‮نور مرئی، طیف الکترومغناطیسی و ماهواره‌ها ‭

این هفته تصویربرداری چندطیفی را به شما معرفی می‌کنیم. خواهیم دید که چطور ماهواره‌ها با استفاده از نوری که به چشم انسان نامرئي است، اجسام را می‌بینند، چطور می‌توانیم این داده‌ها را به شکل رنگی به تصویر بکشیم تا بتوانیم آنها را ببینیم و چرا این قابلیت برای باستان‌شناسی مهم است. با چند منبع مختلف از تصاویر ماهواره‌ای کار خواهید کرد و این داده‌ها را در QGIS به تصویر خواهید کشید.

_{یک تصویر ماهواره‌ای چندطیفی از گسترش شهرنشینی در دوبی. سنتینل-۲ (۱۲/۸ای/۴) عکس متعلق است به ESA.}

اما قبل از هر کاری، اجازه دهید تا به معرفی نور مرئی بپردازیم و توضیح دهیم که انسان‌ها چطور رنگ‌ها را می‌بینند.

نور مرئی

انسان‌ها می‌توانند طیف گسترده‌ای از رنگ‌ها را ببینند (یک رنگین کمان را در نظر بگیرید!)، از قرمز تا نارنجی، زرد، سبز، تا آبی و بنفش. این ترتیب دلبخواهی نیست – به ویژگی‌های فیزیکی نور بستگی دارد. نور به شکل یک موج منتقل می‌شود، و فاصله بین اوج‌ها و فرودهای موج مشخص می‌کند که ما چطور رنگ‌ها را می‌بینیم. فاصله‌ای که داریم درباره آن صحبت می‌کنیم، بسیار کم است! نور قرمز طول موجی معادل ۶۶۰ نانومتر (۶۶۰ میلیاردیوم یک متر) دارد. طول موج نور سبز ۵۵۰ نانومتر است و بنفش ۴۰۰ نانومتر.

_{رنگ سفید از نور همه رنگ‌ها درست می‌شود – رنگ نور با طول موجش تشخیص داده می‌شود. عکس متعلق به عموم است.}

این که چطور نور را می‌بینیم شبیه کارکرد دوربین‌های دیجیتال است. ما سلول‌های مخروطی (cone cells) ویژه‌ای داریم که در پشت چشممان هستند و به نور حساسند. سه نوع سلول مخروطی داریم که هر کدام به طول موج‌های متفاوت حساس هستند – طول موج‌های کوتاه‌تر (بنفش و آبی)، طول موج‌های متوسط (سبز و زرد) و طول موج‌های بلندتر (نارنجی و قرمز). مغز ما سیگنال‌هایی را که این سلول‌های متفاوت می‌فرستند، پردازش می‌کند و آنها را به یک تصویر رنگی تبدیل می‌کند که قادر به دیدن آن هستیم.

ما همچنین سلول‌های میله‌ای (rod cells) داریم که رنگ را تشخیص نمی‌دهند اما بیشتر به شرایط نوری ضعیف حساس هستند – در نتیجه وقتی که تاریک است، اما زیادی تاریک نیست که نشود هیچ چیز را دید، شما در واقع سیاه و سفید می‌بینید!

جانوران دیگر نور را به شکل متفاوتی درک می‌کنند. سگ‌ها تنها دو نوع سلول مخروطی دارند. برای همین، مقدار کم‌تری رنگ را می‌توانند از هم تشخیص دهند، در حالی که پرنده‌ها به نور فرابنفش هم حساس هستنند که معنایش این است آنها چیزهایی را می‌توانند ببینند که برای ما نامرئی است.

_{دید یک سگ! (چپ) سگ‌ها به نسبت انسان‌ها می‌توانند رنگ‌های کمتری را تشخیص دهند (راست). عکس متعلق به عموم است.}

بیشتر ماهواره‌‌های تصویربرداری نور را در یک دامنه طول موج بزرگتر از آنچه انسان می‌تواند ببیند، ثبت می‌کنند. برای درک این موضوع بهتر از همه به مقداری اطلاعات درباره مابقی طیف الکترومغناطیسی احتیاج داریم.

طیف الکترومغناطیسی

نوری که به چشم انسان‌ها مرئی است تنها بخش بسیار کوچکی از طیف الکترومغناطیس است. بقیه نور در طول موج‌های کوتاه‌تر (فرابنفش) و بلندتر (فروسرخ) منتشر می‌شود که ما نمی‌توانیم آنها را ببینیم. «تشعشعات الکترومغناطیسی» عبارت دقیق‌تری است که برای توصیف این طول موج‌های نامرئی به کار می‌برند. نور مرئی تقریبا در وسط طیف الکترومغناطیسی قرار دارد. خورشید و سایر ستاره‌ها تشعشعاتی را در تمام بخش‌های طیف ساطع می‌کنند، و نه تنها آن نور مرئی‌ای را که ما قادر به تشخیص آن هستیم.

_{طیف الکترومغناطیسی. متعلق به ناسا.}

آن‌سوی بنفش (طول موج‌های کوتاه‌تر)، فرابنفش قرار دارد. این نوری است که پوست را برنزه می‌کند (و می‌تواند بسوزاند!) حتی طول موج‌های کوتاه‌تر هم وجود دارند، مثل اشعه ایکس که برای تصویربرداری در پزشکی و کاربردهای مشابه از آن استفاده می‌شود. و آخر از همه اشعه گاما را داریم که برای استریل کردن تجهیزات پزشکی از آن استفاده می‌شود و همچنین می‌تواند با کشتن باکتری‌ها کمک کند تا غذا را تازه نگه داریم. اشعه گاما، اشعه ایکس و طول موج‌های کوتاه‌تر از فرابنفش می‌توانند به سلول‌های زنده آسیب برسانند و به بروز سرطان منجر شوند چون با چنین طول موج‌های کوتاهی، کلی انرژی در یک جای بسیار کوچک انباشه شده است!

_{اشعه ایکس تشعشعاتی هستند که طول موج خیلی کوتاهی دارند که می‌تواند برای تصویربرداری پزشکی به کار گرفته شود – بافت‌های فشرده مثل استخوان می‌توانند بهتر از بافت‌هایی که کمتر فشرده هستند، مثل ماهیچه‌ها، این تشعشعات را جذب کنند. از آنجایی که این طول موج مقدار انرژی بالایی دارد، مقادیر بالای تشعشعات رادیواکتیو می‌توانند به بافت‌های بدن آسیب برسانند یا به بروز سرطان منجر شوند. عکس متعلق به عموم است.}

در طرف دیگر طیف، فروسرخ (طول موج‌های بلندتر) قرار دارد که اغلب برای دوربین‌های ویژه یا حرارت‌سنج‌های دیجیتال برای اندازه‌گیری گرما از آن استفاده می‌شود. آن‌سوی فروسرخ مایکروویوها قرار دارند، که اغلب (در کنار چیزهای دیگر!) در اجاق‌های مایکروویو و رادارها کاربرد دارند. و سرانجام امواج رادیویی که برای انواع ارتباطات راه دور استفاده می‌شوند – وقتی که رادیو را تنظیم می‌کنید تا یک ایستگاه را پیدا کنید، در واقع دارید طول موجی را تغییر می‌دهید که رادیوی شما دریافت می‌کند!

_{رادیوها، وای‌فای و بلوتوث همگی از امواج رادیویی برای انتقال / یا دریافت داده‌ها استفاده می‌کنند. عکس متعلق به عموم است.}

ماهواره‌ها و نور نامرئي

دستگاه‌های مختلفی را می‌توان به ماهو اره‌ها متصل کرد تا آنها تمام بخش‌های طیف الکترومغناطیسی را شناسایی کنند. با این کار می‌توانیم در یک دامنه گسترده‌ از طول موج‌ها داده گردآوری کنیم. با این حال، برای تصویربرداری ماهواره‌هایی که برای تماشای کره زمین به کار گرفته می‌شوند (برخلاف ماهواره‌های ستاره‌شناسی، که فضا را تماشا می‌کنند)، خیلی مفید نیست که بخواهیم تمام طیف الکترومغناطیسی را بکاویم.

گازهایی که در اتمسفر زمین هستند تقریبا تمام اشعه گاما، ایکس و طول موج‌های کوتاه‌تر فرابنفشی را که خورشید به زمین می‌فرستد، جذب می‌کنند. این برای حیات روی کره زمین خوب است چون باعث می‌شود به خاطر تشعشعاتی که پرانرژی هستند، کباب نشویم! نو مرئی از اتمسفر عبور می‌کند، اما با کمی اختلال همراه است. مقدار زیادی از تشعشعات فروسرخ نیز در اتمسفر جذب می‌شوند. امواج رادیویی کوتاه و متوسط بدون هیچ خللی از اتمسفر عبور می‌کنند، اما طول موج‌های بلندتر مسدود می‌شوند.

_{اتمسفر طول موج‌های مختلف را به اندازه‌های مختلف به خود جذب می‌کند – نور مرئي، فروسرخ کوتاه و متوسط، و بیشتر امواج رادیویی از سایر طول موج‌ها راحت‌تر از اتمسفر عبور می‌کنند. عکس متعلق به ناسا است.}

از آنجایی که جلوی عبور بخش‌های زیادی از طیف از اتمسفر گرفته می‌شود، دلیلی وجود ندارد که بخواهیم این امواج را مشاهده کنیم. هیچ چیزی نخواهید دید! باید تلاش‌هایمان را روی آن بخش‌هایی از طیف متمرکز کنیم که از اتمسفر زمین عبور می‌کنند. مثل نور مرئي، بخش‌های از فروسرخ و امواج رادیویی کوتاه و متوسط.

در گام بعدی، به تصاویر چندطیفی نگاهی می‌اندازیم که از نور مرئی و فروسرخ استفاده می‌کنند. و در هفته چهارم خواهیم دید که چطور می‌توانیم از رادار برای مطالعه سطح کره زمین استفاده کنیم که از امواج رادیویی استفاده می‌کند.

_{انواع مختلف تصاویر ماهواره‌ای و طول‌ موج‌های مختلفی که استفاده می‌کنند. بر مبنای عکسی که به ناسا متعلق است.}