VALONSÄTEEN KOHTAAMAT ILMIÖT

Ilmakehän kaasuista johtuen valo ei säily muuttumattomana kulkiessaan ilmakehän läpi. Ilmakehän kaasut muuttavat sitä jättäen sormenjälkensä spektriin. Viereinen kuva havainnollistaa tätä. Punainen kuvaaja kuvaa tähden oikeaa spektriä, jonka GOMOS mittaa ilmakehän yläpuolella ja sininen kuvaa ilmakehän läpi kulkenutta spektriä.

GOMOS:in mittaus perustuukin tähden valon himmenemiseen ilmakehässä. Himmenemistä aiheuttavat absorptio ja sironta. Ilmakehän muuttamasta spektristä saadaan selville laskennallisin menetelmin kuinka paljon mitäkin kaasua ilmakehässä on. Tähän perehdytään osioissa Mittausdatan prosessointi.

Absorption ja sironnan lisäksi on myös muita ilmiöitä, kuten refraktio ja skintillaatio, jotka vaikuttavat valonsäteen kulkuun ilmakehän läpi. Nämä täytyy ottaa huomioon tuloksia prosessoidessa erilaisin korjaustermein.

Kuvitteellinen tähden oikea spektri ja spektri ilmakehän läpi mitattuna

Absorptio

Absorptio tarkoittaa imemistä itseensä. Ilmakehässä olevat aineet, kuten otsoni imee itseensä eli absorboi osan säteilystä. Laboratorio-olosuhteissa voidaan mitata eri aineiden vaikutusalat (cross sections), jotka kertovat minkä aallonpituista säteilyä mikin aine imee (tai sirottaa) ja kuinka voimakkaasti. Seuraava kuva esittää eri aineiden absorptiovaikutusaloja aallonpituuden funktiona.

Otsonin, typpidioksidin ja typpitrioksidin absorptiovaikutusalat aallonpituuden funktiona

O3: otsoni (hapen kolmiatominen muoto)

NO2: typpidioksidi (muodostuu typpimonoksidin ja otsonin reagoidessa)

NO3: typpitrioksidi (muodostuu typpidioksidista ja otsonista yön aikana)

Vaikutusalojen yksikkö on cm².

Kuvaajista havaitaan, että esimerkiksi otsoni imee tehokkaasti ultraviolettisäteilyä (aallonpituudet 1000 Å - 4000 Å). Absorptio on voimakkain aallonpituudella 2500 Å. Tämän takia lyhyt aallonpituista UV-C-säteilyä maapallolle pääse lähes ollenkaan.

Sironta

Sironta (scattering) tarkoittaa valonsäteen heijastamista poikkeavaan suuntaan.

Sironnassa atomi imee itseensä (absorboi) fotonin eli valon hiukkasen ja emittoi (lähettää) sen välittömästi, mutta yleensä alkuperäisestä poikkeavaan suuntaan. Säteily näyttää heijastuvan väliaineesta.

Myös sironta siis himmentää ilmakehän läpi kulkevaa valonsädettä.

Vastaavasti kuin valoa absorboiville aineille myös valoa sirottaville aineille voidaan laboratorio-olosuhteissa mitata niiden vaikutusalat (cross sections), jotka kertovat minkä aallonpituista säteilyä aine sirottaa ja kuinka voimakkaasti. Seuraava kuva esittää ilman ja aerosolien vaikutusaloja aallonpituuden funktiona.

air: ilmamolekyylit, jotka sirottavat valoa (kaikkien ilmassa olevien aineiden sirottamisominaisuus)

aerosol: aerosolit (ilmakehässä olevia kiinteitä hiukkasia ja nestepisaroita, jotka sirottavat valoa)

Sekä absorptio että sironta himmentävät valoa, joka kulkee ilmakehän läpi. GOMOS-datan prosessoinnin laskutoimituksissa, joilla tähden himmentyneestä spektristä erotellaan eri kaasujen määrät, käsitellään absorption ja sironnan vaikutusalat samalla tavalla. Tämän takia vaikutusalat piirretään usein samaan kuvaan riippumatta siitä absorboiko vai sirottaako aine valoa.

Vaikutusalat ovat siis aallonpituuden funktioita. Mittausdatan prosessoinnissa vaikutusalafunktiosta käytetään merkintää , jossa alaindeksi j viittaa kaasuun.

Lisäksi ilmakehä pitää sisällään monia muita aineita, jotka myös imevät tai sirottavat valoa. Muita vaikuttavia aineita ovat esimerkiksi kloorimonoksidi ClO sekä rikkidioksidi SO₂. Mutta edellä esitettyjen aineiden oletetaan eniten vaikuttavan GOMOS:in mittauksiin.

Refraktio

Valonsäde kohtaa ilmakehässä myös refraktioilmiön. Refraktio tarkoittaa valonsäteen taittumista optisesti eri tiheyttä olevien aineiden rajapinnassa tai taitekertoimen muuttuessa. Refraktio- eli taittumisilmiöt syntyvät valon taittuessa ja heijastuessa eri lämpöisten ilmakerrosten rajapinnoista.

Viereinen kuva esittää valonsäteen taittumista aineiden rajapinnassa. Aine B on optisesti tiheämpää kuin aine A. Valonsäde taittuu siis pinnan normaaliin päin tullessaan optisesti harvemmasta tiheämpään ja pinnan normaalista poispäin tullessaan optisesti tiheämmästä harvempaan.

Tulokulman ja taitekulman sinien suhde on vakio, rajapinnan AB taitesuhde:

Aineen kykyä taittaa valoa sanotaan aineen optiseksi tiheydeksi. Taitekerroin on suure, joka ilmaisee aineen optisen tiheyden.

Valon tullessa aineesta A aineeseen B rajapinnan taitesuhde on sama kuin aineiden taitekertoimien suhde

Refraktio ilmakehässä riippuu kohteen ja havaitsijan välisen ilmakerroksen tiheydestä, joka taas riippuu paineesta ja lämpötilasta. Mitä suurempi paine ja mitä matalampi on lämpötila, sitä suurempi refraktio. Refraktioon vaikuttaa myös ilman kosteus, valon aallonpituus ja valon ilmakehässä kulkema matka, eli kohteen ja havaitsijan välisen ilmakerroksen paksuus.

GOMOS:in tapauksessa havaitsija, eli GOMOS:in detektori on kaukana siten, että valonsäde joutuu kulkemaan koko ilmakehän läpi. Tämä tarkoittaa sitä, että säde tähden ja satelliitin välillä ei ole kulkenut suoraan vaan se on taittunut matkalla eri ilmakerrosten rajapinnoista.

Refraktio-ilmiö aiheuttaa myös sen, että se "nostaa" tähden oikeaa paikkaa korkeammalle maasta katsottuna. Eli käytännössä kun Kuu tai Aurinko on jo oikeasti laskenut, voi ne nähdä vielä kokonaan horisontin yläpuolella. Näet ilmiön kuvassa.

Refraktio on suurin horisontissa, pienin taivaan laella. Eli mitä loivemmassa kulmassa valonsäde osuu ilmakehään, sitä enemmän se taittuu. Zeniitistä eli suoraan ylhäältä tuleva valonsäde tulee kohtisuoraan ja refraktiota ei esiinny lainkaan, jos ilmakerrosten rajapinnat ovat vaakasuoria. Kuitenkin esimerkiksi säätilan muuttuessa on mahdollista, että kylmän ja lämpimän ilman rajapinnat ovat kaltevia ja näin voi esiintyä ns. zeniittirefraktiota.

Skintillaatio

Ilmakehässä on lämpötilaltaan ja tiheydeltään erilaisia kerroksia, joiden välillä ilma väreilee, eli niiden välillä esiintyy virtauksia ja pyörteisyyttä. Kun tähdestä tuleva valo joutuu läpäisemään ilmakerroksen, jonka ilma väreilee, tapahtuu nopeita refraktion satunnaisia muutoksia eri suuntiin. Tällöin tähdestä esimerkiksi ihmisen silmään tai GOMOS:in detektorille tuleva valo vaihtelee nopeasti ja näyttää, että tähti tuikkisi. Tämä ilmiö on skintillaatio.

Miten nämä ilmiöt huomioidaan GOMOS:in mittauksissa?

GOMOS:in havaitsema tähden spektri on muuttunut kulkiessaan ilmakehän läpi. Tutkijoiden täytyy tarkkaan tuntea ilmakehässä tapahtuvat ilmiöt, jotta ilmakehän läpi tulleesta tähden spektristä osataan eritellä eri ilmiöitä koskeva tieto.

ABSORPTIO JA SIRONTA: Vaimentuneesta spektristä täytyy osata eritellä mitkä aineet sitä ovat vaimentaneet (absorboineet tai sirottaneet). Absorptio ja sironta ovat juuri ne asiat, joihin GOMOS:in koko mittausperiaate perustuu. Koska tunnetaan aineiden absorptio- (tai sironta)vaikutusalat (cross sectionit), voidaan niiden ansiosta tutkia mitä kaasua ja kuinka paljon ilmakehässä milläkin kohtaa on.

REFRAKTIO JA SKINTILLAATIO: Refraktio-ilmiöt taittavat valonsädettä. Tämän takia on tehtävä mittausdatan prosessoinnissa refraktiokorjaukset mittauslinjaan. Skintillaatiosta aiheutuvat nopeat vaihtelut spektrissä mitataan GOMOS-instrumentissa sijaitsevilla nopeilla fotometreilla ja korjaukset spektriin tehdään jo heti datan prosessoinnin alkuvaiheessa.

AURINGON VALO: Envisat ja GOMOS -osiossa käydään läpi GOMOS:in instrumentin tärkeimmät osat, joita ovat mm. spektrometrien CCD-detektorit. Koska mittausta häiritsee myös auringon valo, täytyy se osata erotella tähden signaalista. Tämä erottelu hoidetaan instrumentin CCD-detektorin avulla.

KOHINA: Valonsäteen ilmakehässä kohtaamien ilmiöiden ja auringon valon lisäksi täytyy ottaa huomioon kohina, joka häiritsee signaalia. GOMOS-instrumentti itsessään aiheuttaa häiriötä mittauksiin, tätä kutsutaan kohinaksi. Tämä kohina aiheuttaa vääristymää mittaustuloksiin ja sen takia myös se pitää osata erotella saadusta signaalista ns. instrumenttikorjauksin mittausdatan prosessointivaiheessa.