복사에너지 대기효과 (Energy interactions in the atmosphere): 산란

태양에서 오는 복사에너지는 지표면에 도착하기 전에 대기 구간을 지나칠 수 밖에 없는데,

대기권의 입자로 인해 여러 효과가 발생하며 이는 이미지 해석에 왜곡을 불러일으킨다. 

 

복사는 두가지 종류가 있다.

radiance: 지구 지표면에서부터 센서로 이동하는 복사에너지

Irradiance: 대개 태양으로부터 내리쬐는 복사에너지 

 

대기효과는 산란(Scattering)과 흡수(Absorption)으로 나뉜다.

* 전파(Transmission)는 흡수와 연계해서 설명

 

산란 (Scattering)

산란은 대기 내 입자로 인해 복사에너지가 예측할 수 없는 방향으로 방사되는 것을 의미하며,

복사파장, 대기권 내 입자 또는 가스의 양과 구성성분, 복사에너지 이동거리 등에 따라 다르며,

주로 입자에 크기에 따라 레일리 (Rayleigh), 미 (Mie), 비선택 (Non-selective) 산란으로 나뉜다.

산란으로 인해 우리가 일상생활에서 볼 수 있는 자연현상이 설명된다. (분류별 설명 참고)

 

레일리 산란 (Rayleigh scattering)

- 입자의 크기가 복사에너지 파장보다 작을 경우 발생

- 가장 일반적으로 발생하는 산란현상

- 산란의 효과는 파장의 길이의 네제곱과 반비례한다.

  그렇기 때문에 산란효과가 짧은 길이의 파장이 긴 길이의 파장보다 크게 발생한다.

- 이를 자연현상과 연결지어 설명해보자면, 낮에 하늘이 파랗게 보이는 현상을 설명할 수 있다.

  짧은 파랑색 파장이 긴 붉은 파장보다 대기권에서 더 산란되어 사방팔방으로 퍼지게 되기 때문이다.

  해질녘에는 반대로 태양에서 오는 복사에너지가 대기권을 통과하는 거리가 길어지면서, 

  파랑색 파장은 완전히 산란되어 사라지는 반면 붉은색 파장은 일부만 산란되어 반대로 하늘이 붉게 보이게 된다.

- 레일리 산란은 이미지가 희뿌옇게 보이는 (haze) 현상의 주요 원인이지만, 이는 짧은 파장을 조절하는 필터를 이용하여

  왜곡을 완화시킬 수 있다.

 

미 산란 (Mie scattering)

- 입자의 크기가 복사에너지 파장과 같거나 비슷할 경우 발생한다.

  * 입자 종류: 에어로졸 (Aerosols), 수증기 (Water vapors), 먼지(dust)

- 입자 종류를 생각해보면 미 산란은 주로 흐린 날씨에 일어나는 것을 알 수 있다.

- 레일리 산란에 비해 긴 복사 파장에 영향을 주고, 파장으로 인한 효과 변화는 레일리 산란에 비해 작다.

  또한, 레일리 산란은 산란의 전방향으로 퍼지는 반면, 미 산란은 전방산란에 치중되어있다.

- 미 산란이 이미지가 희뿌옇게 보이는 데 주로 영향을 끼친다.

 

비선택 산란 (Non-selective scattering)

- 입자의 크기가 복사에너지 파장보다 클 경우 발생한다.

   * 물방울, 큰 먼지입자

- 비선택 산란은 어떤 파장이든지 가리지 않고 동일하게 산란시켜 비선택 산란이라는 이름이 붙었으며, 

  이러한 특징이 안개나 구름이 하얗게 보이는 원인이 된다.

   (모든 가시광선 파장을 동일하게 산란시켜 합성된 빛이 하얗게 보임)

- 이로 인해 발생하는 cloud cover는 반사되어 오는 복사에너지의 특징을 왜곡시키기 때문에 전처리 과정에서 보정한다.