正しい(「黒い」ものは射出率が大きいので速くエネルギーを失う)。 しかし、赤外線に対して「黒い」ものが可視光線に対しても黒いとは限らない (たとえば雪)。 このことわざは、たぶん、(太陽放射に対して)黒いもののほうが昼の間の 暖まりかたが大きいので、夜の初めの温度が高く、その結果として温度の下がり かたも速いことを意味しているのだろう。
• 太陽放射の波長帯(可視・近赤外)の場合、 地球上の物体による射出はないので、透過・吸収・散乱を考えればよい。 エネルギーの流れを大きく上向き・下向きに分けて考える場合は、 散乱は、透過と反射にまとめることができる。 しかし、エネルギーの流れの向きをもっと細かく分けて考える場合は、 直達透過と、散乱されて透過するのは区別する必要がある。 (たとえば、太陽光をほとんど吸収しない霧[細かい水滴が大気に混ざった状態]を通してみると、 明るさはあまり変わらないが、ものの形はわからなくなる。)
• 赤外線・マイクロ波の受動型リモートセンシングの場合は、 散乱を省略して吸収・射出を考えればよいことが多い。 センサーが受ける放射は、いろいろな距離にある対象物(地表面、 雲や雨の粒子、大気の気体成分)から来たものの混合である。 ただし、波長によって吸収率・射出率が違うので、混合の割合が違う (中間にある物質の吸収が強い波長帯では、比較的近くが、 吸収が弱い波長帯では、比較的遠くが主として見える)。 複数の波長帯で同時に観測して得られた電磁波の強さは、 地表面(温度など)やいろいろな高さの大気(気温・水蒸気量など)の状態を それぞれ違う割合で反映しているので、 それを逆算する(連立方程式をとく)ことによって、地表面や大気の情報を 取り出すことができる。 [演習問題参照。]
• また、電磁波は「横波」で電場の振動方向は進行方向と垂直だが、 その面内でも複数の方向(たとえば水平・鉛直)の偏波(偏光)をもつ。 地表面からの射出では、水平偏波と鉛直偏波の射出量が違う。 とくにマイクロ波による地表面あるいは氷の結晶を含む雲の観測では、 波長ごとの強さに加えて、同じ波長の違う偏波の強さの違いも活用する。
• レーダーでは、パルス状の電波を出して、受ける。 往復の時間から対象物までの距離がわかる。 また、反射の強さ(距離が遠くなるにつれて電波が広がるぶんを補正したもので、 反射因子という)から、対象物(降水レーダーでは雨滴)に関する情報がわかる。 ただし、反射因子を降水量(面積あたり時間あたりの質量の流れ)に換算するには、 雨滴の粒径の度数分布を(特別観測などに基づいて)仮定する必要がある。