Elektromagnetisches Spektrum und Interaktion mit der Atmosphäre

Elektromagnetische (EM) Strahlung ist eine Form der Energieausbreitung. Sie kann als Wellenstrahlung aufgefasst werden, d.h. ein sich periodisch änderndes elektromagnetisches Feld, das sich im Vakuum (und in guter Näherung in der Atmosphäre) mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Gekennzeichnet wird EM-Strahlung durch die Wellenlänge λ bzw. die Frequenz ν. Die Richtung des elektrischen Feldvektors bestimmt die Polarisation der Welle.

Die Komponenten einer elektromagnetischen Welle umfassen eine sinusförmige elektrische Welle (E) und im rechten Winkel dazu eine ebenfalls sinusförmige magnetische Welle (M). Beide liegen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.
Die Komponenten einer elektromagnetischen Welle umfassen eine sinusförmige elektrische Welle (E) und im rechten Winkel dazu eine ebenfalls sinusförmige magnetische Welle (M). Beide liegen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. (Quelle: Lillesand 2004 (verändert))

Elektromagnetische Strahlung, die auf einen Körper trifft, wird zu einem Teil an seiner Oberfläche reflektiert, ein weiterer Teil wird von ihm absorbiert, und der Rest durchdringt den Körper. Die einzelnen Anteile bei diesen Vorgängen variieren stark, je nach Beschaffenheit des Körpers und Wellenlänge der Strahlung. Zudem emittiert jeder Körper Strahlung in Abhängigkeit seiner Temperatur. Das abgestrahlte Spektrum wird auch Helligkeitstemperatur genannt. In der unteren Grafik ist die Strahlungsenergie der Sonne mit ihrer Oberflächentemperatur von 6000K (das Maximum im visuellen Spektralbereich) im Vergleich mit der Strahlungsenergie der Erde von 300K (Maximum im thermalen Infrarot) aufgezeigt. Darunter ist die atmosphärische Durchlässigkeit (bei wolkenlosem Himmel) dargestellt. Nimmt man die Atmosphäre als Körper so erkennt man, dass er im ultravioletten und fernen IR-Bereich nahezu undurchlässig ist, die Strahlung zum größten Teil absorbiert wird. Für den visuellen und den Mikro- und Radiowellenbereich stellt die Atmosphäre kaum ein Hindernis dar. Ein weiterer wichtiger Faktor für die Durchlässigkeit EM-Strahlung ist die Streuung an kleinen Materieteilen (Aerosolen), wie Staub, Dunst u.ä., die ebenfalls stark von der Wellenlänge der Strahlung abhängt.

Den Wellenlängenbereichen des elektromagnetischen Spektrums ist die Strahlungsenergie der Sonne und die Durchlässigkeit der Atmosphäre gegenübergestellt. Zur Fernerkundung können nur einzelne Bereiche in
Den Wellenlängenbereichen des elektromagnetischen Spektrums ist die Strahlungsenergie der Sonne und die Durchlässigkeit der Atmosphäre gegenübergestellt. Zur Fernerkundung können nur einzelne Bereiche in "atmosphärischen Fenstern" benutzt werden; die entsprechenden Sensoren sind aufgeführt. (Quelle: Albertz, Jörg (2001))

Für Fernerkundung relevant ist folglich das Spektrum ab einer Wellenlänge von etwa 100nm (ultraviolettes Licht) über den Bereich des sichtbaren Lichts (400-700nm). Abschnitte des Infrarotlichts (IR), welches in das nahe, mittlere, thermale und ferne Infrarotlicht unterteilt ist (etwa 1µm bis 1mm) eignen sich ebenfalls dazu durch einen Luftkörper zu messen. Danach folgen die Mikrowellen (1mm bis 1m) und die Radiowellen, welche die Atmosphäre ungestört durchdringen. Es ist üblich die Angaben von UV- bis einschließlich dem Thermalinfrarotlicht in Wellenlänge anzugeben und bei längeren Wellenlängen (größer 15µm) die Einheit der Frequenz zu benutzen. Da Sensorsysteme jeweils nur einen kleinen Spektralbereichbereich aufnehmen erfolgt eine weitere Zuordnung der Frequenzen in Bänder (bzw. Kanäle).   

Frequenzen und Wellenlängen von in der Fernerkundung gebräuchlichen Bändern

Band Frequenz (Ghz) Wellenlänge
P0.225-0.39079.9-133cm
L0.390-1.5519.35.76.9cm
S1.55-4.207.14-19.35cm
C4.20-5.755.22-7.14cm
X5.75-10.92.75-5.22cm
Ku10.9-22.01.36-2.75cm
Ka22.0-36.08.33-13.6mm
Q36.0-46.06.52-8.33mm
V46.0-56.05.36-6.25mm
W56.0-1003.0-5.36mm