RADIATIA ELECTROMAGNETICA

Radiatia electromagnetica

1. Natura radiatiei electromagnetice

Energia electromagnetica este generata de cateva mecanisme: schimbari in nivelele energetice ale electronilor, accelerarea sarcinilor electrice, injumatatirea substantelor radioactive si miscarile termice ale atomilor si moleculelor.

Lumina si toate formele de radiatie se comporta atat ca unde, cat si ca particule. Ele au forma unor campuri de forte electric si magnetic legate intre ele in pachete (cuante sau fotoni) ce au masa zero in repaus. O particula de materie, cum ar fi un electron, prezinta un comportament de unda in anumite conditii. Materie pura si energie pura sunt concepte total abstracte. Masa si energia sunt inseparabile si sunt legate prin faimoasa formula a lui Einstein:

unde E este energia, m este masa si c este viteza radiatiei in vid. Aceasta relatie fundamentala a fost demonstrata practic de pierderea neta de masa in fuziunea si fisiunea nucleara si prin transformarea energiei in particule subatomice in acceleratoarele de particule de mare energie.

Undele asociate cu radiatia sunt unde transversale si implica vibratii perpendiculare pe directia de propagare. Radiatia poate strabate vidul si, de asemenea, poate afecta particulele din mediul fizic prin schimbarea proprietatilor lor electronice, de vibratie si de rotatie. Fiecare cuanta are asociate campuri electric si magnetic ce oscileaza ca unde sinusoidale perpendiculare unul pe celalalt si fata de directia de propagare (fig. 1). Distanta dintre maxime este lungimea de unda (l), iar numarul de vibratii ce trec printr-un punct intr-o secunda este frecventa (n). Lungimea de unda se exprima in metrii si submultiplii ai metrului. Frecventa se exprima in hertzi (Hz) sau 1/secunda (1/s) si supraunitati ale hertzului. Cunoasterea unuia dintre acestia determina automat obtinerea celuilalt pe baza ecuatiei:

unde c este viteza energiei electromagnetice care este o constanta egala cu 299,893 km/s.

Vibratiile electrica si magnetica asociate cuantei pot avea orice orientare perpendicular pe directia de propagare. Totusi, in cazul in care campurile tuturor cuantelor sunt aliniate pe o directie unica prin anumite mijloace, radiatia devine plan-polarizata - un concept familiar oricarui geolog care a utilizat un microscop polarizat pentru petrografie.

Frecventa sau lungimea de unda a radiatiei este functie de energia cuantei. Conform legii lui Planck:

unde h este constanta lui Planck (6,62x10^-34 s).

Ecuatia de mai sus arata ca cu cat este mai mica lungimea de unda a radiatiei sau cu cat frecventa acesteia este mai mare, cu atat este mai mare energia fiecarei cuante. Deoarece cele mai importante interactiuni radiatie-materie au loc la nivel cuantic, Legea lui Planck este importanta pentru intelegerea lor.

Fig. 1 Radiatia electromagnetica (EMR) compusa din unde in campuri magnetic si electric. Aceste campuri sunt perpendiculare intre ele si pe directia de propagare a undelor. Undele reprezinta fluctuatii regulate in campuri si sunt descrise de functii sinusoidale. Distanta ocupata de un ciclu complet de la un maxim la altul este lungimea de unda (λ), iar numarul de cicluri ce trec printr-un punct fix intr-o secunda este frecventa radiatiei (ν).

Ultima proprietate importanta a radiatiei este intensitatea sa, echivalenta cu stralucirea luminii vizibile. Aceasta poate fi privita fie ca numarul de cuante, fie ca amplitudine a campurilor magnetic si electric. Cu cat sunt mai multe cuante la o anumita lungime de unda, cu atat este mai mare energia transmisa. Energia unei singure cuante de lungime de unda mare este mai mica decat cea a unei lungimi de unda mica. In consecinta, detectorul trebuie sa fie bombardat cu mai multe cuante de lungime de unda mare pentru a produce un raspuns masurabil comparabil cu acela al unui numar mai mic de    cuante de lungime de unda mai mica. In general, de aceea, sistemele care lucreaza cu lungimi de unda mai mari au nevoie sa culeaga radiatie fie de pe o arie tinta mai mare, fie intr-un interval mai mare de timp, fata de situatia lungimilor de unda mai mici. Acest lucru este o consecinta importanta pentru rezolutia sistemelor de teledetectie si pentru abilitatea lor de a deosebi obiectele reale de zgomotul sistematic. In realitate, lucrurile sunt mult mai complicate, deoarece instrumentele utilizeaza diferite tipuri de detectori pentru diferitele lungimi de unda.

2 Generarea radiatiei electromagnetice

Radiatia electromagnetica este o forma de energie si cantitatea de radiatie pe unitatea de timp este puterea si se masoara in Juli pe secunda (J/s) sau Wati (W). Puterea incidenta pe sau emanata de un corp este cunoscuta ca flux radiant, dar este de obicei mult mai usor de exprimat ca putere pe unitatea de arie - densitatea fluxului radiant (Wm^-2). Densitatea fluxului radiant ce cade pe o suprafata este cunoscuta ca iradianta, fata de aceea care paraseste o suprafata numita emitanta (uneori denumita exitanta).

Limitarile marimii dispozitivului de masura face ca rar sa putem masura direct toate radiatiile ce parasesc o suprafata. In loc de aceasta, ceea ce se masoara este cantitatea de radiatie interceptata de un detector ce colecteaza radiatia ce traverseaza un anume unghi solid. Aceasta este fluxul radiant pe unitatea de unghi solid ce se numeste radianta. Unitatea radiantei este W/m²sr (wati pe metru patrat or steradian, in care steradianul este unitatea de unghi solid).

Uneori este util de cunoscut cantitatea de radiatie masurata doar la o anumita lungime de unda. Spre exemplu, fluxul spectral radiant este puterea receptionata sau radiata de un corp pe unitatea de arie pe unitate de lungime de unda masurat in W/m²mm. Similar, radianta spectrala se masoara in W/m²srmm.

De asemenea, este mult mai corect de luat in calcul cantitatea de radiatie ce vine de la o suprafata ca radianta sau radianta spectrala, atunci cand scriem sau vorbim informal despre termenul mult mai familiar de stralucire. Acest termen se refera fie la cantitatea de radiatie ce vine de la suprafata, fie la modul in care apare acea suprafata pe o imagine. Spre exemplu, daca o anumita portiune dintr-o imagine se spune ca este stralucitoare este clar ca noi ne referim, chiar daca nu putem cuantifica, la diferenta in termeni de unitati de radianta.

Generarea radiatiei este in esenta un proces simplu. El se produce ori de cate ori marimea sau directia campului electric sau magnetic fluctueaza in timp. Undele radio pot fi produse prin curgerea unor curenti alternativi printr-un corp conductor sau antena. Alternanta este, de fapt, accelerarea si decelerarea repetata a electronilor. La cele mai scurte lungimi de unda, radiatiile gama sunt obtinute din ruperea nucleului atomic din timpul reactiilor nucleare de fisiune sau fuziune. Razele X, radiatia ultravioleta si radiatia vizibila sunt generate de salturile electronilor de pe o orbita stabila din jurul atomului pe o alta. Atunci cand un electron se misca de pe o orbita inalta pe una mai joasa, energia pe care o pierde este convertita intr-un foton de o anumita lungime de unda. Radiatia infrarosie si microundele sunt produse de vibratia si rotatia termica indusa a moleculelor. Microundele sunt de asemenea generate de fluctuatii ale campurilor electric si magnetic.

Lungimile de unda ale radiatiei electromagnetice cuprind multe ordine de magnitudine, de la cele mai scurte de 10^-13m pentru radiatiile gama cele mai energice, pana la mai lungi de 100km pentru undele radio foarte lungi. In concluzie a fost necesara o divizare a acestui vast interval in cateva regiuni arbitrare, fiecare cu un nume al sau (tabelul 1).

Tabelul 1- Principalele diviziuni ale spectrului electomagnetic

In natura toate procesele ce genereaza radiatie sunt legate intr-un anume fel de temperatura corpului emitent. Toate materialele din Univers, chiar si acelea din vidul aproape perfect dintre galaxii, au temperatura deasupra lui zero absolut    (-273,15 C) si emit o forma de radiatie. Cat anume emite si intervalul de lungime de unda este o functie complexa de temperatura si de natura corpului insusi.

Materia capabila sa absoarba toata energia electromagnetica pe care o receptioneaza si sa emita radiatie in perfect acord cu temperatura se numeste corp negru. Energia totala emisa de un corp negru - emitanta sa H (W/m²) - este proportionala cu puterea a patra a temperaturii absolute (in grade Kelvin). Aceasta este Legea lui Stefan-Boltzmann:

unde s este constanta lui Boltzmann (5,6697x10^-8 W/m²K⁴).

La o anumita temperatura, un corp negru emite radiatie intr-un anumit interval de lungimi de unda. Totusi temperatura sa absoluta determina ce lungime de unda transmite cantitatea maxima de energie. Lungimea de unda dominanta este data de Legea lui Wien:

Deci, cu cat creste temperatura, energia totala emisa creste foarte rapid si lungimea de unda ce contine cea mai mare parte din energie este mai mica. Forma curbei ce leaga emitanta de lungimea de unda este importanta (fig. 3) si deriva din legile lui Boltzmann si Wien. Pentru orice temperatura exista o lungime de unda minima a radiatiei, o lungime de unda apropiata de emitanta maxima si o coada lunga spre lungimi de unda mai mari. Deci, un corp negru la 6000K - temperatura la suprafata Soarelui - nu emite radiatie mai scurta de 0,1mm, are o energie maxima la 0,5mm (in partea vizibila a spectrului si anume in zona verde), dar emite toate lungimile de unda pana la 100mm. Energia totala emisa este data de aria de sub curbele din fig.

Nici un obiect nu este un corp negru perfect (ideal). In cazul Soarelui - sursa celei mai mari parti din radiatia utilizata in teledetectie - sunt implicate multe procese, altele decat cele de incalzire. In consecinta, curba radiatiei solare (fig. 5) este un pic diferita de ideal. Pe langa radiatia din intervalul 0,1 - 100mm, Soarele emite raze gama rezultate din procesele termonucleare si radiatii de lungime de unda mare rezultate din fluctuatiile puternicelor lui campuri electric si magnetic.

Teledetectia se intereseaza de doua categorii de radiatii de la suprafata Pamantului - aceea ce cade pe suprafata lui si este absorbita sau reflectata si aceea care este emisa de insasi suprafata lui. Radiatia reflectata deriva in principal de la Soare si sistemele care o detecteaza se numesc pasive deoarece nu induc nici o energie artificiala. Un sistem activ implica o 'iluminare' artificiala, ca in blitz-ul fotografic. In teledetectie cel mai utilizat sistem activ este transmisia radar (radio detection and ranging) si detectarea energiei radar reflectate inapoi la senzor de catre suprafata Terrei. Experimentele au demonstrat ca alte sisteme active ce utilizeaza radiatie artificiala, de obicei sub forma de lasere ultraviolete, pot obtine date, dar pentru un numar limitat de aplicatii.

Fig. 2 Aceasta familie de curbe de pe axele logaritmice exprima modul in care energia emisa de un metru patrat de corp negru la diferite temperaturi variaza cu lungimea de unda si modul in care lungimea de unda a emitantei maxime si intervalul de lungimi de unda emise se schimba cu temperatura absoluta. Aria de sub fiecare curba reprezinta energia totala emisa la fiecare temperatura. Forma curbelor este controlata de legile lui Stefan-Boltzmann si Wien

Deoarece temperatura ambientala a Terrei este de aproximativ 300K, legea lui Wien indica o emitanta maxima la 9mm, in intervalul infrarosu mediu (MIR). Energia implicata in producerea acestei radiatii emise deriva din trei surse: curgerea caldurii radioenergetice din interiorul Pamantului, incalzirea suprafetei terestre de catre radiatia solara si activitatile umane. Radiatia infrarosie de lungime de unda mare nu este singura radiatie emisa de Pamant. Toate rocile si materialele derivate din ele contin in proportii variabile izotopi instabili ⁴⁰K, ²³²Th, ²³⁵U si ²³⁸U, ce emit raze gama cand se injumatatesc. Aceasta radiatie poate fi si ea detectata si adaugata intervalului real de lucru al tehnicilor de teledetectie.