ปฏิสัมพันธ์ของพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในชั้นบรรยากาศ

ปฏิสัมพันธ์ของพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในชั้นบรรยากาศ

ปฏิสัมพันธ์ของพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในชั้นบรรยากาศ

(Interaction of Electromagnetic Radiation in the Atmosphere)

ดวงอาทิตย์ถือเป็นแหล่งพลังงานหลักของระบบโลก โดยแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าลงมายังพื้นผิวโลก พลังงานเหล่านี้ต้องผ่านชั้นบรรยากาศ ซึ่งมีองค์ประกอบที่หลากหลาย เช่น ไอน้ำ ฝุ่นละออง และก๊าซต่าง ๆ ซึ่งทำให้เกิดกระบวนการปฏิสัมพันธ์กับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใน 3 รูปแบบหลัก ได้แก่ การดูดกลืน (Absorption) การหักเห (Refraction) และ การกระจัดกระจาย (Scattering)

การดูดกลืน (Absorption)

กระบวนการดูดกลืนทำให้พลังงานสูญเสียไปในบางช่วงคลื่น ก๊าซและอนุภาคบางชนิดในบรรยากาศมีความสามารถในการดูดกลืนพลังงานจำเพาะเจาะจงตามลักษณะของช่วงคลื่น ดังนี้:

• ออกซิเจนและโอโซนดูดกลืนพลังงานคลื่นสั้น โดยเฉพาะในช่วง อัลตราไวโอเลต (UV) ช่วงคลื่นต่ำกว่า 0.3 ไมโครเมตร จะถูกดูดกลืนเกือบหมดในชั้นบรรยากาศตอนบนที่ระดับความสูง 23–30 กิโลเมตร
• ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) แสดงการดูดกลืนอย่างมีประสิทธิภาพในช่วงคลื่นประมาณ 15 ไมโครเมตร ซึ่งสัมพันธ์กับการแผ่พลังงานจากโลก
• ไอน้ำมีการดูดกลืนครอบคลุมเกือบทุกช่วงคลื่น โดยเฉพาะในช่วง 6 ไมโครเมตร และมีบทบาทสำคัญในชั้นโทรโปสเฟียร์ ซึ่งเป็นชั้นบรรยากาศล่างไม่เกิน 10 กิโลเมตร

หน้าต่างบรรยากาศ (Atmospheric Windows)

แม้จะมีการดูดกลืนจำนวนมาก แต่ยังคงมีบางช่วงคลื่นที่สามารถทะลุผ่านชั้นบรรยากาศลงมายังผิวโลกได้ เรียกว่า “หน้าต่างบรรยากาศ” ซึ่งพบได้ในช่วงคลื่นหลัก ได้แก่:

• แสงที่มองเห็น (Visible light) ระหว่าง 0.3–0.7 ไมโครเมตร
• อินฟราเรดสะท้อนและอินฟราเรดความร้อน ยกเว้นบริเวณ 9.6 ไมโครเมตร ที่ถูกดูดกลืนโดยโอโซน

หน้าต่างบรรยากาศมีความสำคัญต่อการออกแบบ เซนเซอร์รับสัญญาณของดาวเทียม และเป็นเกณฑ์กำหนดช่วงคลื่นที่สามารถใช้งานในระบบรีโมทเซนซิงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

---

การจำแนกช่วงคลื่นตามการใช้งานทางรีโมทเซนซิง

ช่วงคลื่น	ขอบเขตความยาวคลื่น	การใช้งานหลัก
คลื่นแสงที่มองเห็น (Visible)	0.38–0.72 ไมโครเมตร	การถ่ายภาพด้วยกล้องทั่วไป, ตรวจสอบพืช, การวิเคราะห์การใช้ที่ดิน
คลื่นอินฟราเรดสะท้อน (Reflective Infrared)	0.72–3.0 ไมโครเมตร	การจำแนกประเภทพืช, การประเมินความชื้นในพืช
คลื่นอินฟราเรดความร้อน (Thermal Infrared)	7.0–15.0 ไมโครเมตร	การตรวจจับความร้อน, วิเคราะห์การใช้พลังงานจากพื้นผิวโลก, การติดตามไฟป่า
คลื่นไมโครเวฟ (Microwave)	1 มิลลิเมตร – 1 เมตร	การสำรวจฝน, ความชื้นในดิน, น้ำแข็งทะเล, ระบบเรดาร์และพาสซีฟไมโครเวฟ (เช่น SAR)

---

ในทางปฏิบัติ การเลือกใช้ช่วงคลื่นต้องสอดคล้องกับเป้าหมายของการสำรวจและคุณสมบัติการทะลุผ่านของชั้นบรรยากาศ ทั้งนี้ ปัจจัยที่ควรพิจารณาประกอบ ได้แก่ ประสิทธิภาพของเซนเซอร์ การรบกวนจากเมฆฝน และระดับพลังงานสะท้อนกลับจากพื้นผิวเป้าหมาย

การหักเหของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Refraction of Electromagnetic Waves)

การหักเห (Refraction) คือปรากฏการณ์ที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเปลี่ยนทิศทางเมื่อเคลื่อนผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่งที่มีความหนาแน่นแตกต่างกัน เช่น จากอากาศเข้าสู่น้ำ หรือจากชั้นบรรยากาศชั้นหนึ่งไปยังอีกชั้นหนึ่ง ซึ่งมีดัชนีการหักเห (Refractive Index) ต่างกัน

ดัชนีการหักเห nnn คืออัตราส่วนระหว่างความเร็วของแสงในสูญญากาศกับความเร็วของแสงในตัวกลางใด ๆ และสามารถแสดงความสัมพันธ์ของมุมการหักเหโดยใช้กฎของสเนลล์ (Snell’s Law) ดังนี้: n1sin⁡θ1=n2sin⁡θ2n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2n1​sinθ1​=n2​sinθ2​

โดยที่
n1,n2n_1, n_2n1​,n2​ คือ ดัชนีการหักเหของตัวกลางที่ 1 และ 2 ตามลำดับ
θ1\theta_1θ1​ คือ มุมของคลื่นที่ตกกระทบ
θ2\theta_2θ2​ คือ มุมของคลื่นที่หักเห

การหักเหมีผลโดยตรงต่อ ตำแหน่งเชิงภาพ (image displacement) ซึ่งปรากฏในข้อมูลรีโมทเซนซิง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่คลื่นผ่านชั้นบรรยากาศที่มีความหนาแน่นไม่สม่ำเสมอ เช่น การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ความชื้น หรือความดันบรรยากาศในแต่ละช่วงเวลา ซึ่งอาจทำให้ข้อมูลภาพเกิดความคลาดเคลื่อน

แม้การหักเหจะเป็นกระบวนการทางกายภาพที่ไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ แต่สามารถชดเชยผลกระทบที่เกิดขึ้นได้ผ่านการประมวลผลภาพ เช่น การทำ Atmospheric Correction หรือ Geometric Correction ซึ่งช่วยให้ภาพที่ได้มีความแม่นยำสูงขึ้นทั้งในเชิงตำแหน่งและค่าพิกัดเชิงรังสี

การกระจัดกระจายของพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

(Scattering of Electromagnetic Radiation)

การกระจัดกระจาย (Scattering) หมายถึง ปรากฏการณ์ที่พลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านชั้นบรรยากาศแล้วกระทบกับอนุภาคขนาดเล็ก เช่น ก๊าซ ไอน้ำ หรือฝุ่นละออง ทำให้คลื่นเหล่านั้นเกิดการเบี่ยงเบนหรือกระจายออกไปในทิศทางต่าง ๆ ไม่ได้สะท้อนกลับในแนวเดียวกับทิศทางเดิม ผลกระทบของการกระจัดกระจายนี้ส่งผลต่อ ความคมชัดและความถูกต้องของข้อมูลจากระบบรีโมทเซนซิง โดยเฉพาะในแถบสเปกตรัมที่ถูกกระทบมาก

ลักษณะของการกระจัดกระจายสามารถแบ่งออกเป็น 3 รูปแบบหลัก ซึ่งพิจารณาจาก ความสัมพันธ์ระหว่างขนาดของอนุภาคในบรรยากาศกับความยาวคลื่นของพลังงานที่กระทบ ดังนี้:

1. การกระจัดกระจายแบบเรย์เลย์ (Rayleigh Scattering)

เกิดขึ้นเมื่อขนาดของอนุภาคที่ทำให้เกิดการกระจัดกระจายมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกกระทบ เช่น อนุภาคของก๊าซในชั้นบรรยากาศ โดยจะกระจัดกระจายในช่วงคลื่นสั้นได้มากกว่าช่วงคลื่นยาว เช่น แสงสีน้ำเงินและสีม่วงจะกระจายได้ดีกว่าสีแดง ทำให้ท้องฟ้าดูเป็นสีฟ้าในเวลากลางวัน ทั้งนี้การกระจัดกระจายชนิดนี้ส่งผลต่อความคมชัดของข้อมูลในช่วงคลื่นสั้น โดยเฉพาะในกรณีของการบันทึกข้อมูลแบบพาสซีฟในสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้

2. การกระจัดกระจายแบบมี (Mie Scattering)

เกิดขึ้นเมื่อขนาดของอนุภาคในบรรยากาศ เช่น ไอน้ำ หรือฝุ่นละออง มีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่นที่กระทบ เช่น แสงในช่วงคลื่นยาว (เช่น สีแดง หรืออินฟราเรดสะท้อน) มักเกิดในสภาวะที่มีหมอก ควัน หรือเมฆบาง โดยคลื่นจะกระจัดกระจายไปทุกทิศทาง ทำให้ภาพที่ได้มีความมัวหรือพร่ามัว และลดประสิทธิภาพในการตีความภาพจากดาวเทียมหรืออากาศยาน

3. การกระจัดกระจายแบบไม่เลือกช่วงคลื่น (Nonselective Scattering)

เกิดขึ้นเมื่อขนาดของอนุภาค เช่น หยดน้ำหรืออนุภาคฝุ่น มีขนาดใหญ่กว่าความยาวคลื่นที่ตกกระทบมาก เช่น เม็ดฝน เมฆ หรือหมอกหนา ซึ่งจะกระจัดกระจายพลังงานทุกช่วงคลื่นเท่า ๆ กัน โดยเฉพาะช่วงคลื่นที่ตามนุษย์มองเห็น (Visible) และอินฟราเรดสะท้อน (Reflected Infrared) ส่งผลให้เมฆปรากฏเป็นสีขาวในภาพถ่ายจากดาวเทียมหรือภาพถ่ายทางอากาศ และอาจบดบังรายละเอียดเชิงพื้นที่ของพื้นผิวโลกด้านล่างอย่างมีนัยสำคัญ