elektromagnetisches Spektrum

Engl. electromagnetic spectrum, franz. spectre électromagnétique; die Gesamtheit strahlender Energiearten oder Wellenfrequenzen, von den längsten bis zu den kürzesten Wellenlängen als geordnetes System. Die elektromagnetische Strahlung kann als eine Art Energieausbreitung in Form einer geradlinigen Wellenstrahlung betrachtet werden. Zur Charakterisierung dient die Wellenlänge λ oder die Frequenz v. Dabei gilt:

λ = c/v (Wellenlänge = Geschwindigkeit/Frequenz)

Die Gesamtheit der bei der elektromagnetischen Strahlung vorkommenden Wellenlängen wird im elektromagnetischen Spektrum dargestellt.

Die Wellenlänge wird in Bruchteilen der Längeneinheit Meter wie Nanometer (nm) oder Mikrometer (μm) angegeben. Üblich ist aber auch die Angabe der Frequenz in Hertz oder Vielfache davon wie Megahertz (MHz), Gigahertz (GHz), Terahertz (THz) oder Petahertz (PHz). Diese Angaben werden vor allem bei Mikrowellen und langwelliger Strahlung verwendet. Daneben finden sich in der Wissenschaft auch Einheiten wie Wellenzahl (cm^-1) oder Energie (Elektronenvolt, eV). Beispielsweise sind 550 nm gleich 0,55 µm gleich 545,1 THz gleich 18.182 cm^-1 gleich 2,25 eV.

Die Grenzen der Spektralbereiche sind willkürlich definiert, die Bereiche gehen ineinander über. In der Praxis wird das an sich kontinuierliche elektromagnetische Spektrum in Bereiche und Unterbereiche eingeteilt (s. Tabelle).

Diese Unterteilung des elektromagnetischen Spektrums wird oftmals noch feiner gegliedert. So kann der Bereich des sichtbaren Lichts in Farben unterschieden werden (blau 440-485 nm, grün 500-580 nm, rot 600-780 nm), im mittleren Infrarot werden Unterbereiche des thermischen IR und des Wasserdampf-IR ausgewiesen und im Bereich der Mikrowellen sind ehemals militärische Bezeichnungen wie C-Band, S-Band oder X-Band in Gebrauch.

Bedeutung elektromagnetischer Strahlung für die Fernerkundung

• Ein Körper, d.h. ein Objekt, absorbiert und/oder reflektiert dabei in Abhängigkeit von seinem Zustand (z.B. Erwärmung eines Körpers bzw. Wuchsstadium einer Pflanze) elektromagnetische Strahlung. Ein Teil der absorbierten Strahlung wird als Wärmestrahlung (Thermalstrahlung) emittiert.
• Elektromagnetische Strahlung transportiert elektrische und magnetische Energie in Wellenform mit Lichtgeschwindigkeit. Dabei wird eine elektromagnetische Welle durch die Wellenlänge λ (in Meter) und Frequenz ν (in Hertz) beschrieben, die die physikalischen Eigenschaften der Strahlung bestimmen.
• Von besonderer Bedeutung für die Erdfernerkundung sind mehrere Spektralbereiche des elektromagnetischen Spektrums im sichtbaren Licht, im Infrarot und auch im Mikrowellenbereich. Das sichtbare Licht erstreckt sich im Wellenlängenbereich etwa zwischen 0,4 µm bis 0,7 µm, an das sich das Ultraviolett (kurzwellige Seite) und das Infrarot (längerwellige Seite) anschließen. Das Infrarot wird weiter unterteilt in das nahe Infrarot (etwa zwischen 0,7 µm bis 1,1 µm), in das kurzwellige Infrarot (etwa zwischen 1,1 µm bis 3 µm), in das mittlere Infrarot (etwa zwischen 3 µm bis 7 µm) und in das ferne Infrarot (etwa ab 7 µm), das auch Thermalstrahlung genannt wird. Dabei sind die verschiedenen Bereiche nicht scharf zu trennen, sie gehen ineinander über. Die Unterbereiche des Infrarots werden von verschiedenen Autoren zuweilen auch anders definiert. Herauszustellen ist, dass die Erdfernerkundung nur Teile dieser Spektralbereiche nutzen kann.
• In Luft- und Satellitenbildern wird die Wiedergabe der Erdoberfläche einerseits von den Eigenschaften des Sensors und andererseits von der elektromagnetischen Strahlung bestimmt, die bei der Aufnahme auf den Sensor einwirkt. Die Intensität der Strahlung und ihre spektrale Zusammensetzung sind von der Geländebeleuchtung und den Reflexionseigenschaften der Objekte abhängig.
• Sensoren beispielsweise in Satelliten nehmen Energie aus dem elektromagnetischen Spektrum auf, aber was diese Detektoren auffangen, ist nur ein kleiner Teil des gesamten elektromagnetischen Spektrums. Nach Art ihrer Entstehung und nach der Wirkung der Strahlung teilt man das gesamte Spektrum in verschiedene Bereiche ein, die ohne scharfe Grenzen ineinander übergehen und sich teilweise überlappen.
  Gewöhnlich unterteilt man sieben Gruppen: Radiowellen, Mikrowellen, Infrarotwellen, sichtbares Licht, ultraviolette Wellen, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen.

Das elektromagnetische Spektrum und die Bereiche verschiedener Sensoren Quelle: Albertz, Jörg (2007)

Atmosphärischer Einfluss

Beim Durchgang durch die Atmosphäre nimmt die Intensität der Solarstrahlung durch Streuung und Absorption in Funktion der Streupartikelgröße und der Wellenlänge ab (atmosphärische Extinktion). Dabei ist die Durchlässigkeit der Atmosphäre für die elektromagnetische Strahlung stark vom Zustand der Atmosphäre (Aerosolgehalt, Feuchtegehalt, Schichtung, Wetterlage), vom zurückgelegten Weg der Strahlung durch die Atmosphäre und von der Wellenlänge der Strahlung abhängig. Die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der in der Atmosphäre vorkommenden Gase sind für ein komplexes Zusammenspiel von Streuung und Absorption verantwortlich.

Durch Sauerstoff bzw. Ozon wird die ultraviolette Strahlung unter 0,3 µm fast vollständig absorbiert und zu einem größeren Teil in Wärmeenergie umgewandelt. Im Spektralbereich zwischen 0,4 und 0,75 µm wird die Strahlung nur zu einem geringen Teil durch Ozon, Wasserdampf, Aerosol- und Wolkenpartikel absorbiert, so dass sie zu einem großen Teil die Erdoberfläche erreichen kann. Auf diesen Spektralbereich hat sich in der Evolution das menschliche Auge als Sensor elektromagnetischer Strahlung ausgerichtet, so dass man vom (für den Menschen) sichtbaren Licht spricht.

Viele Wirbeltiere können hingegen auch im nahen Ultraviolett unterhalb von 0,4 µm Farben erkennen. Im infraroten Spektralbereich von 0,75 bis ca. 300 µm wird die Strahlung durch Wasserdampf, Kohlendioxid und Ozon stark und in geringerem Maße auch durch andere Spurengase absorbiert.

Zur Fernerkundung können nur einzelne Bereiche in "atmosphärischen Fenstern" benutzt werden (s. Grafik oben). Eine große Strahlungsdurchlässigkeit besteht dabei im sichtbaren Bereich des Spektrums, im nahen, im mittleren und im thermalen Infrarot sowie in hohem Maße im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums. Über die Atmosphärenkorrektur der Bilddaten werden die durch die Extinktion bedingten störenden Einflüsse minimiert.

Durch Interaktion der Strahlung mit der Erdoberfläche werden je Charakteristik der Erdoberfläche manche Strahlungsanteile reflektiert, andere absorbiert. Das Muster der Reflexion als Funktion der Wellenlänge wird objektspezifische Spektralsignatur genannt und ist Kenngröße für die spektrale Unterscheidbarkeit von Objektklassen.

Mikrowellen unterscheiden sich grundlegend von der elektromagnetischen Strahlung im optischen und im thermalen Spektralbereich. Die Mikrowellen werden von der Atmosphäre d.h. von Wolken, Rauch, Dunst, Schnee und Regen nicht gestört. Folglich ist ihre Anwendung in der Fernerkundung wetterunabhängig. Die Radarsysteme nutzen die Mikrowellenstrahlung bestimmter Frequenzbereiche.

So hat die Durchlässigkeit der Atmosphäre in der Fernerkundung eine doppelte Relevanz: zum einen für die Einstrahlung solarer Strahlung auf die Erdoberfläche und zum anderen (bedeutender) im Hinblick auf die Empfangsmöglichkeiten der von der Erdoberfläche reflektierten oder emittierten Strahlung an einem satellitengestützten Sensor. Daher sind auf die Fenster höchster atmosphärischer Durchlässigkeit die Sensoren derjenigen Satelliten ausgerichtet, deren Hauptaufgabe eine Aufzeichnung von Prozessen auf der Erdoberfläche ist.

Weitere Informationen:

• Tour of the Electromagnetic Spectrum (NASA)
• The Electromagnetic Spectrum (NASA)