In den meisten Fällen wird schon nach rund einer milliardstel Sekunde der Ausgangszustand wieder hergestellt, wobei die überschüssige Energie in Form eines Photons abgestrahlt wird. Durch diesen Prozess, die „Emission“, wird praktisch permanent thermische Energie in Strahlung überführt. Die Energiedifferenz des Übergangs im Atom oder Molekül von dem einen zum anderen Zustand bestimmt nach Gleichung 2.3 die Wellenlänge der Strahlung, die damit wiederum den individuellen Übergang charakterisiert.
Wenn ein Photon auf ein Teilchen trifft, überträgt es umgekehrt seine Energie auf das Teilchen, sei es nun Atom oder Molekül, und bringt es so in einen angeregten Zustand. In den meisten Fällen ist dieser Zustand auch nur von extrem kurzer Dauer. Es wird gleich wieder ein Photon abgestrahlt. Da die Energiestufe bei beiden Prozessen die gleiche ist, ist auch die Energie des wieder abgestrahlten Photons die gleiche, nur seine Richtung wird meistens eine andere sein. Im Strahlungsbild ergibt sich eine Änderung der Richtung der Strahlung, aber ohne Änderung der Wellenlänge. Dieser Prozess heißt „Streuung“.
Wenn die Streuprozesse an einer festen Oberfläche erfolgen wird nur die in den rückwärtigen Halbraum gestreute Strahlung wieder dem Strahlungsfeld zugeführt. Der mikrophysikalische Prozess ist derselbe, der Vorgang wird aber als „Reflexion“ bezeichnet. Dabei kann die reflektierte Strahlung in jede mögliche „Zurück“-Richtung gehen, die „spiegelnde“ Reflexion ist bei natürlichen Oberflächen die Ausnahme (Kap. 2.1.3).
Bei der Wechselwirkung von Strahlung mit Wolken kommen beide Begriffe zur Anwendung. Wird die Wolke als Anhäufung von Tropfen aufgefasst, handelt es sich um Streuung an Wolkentropfen, wobei allerdings jedes Photon schnell viele Streuprozesse erleben kann, da die streuenden Teilchen dicht beieinander liegen. Wird die Wolke hingegen als kompaktes Gebilde aufgefasst und nur die an der Oberfläche austretende Strahlung betrachtet, so wird auch von Reflexion an der Wolke gesprochen. Die Aussagen „von einer Wolke rückgestreute“ oder „an einer Wolke reflektierte“ Strahlung können deshalb als synonym aufgefasst werden.
Es kann passieren, dass ein Photon auf ein Teilchen trifft, das die übertragene Energie gerade gut einbauen kann. Dann wird die Energie nicht wieder abgestrahlt, sondern verbleibt in der Materie. Die Photonenenergie führt damit bei dem Teilchen zu einem höheren, aber stabilen Energieniveau. Das kann zum Beispiel bedeuten, dass durch die Energie des Photons ein Elektron auf eine andere, aber stabile Bahn gelangt, dass Schwingungszustände geändert werden, die Materie erwärmt wird oder dass die Energie des Photons für Photosynthese genutzt wird. Dieser Prozess, bei dem die Strahlungsenergie in der Materie verbleibt, heißt „Absorption“ – unabhängig davon, was mit der absorbierten Photonenenergie geschieht.
In der Praxis existieren auch Mischformen, bei denen die aufgenommene Strahlungsenergie zwar wieder abgestrahlt wird, jedoch nicht vollständig oder in zwei Stufen, jeweils mit anderen Wellenlängen als die der einfallenden Strahlung. Es kann aber auch der umgekehrte Fall eintreten, dass dem wieder emittierten Photon zusätzliche Energie mitgegeben wird, weil gerade ein angeregtes Niveau getroffen wurde. Im ersten Fall ist die Wellenlänge der abgestrahlten Strahlung größer als die der eingefallenen, im zweiten Fall kleiner. Handelt es sich um Streuung, aber nicht bei der ursprünglichen sondern bei benachbarten Wellenlängen, wird der Prozess nach dem Entdecker des Phänomens „Raman-Streuung“ genannt.
2.1.3 Strahlen und andere Strahlungsgrößen
Strahlung, gleichgültig ob sie von einer Quelle emittiert, in der Atmosphäre gestreut oder am Boden reflektiert wird, kann anschaulich als Strahl beschrieben werden. In der physikalischen Nomenklatur heißt diese Größe „Strahldichte“ (engl. Radiance) und wird üblicherweise mit dem Symbol L bezeichnet.
Sensoren auf Satelliten sind immer so ausgelegt, dass sie Strahldichten messen, die von verschiedenen Punkten am Boden bzw. in der Atmosphäre ausgehen. Aus der Größe dieser Strahldichten, gegebenenfalls bei verschiedenen Winkeln, Wellenlängen und unter Berücksichtigung des Polarisationszustands, wird auf die Eigenschaften von Boden und Atmosphäre geschlossen (invertiert), die dem Strahlungsfeld zugrunde liegen.
Eine Richtung im Raum wird durch zwei Winkel festgelegt: dem „Zenitwinkel“ θ und dem „Azimut“ φ (Abb. 2.3). Der Zenitwinkel (Zenith Angle) ist der Winkel zwischen der gegebenen Richtung und dem Zenit. Gleichwertig, und in der Praxis auch häufig angewendet, ist die Elevation (Elevation Angle) oder der Höhenwinkel h, d. h. der Winkel der betrachteten Richtung gegen den Horizont. Zenitwinkel und Elevation ergänzen sich natürlich zu 90°, sodass eine Umrechnung leicht möglich ist.
Abb. 2.3
Strahlungsfeld mit Richtungsangabe durch zwei Winkel (θ, φ).
Der Azimut ist der Winkel der anzugebenden Richtung im Horizontkreis. Für seine Zählung muss eine Richtung mit φ = 0° definiert werden, da prinzipiell alle Richtungen gleichwertig sind. Häufig wird φ = 0° für die Richtung Nord verwendet und dann φ, analog zur Kompassrose, über Ost, Süd und West bis 360° wieder bei Nord gezählt. Bei der Berechnung von Strahlungsfeldern im solaren Spektralbereich, wo die Strahlung ursprünglich von der Sonne kommt, wird üblicherweise φ = 0° für die Richtung der Sonne gesetzt. Dies vereinfacht die Berechnung des Feldes der gestreuten Strahlung mit der Sonne als Quelle, da in den meisten Fällen Symmetrie der Strahlungsprozesse rechts und links von der Einfallsrichtung angenommen werden kann. Dass sich die Richtung dieses sonnenbezogenen Azimuts gegenüber einer festen vorgegebenen Richtung auf der Erde durch den Gang der Sonne im Laufe eines Tages ändert, muss entsprechend berücksichtigt werden.
Bei Strahlung im terrestrischen und im Mikrowellen-Bereich sind im Normalfall Atmosphäre und Boden die Strahlungsquellen. Damit kommt hier Strahlung aus allen Richtungen, und es gibt keine azimutale Vorzugsrichtung. Dementsprechend genügt für die Beschreibung des Strahlungsfelds in diesen Spektralbereichen die Berücksichtigung des Zenitwinkels.
Von jedem Ort geht Strahlungsenergie in alle Richtungen, sei es durch Emission oder durch Streuung (Abb. 2.3). Von dieser bei allen Wellenlängen abgestrahlten Energie wird am Satelliten nur ein Teil gemessen, eben der, der auf das Radiometer trifft und in dem Wellenlängenbereich, für den der Sensor empfindlich ist. Diese Strahlung wird durch eine spektrale Strahldichte Lλ beschrieben, die die Einheit [J s–1 m–2 sr–1 μm–1] oder [W m–2 sr–1 μm–1] hat. Diese ergibt sich durch die Berücksichtigung der Bestrahlungszeit dt [s], der bestrahlten Fläche dA [m2], dem Raumwinkel, aus dem die Strahlung kommt dΩ[sr], und dem Wellenlängenintervall dλ [μm] zu:
Der „Raumwinkel“ Ω ist definiert als die Größe der Fläche eines Öffnungskegels auf der Oberfläche einer Kugel, dividiert durch das Quadrat des Kugelradius (Abb. 2.4). Damit ist er eigentlich eine dimensionslose Größe, wird aber doch zur Verdeutlichung mit einer Einheit angegeben, dem Steradiant [sr]. Anschaulich entspricht der Raumwinkel der Öffnung einer Schultüte, durch die beim Blick von der spitzen Seite aus der Bereich festgelegt wird, aus dem Strahlung empfangen wird (Abb. 2.5).
Abb. 2.4
Zur Definition des Raumwinkels.
Abb. 2.5
Zur Veranschaulichung des Raumwinkels, aus dem Strahlung empfangen wird.
Für eine Kugel mit Radius r = 1 wird der Raumwinkel direkt durch die ausgeschnittene Teilfläche auf der Kugeloberfläche gegeben. In einem Koordinatensystem mit θ und φ ergibt sich der Raumwinkel als Produkt des anteiligen Zenitwinkels dθ und des anteiligen Azimutwinkels dφ. Da Linien mit gleicher Azimutdifferenz im Zenit zusammenlaufen, wird die durch den Azimut bestimmte Seite des Flächenelements durch sinθ • dφ bestimmt (Abb. 2.4). Damit berechnet sich der