ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับงานรีโมทเซนซิง
ปรับเนื้อหา แทนที่ ให้เหมาะสม เขียนในแบบวิชาการ ใช้อักษรหนา หรือ เอียง หรือขีดเส้นใต้ หรือตัวใหญ่ขึ้น และให้ลด bullet ลงครับ:
ภาพด้านบน แสดงสมการพื้นฐานของการเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นหลักการสำคัญที่ใช้ในการอธิบายการส่งผ่านพลังงานจากแหล่งกำเนิด เช่น ดวงอาทิตย์ ไปยังวัตถุเป้าหมายบนโลก และใช้เป็นพื้นฐานในการออกแบบและใช้งานระบบ รีโมทเซนซิง (Remote Sensing) เพื่อสำรวจและวิเคราะห์ข้อมูลจากระยะไกลอย่างเป็นระบบทางวิทยาศาสตร์
สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และบทบาทในการสำรวจจากระยะไกล
จากแผนภาพที่แสดง สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Spectrum) สามารถสังเกตได้ว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความหลากหลายทั้งในด้าน ความยาวคลื่น (λ) และ ความถี่ (f) โดยมีความสัมพันธ์กันแบบผกผัน กล่าวคือ: λ∝1fหรือλf=c\lambda \propto \frac{1}{f} \quad \text{หรือ} \quad \lambda f = cλ∝f1หรือλf=c
โดยที่ ccc คือ ความเร็วแสงในสุญญากาศ ประมาณ 3×108 m/s3 \times 10^8 \, \text{m/s}3×108m/s
ช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้งานในงานรีโมทเซนซิงมีตั้งแต่ ช่วงที่ตามนุษย์สามารถมองเห็นได้ (0.4 – 0.7 µm) ซึ่งนิยมใช้ในการถ่ายภาพทางอากาศ, ไปจนถึง ช่วงอินฟราเรด (โดยเฉพาะ Near-Infrared และ Thermal Infrared) และ ช่วงไมโครเวฟ (Microwave) ที่เหมาะสำหรับการเก็บข้อมูลภายใต้สภาพอากาศที่แปรปรวน เช่น เมฆหรือฝน
ช่วงที่ตามองเห็นได้ (Visible Spectrum: 400–700 นาโนเมตร) เป็นบริเวณที่มีการสะท้อนพลังงานจากดวงอาทิตย์มากที่สุด โดยคลื่นในช่วงนี้สามารถนำมาใช้แยกแยะวัตถุต่าง ๆ เช่น น้ำ พืช และดิน ได้จากค่าการตอบสนองต่อแสงในย่าน สีน้ำเงิน, สีเขียว, และ สีแดง
สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและการประยุกต์ใช้ในงานรีโมทเซนซิง (Electromagnetic Spectrum and Its Relevance in Remote Sensing)
จากภาพประกอบ แสดงให้เห็นว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Waves) มีความยาวคลื่นและความถี่ที่หลากหลาย ครอบคลุมตั้งแต่ช่วงที่สั้นที่สุดอย่างรังสีแกมมา (Gamma Rays) ไปจนถึงช่วงที่ยาวที่สุดคือคลื่นวิทยุ (Radio Waves) โดยทั่วไป ความยาวคลื่น (Wavelength: λ) และ ความถี่ของคลื่น (Frequency: f) มีความสัมพันธ์แบบผกผัน กล่าวคือ: λ∝1f\lambda \propto \frac{1}{f}λ∝f1
นั่นคือ เมื่อความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น ความถี่จะลดลง และในทางกลับกัน หากความยาวคลื่นลดลง ความถี่จะสูงขึ้น ซึ่งสามารถอธิบายผ่านสมการพื้นฐาน: λf=c\lambda f = cλf=c
โดยที่ ccc คือความเร็วของแสงในสุญญากาศ (≈ 3 × 10⁸ เมตร/วินาที)
ในบริบทของ การสำรวจระยะไกล (Remote Sensing) ช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีการนำมาใช้งานอย่างแพร่หลาย ได้แก่
- ช่วงคลื่นที่ตามนุษย์มองเห็น (Visible Range: 0.4 – 0.7 ไมโครเมตร) ซึ่งเป็นช่วงที่เซ็นเซอร์หลายชนิดใช้ในการเก็บข้อมูลภาพถ่ายทางอากาศและภาพดาวเทียม
- ช่วงอินฟราเรด (Infrared: 0.7 – 14 ไมโครเมตร) โดยเฉพาะ Near-Infrared (NIR) ที่เหมาะกับการวิเคราะห์พืชพรรณ และ Thermal Infrared (TIR) สำหรับศึกษาความร้อนและพลังงานจากพื้นผิวโลก
- ช่วงไมโครเวฟ (Microwave: 1 มม. – 1 ม.) ที่เหมาะกับการสำรวจในทุกสภาพอากาศ โดยเฉพาะเรดาร์เชิงรุก (Active Radar Systems) เช่น RADARSAT SAR
ทั้งนี้ หน่วยที่ใช้วัดความยาวคลื่นในงานรีโมทเซนซิงมักใช้เป็น ไมโครเมตร (µm) หรือ นาโนเมตร (nm) สำหรับช่วงคลื่นสั้น และ เซนติเมตร (cm) สำหรับช่วงคลื่นยาว เช่น ในระบบเรดาร์
ภาพด้านขวาเน้นให้เห็นถึง ช่วงคลื่นที่ตามนุษย์สามารถมองเห็นได้ (Visible Spectrum) ตั้งแต่ประมาณ 0.4 ถึง 0.7 × 10⁻⁶ เมตร หรือ 400–700 นาโนเมตร ซึ่งเป็นช่วงสำคัญที่ใช้ในการจำแนกวัตถุจากภาพถ่าย เช่น พืช น้ำ และดิน ผ่านการตอบสนองต่อแสงสีน้ำเงิน เขียว และแดง
ภาพรวมของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าแสดงถึงศักยภาพในการนำแต่ละช่วงคลื่นมาใช้ประโยชน์ในงานสำรวจและวิเคราะห์ทรัพยากรธรรมชาติอย่างมีประสิทธิภาพ ทั้งในแง่ของความละเอียดเชิงพื้นที่ ความลึกของการเจาะทะลุวัตถุ และความสามารถในการทำงานในสภาพอากาศที่แตกต่างกัน
ตาราง แสดงประเภทของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ที่มา: ศุทธินี ดนตรี, ความรู้พื้นฐานด้านการสำรวจจากระยะไกล (Remote Sensing), 2544, หน้า 3-7 ถึง 3-8
| ประเภทคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า | ความยาวช่วงคลื่น | ความถี่ | คุณสมบัติ |
| 1. รังสีแกมมา (gamma ray) | < 0.03 nm. | > 3,000 THz | ถูกดูดกลืนทั้งหมดโดยชั้นบรรยากาศชั้นบน จึงไม่ได้นำมาใช้ประโยชน์ในการสำรวจจากระยะไกล |
| 2. รังสีเอกซ์ (x-ray) | 0.03-3.0 nm. | > 3,000 THz | ถูกดูดกลืนทั้งหมดโดยชั้นบรรยากาศชั้นบนเช่นกัน จึงไม่ได้นำมาใช้ประโยชน์ในการสำรวจจากระยะไกล |
| 3. รังสีอัลตราไวโอเลต (ultraviolet) | 0.03-0.4 mm | 750-3,000 THz | ช่วงคลื่นสั้นกว่า 0.3 mm ถูกดูดซึมทั้งหมดโดยโอโซน (O3) ในบรรยากาศชั้นบน |
| 4. คลื่นอัลตราไวโอเลตที่ใช้ในการถ่ายภาพ (photographic ultraviolet band) | 0.03-0.4 mm | 750-3,000 THz | ช่วงคลื่นนี้สามารถผ่านชั้นบรรยากาศได้ สามารถถ่ายภาพด้วยฟิล์มถ่ายรูป แต่มีการกระจายในชั้นบรรยากาศเป็นอุปสรรค |
| 5. คลื่นตามองเห็น (visible) | 0.4-0.7 mm | 430-750 THz | เป็นช่วงคลื่นที่บันทึกด้วยฟิล์มถ่ายภาพและอุปกรณ์บันทึกภาพได้ดี โดยเป็นช่วงคลื่นที่ดวงอาทิตย์มีการสะท้อนพลังงานสูงสุด (reflected energy peak ที่ 0.5 mm) ช่วงคลื่นนี้แบ่งออกได้เป็น 3 กลุ่มที่ตอบสนองต่อสายตามนุษย์ คือ |
| ประเภทคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า | ความยาวช่วงคลื่น | ความถี่ | คุณสมบัติ |
| 0.4-0.5 mm. ช่วงคลื่นสีน้ำเงิน 0.5-0.6 mm. ช่วงคลื่นสีเขียว 0.6-0.7 mm. ช่วงคลื่นสีแดง ซึ่งเป็นแม่สีแสงที่ก่อให้เกิดสีต่างๆ ที่เรามองเห็นในธรรมชาติ | |||
| 6. คลื่นอินฟราเรด (infrared) แบ่งออกเป็นช่วงคลื่นย่อย ดังนี้ | ช่วงคลื่นระหว่าง 0.7-0.9 mm สามารถถ่ายภาพด้วยฟิล์มพิเศษ เรียกว่า photographic infrared film และเป็นช่วงที่โลกสะท้อนพลังงานสูงสุดที่ 9.7 mm | ||
| 6.1 อินฟราเรดใกล้ (near infrared) | 0.7-1.3 mm | 230-430 THz | มีประโยชน์ต่อการศึกษาด้านพืชพรรณ การแยกแยะดินกับน้ำ |
| 6.2 อินฟราเรดคลื่นสั้น (short wave infrared) | 1.3-3.0 mm | 100-230 THz | มีประโยชน์ต่อการศึกษาด้านการใช้ที่ดินแร่ธาตุ |
| 6.3 อินฟราเรดคลื่นกลาง (middle wave infrared) | 3.0-8.0 mm | 38-100 THz | มีประโยชน์ด้านการแยกแยะแร่ธาตุวัตถุสะท้อนแสงสูง |
| 6.4 อินฟราเรดความร้อน (thermal infrared) | 8.0-14.0 mm | 22-38 THz | ใช้ศึกษาโรคพืชเนื่องจากความร้อน ความแตกต่างของความร้อนในพื้นที่ศึกษา ความแตกต่างของความชื้นของดิน |
| 6.5 อินฟราเรดไกล (far infrared) | 14.0 mm – 1 mm. | 0.3-22 THz | ไม่ปรากฏการประยุกต์ใช้เพราะคลื่นนี้จะถูกชั้นบรรยากาศดูดกลืนจนเกือบทั้งหมด |
| 7. คลื่นไมโครเวฟ (microwave) แบ่งตามขนาดความยาวคลื่นได้ 3 กลุ่มย่อย | 0.1-30.0 cm. | เป็นช่วงคลื่นยาวที่สามารถทะลุผ่านหมอก เมฆ และฝนได้ สามารถบันทึกข้อมูลได้ทั้งระบบพาสซีฟและแอคทีฟ | |
| 7.1 ช่วงคลื่นขนาดมิลลิเมตร | 1.0-10.0 mm. | 30-300 GHz | |
| 7.2 ช่วงคลื่นขนาดเซนติเมตร | 1.0-10.0 mm. | 3-30 GHz | |
| 7.3 ช่วงคลื่นขนาดเดซิเมตร | 0.1-1.0 dm. | 0.3-3 GHz | |
| 8. คลื่นเรดาร์ (radar) มีแบ่งย่อยเป็นช่วงคลื่นที่สำคัญ ดังนี้ | 0.1-30.0 cm. | 30-300 MHz | เป็นระบบแอคทีฟ ที่สามารถทะลุผ่านหมอก เมฆ และฝนได้ |
| 8.1 Ka band | 10 mm. | ||
| 8.2 X band | 30 mm. | ||
| 8.3 L band | 25 cm. | ||
| 9. คลื่นวิทยุ (radio) | 1 m. – 100 km. | 3 KHz–300 MHz | เป็นช่วงคลื่นที่ยาวที่สุด บางครั้งมีเรดาร์อยู่ในช่วงนี้ด้วย |
ตารางที่แสดงด้านบนคือ สรุปการใช้งานช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในงานรีโมทเซนซิง โดยจำแนกตามช่วงความยาวคลื่น และระบุถึงลักษณะการประยุกต์ใช้ในทางวิชาการ ซึ่งสามารถใช้เป็นเอกสารอ้างอิงในทางวิชาการ