Supplement 2.17: De microgolfradiometer (1/2)
Werkingsprincipe
Een microgolfradiometer (MWR) is een passieve sensor die uitgezonden of door een voorwerp teruggekaatste straling detecteert in het microgolfbereik bij frequenties van ongeveer 1 tot 100 GHz. Dit komt overeen met golflengtes tussen ongeveer 0,5 cm en 0,5 m, zie hoofdstuk 1 van de tutorial Inzicht in de spectra van de aarde. Microgolfradiometers worden over het algemeen ontworpen als scanninginstrumenten die toelaten beelden van de grond te nemen; dit is de MWR-scanner.
Lucht-MWR-scanners worden aan de onderkant van het vliegtuig gemonteerd. De parabolische scanantenne, beschermd door een koepelvormig deksel (hier niet getoond), heeft een vrij gezichtsveld in nadir-richting. Een door een motor aangedreven scanmechanisme geeft een sinusoïdale scanlijn op de grond. De door de antenne opgevangen straling wordt via de hoorn in de ontvanger gevoed, waar deze versterkt en gefilterd wordt om de gewenste frequentieband uit het totale signaal te extraheren.
Zoals gezegd in het gedeelte over radar, is de atmosfeer van de aarde tamelijk goed doorzichtig in het microgolf spectraalbereik. Kijkend naar het zeeoppervlak detecteert een MWR de natuurlijke thermische emissie (of: Planck-straling) van zeewater of stoffen op het wateroppervlak en ook wat microgolfstraling in het zonlichtspectrum die bij daglicht naar het zeeoppervlak wordt teruggekaatst.
Het fysische principe is erg gelijkaardig aan het detecteren van thermische infrarood straling met de IR-scanner die helderheidstemperaturen meet in het infrarood spectraalbereik. De MWR-scanner meet de helderheidstemperatuur in het microgolfbereik bij golflengtes die een factor 100 tot 1000 langer zijn. Daardoor vereisen de zeer uiteenlopende spectraalbereiken specifieke technologieën voor signaaldetectie en -verwerking (wat deze module te buiten gaat).
Bij IR- en MWR-scanners spelen milieuparameters ook een andere rol. Een IR-scanner bijvoorbeeld "ziet" het zeeoppervlak niet als er wolken zijn, aangezien infrarood straling door de waterdruppels van wolken geabsorbeerd wordt. De thermische emissie van zeewater, gemeten met een MWR-scanner hangt af van temperatuur en zoutgehalte, terwijl het signaal van de IR-scanner afhangt van temperatuur maar niet gevoelig is voor het zoutgehalte van het zeewater.
Bij microgolffrequenties is zeewater een niet-ideale zwartlichaamstraler. De stralingsemissie ervan is minder dan men zou verwachten uit de Stralingswet van Planck. Daarom wordt zeewater aanzien als een grijslichaamstraler. Bekijken we zeewater bij kamertemperatuur (20°C of 293 Kelvin) en nemen we de emissiesterkte om de temperatuur ervan m.b.v. de wet van Planck te berekenen, dan zou men uitkomen op een schijnbare temperatuur van ongeveer 90 Kelvin of −183°C! Deze wordt de stralingstemperatuur van zeewater genoemd, veel lager dan de temperatuur gemeten met een thermometer en een gevolg van het lage emissievermogen van zeewater.
Oliën zijn nog minder ideale zwartlichaamstralers: ze zijn praktisch transparant bij microgolffrequenties! Daarom is de thermische emissie van olie op het zeeoppervlak te verwaarlozen. Straling uitgezonden door het zeewater op diepte wordt doorheen de olie gezonden maar wordt ook gedeeltelijk weerkaatst bij het grensvlak olie-atmosfeer. Deze veroorzaakt dan een effect dat we kennen van dunne oliefilms van ongeveer 1 μm dikte op water in zonlicht: Gekleurde interferentieranden zijn te zien door constructieve en destructieve superpositie van lichtgolven!
Bron: Wikimedia Commons.
Dunne films met een dikte in het μm-bereik veroorzaken interferentieranden bij zonlicht met golflengtes van ongeveer 0,5 μm. Dezelfde effecten kan men verwachten bij veel dikkere lagen olie het millimeter- tot centimeterbereik en bij microgolfstraling met golflengtes van dezelfde orde van grootte. Dit opent een weg om olie op het wateroppervlak te detecteren!
