Photons, ist also umgekehrt proportional zur Wellenlänge der Strahlung. Das bedeutet, dass die Energie eines einzelnen Photons umso höher ist, je kürzer die Wellenlänge der Strahlung ist.
A. Einstein erhielt 1921 den Nobelpreis für Physik für dieses Gesetz des fotoelektrischen Effekts, während die Relativitätstheorie in der Begründung der Preisvergabe nicht explizit genannt wurde.
Die pauschale Aussage, dass kurzwellige Strahlung energiereicher ist als Strahlung mit größerer Wellenlänge, ist jedoch falsch. Zwar sind die einzelnen Photonen bei der Strahlung mit der kürzeren Wellenlänge energiereicher, aber die Energie der Strahlung als Ganzes ergibt sich ja als Produkt aus der Zahl der Photonen in einem vorgegebenen Zeitraum und der Energie des einzelnen Photons. Damit kann die Energie von elektromagnetischer Strahlung mit zunehmender Wellenlänge durchaus zunehmen, obwohl die Energie des einzelnen Photons aufgrund der zunehmenden Wellenlänge abnimmt, einfach weil die Zahl der Photonen überproportional steigt. Dies ist keine Besonderheit, sondern gilt immer für Strahlung mit Wellenlängen, die kürzer sind als die des Strahlungsmaximums.
Im Photonenbild kann monochromatische Strahlung als ein Strom von Photonen mit einheitlicher Energie aufgefasst und eine Strahlungsleistung als Zahl der Photonen pro Zeiteinheit angegeben werden. Für die Darstellung der gleichen Strahlung im Wellenbild kann diese als viele verschiedene hintereinander laufende Wellenzüge mit gegebener Wellenlänge λ aufgefasst werden. In Abbildung 2.1 sind mehrere solche Wellenzüge mit fester Wellenlänge dargestellt, die sich in Richtung z ausbreiten. Aufgrund der Dauer einer Emission von rund 10–8 s (Hecht, 2005) ergibt sich aus der Lichtgeschwindigkeit eine Länge der Wellenzüge von rund 3 m. (Die Länge der einzelnen Wellenzüge ist in der Abbildung aus Gründen der Veranschaulichung zu kurz dargestellt; sie ist in Wirklichkeit mehr als eine Million mal so groß wie die Wellenlänge). Jeder einzelne Wellenzug schwingt dabei senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung, wie bei einem Seil, das geschwungen wird, und ist somit eine transversale Welle. Bei natürlicher Strahlung (beispielsweise Strahlung von der Sonne oder von irdischer Materie emittiert) ist die Ebene der Schwingung für jeden der unendlich vielen Wellenzüge beliebig orientiert und unabhängig voneinander. Wie gesagt, und in Abbildung 2.1 gezeigt, schwingt jeder einzelne Wellenzug senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung z. Aber die jeweilige Lage dieser Schwingung in der x-y-Ebene ist statistisch gleich verteilt – alle Richtungen kommen gleich häufig vor. Damit gibt es für die gesamte Strahlung, als Summe aller Wellenzüge, keine Vorzugsrichtung der Schwingungsebene.
Abb. 2.1
Elektromagnetische Strahlung als Wellenzüge mit unterschiedlicher Schwingungsrichtung.
Eine solche Strahlung, mit statistisch gleich verteilten Schwingungsrichtungen, wird als „unpolarisiert“ bezeichnet. Strahlung, bei der alle Wellenzüge die gleiche Schwingungsrichtung haben, die gleiche Lage der Schwingungsebene in x-y-Richtung, ist dagegen „polarisiert“, genauer gesagt 100 % linear polarisiert. Dieser Zusatz „linear“ ist nötig, da durch Phasenverschiebungsvorgänge auch noch andere Polarisationsformen auftreten können. Weiterhin ist die Angabe eines Polarisationsgrades – zwischen 0 % (unpolarisiert) und 100 % (vollständig polarisiert) – nötig, da die Polarisation nicht zwangsläufig vollständig sein muss.
Die Strahlung aus der Umgebung, das Licht, das gesehen oder fotografiert wird, ist immer teilweise polarisiert. Damit kann durch Polarisationsfilter in Sonnenbrillen die Blendung reduziert werden und durch Polarisationsfilter vor einem Fotoapparat der Bildeindruck verändert werden – ein gestalterisches Mittel.
Die Wirkung von Streu- und Reflexionsprozessen als Ergebnis der Wechselwirkung der Strahlung mit Materie ist abhängig von der Schwingungsrichtung des ankommenden Wellenzugs. Das kann dazu führen, dass ursprünglich unpolarisierte Strahlung nach Reflexion unter einem bestimmten Winkel in einer Schwingungsrichtung dominiert, also durch den Reflexionsprozess polarisiert wird. Auch bei den Streuprozessen, wie sie auf dem Weg durch die Atmosphäre zum Satelliten stattfinden, kann eine Schwingungsrichtung bevorzugt werden, sodass auch die ursprünglich unpolarisierte Sonnenstrahlung zumindest teilweise polarisiert wird. So ist die Strahlung des blauen Himmels im rechten Winkel zur Sonne stark polarisiert und auch die an einer Wasserfläche spiegelnd reflektierte Strahlung – was Fotografen erlaubt, durch die Verwendung von Polarisationsfiltern die Kontraste in ihren Bildern zu betonen. Aber auch von oben, aus Sicht von Satelliten, ist die Strahlung partiell polarisiert, und zwar in Abhängigkeit von den Prozessen, denen die Photonen in der Atmosphäre und am Boden ausgesetzt waren. Damit bietet der Polarisationszustand der am Satelliten gemessenen Strahlung zusätzliches Potenzial für die Fernerkundung von Atmosphäreneigenschaften. Umgekehrt senden Laser (Kap. 2.3.3) polarisierte Strahlung aus, sodass die Reduzierung des Polarisationsgrades im wieder empfangenen Signal als Information über die Atmosphäreneigenschaften genutzt werden kann.
Bei der Satellitenmeteorologie wird Strahlung verwendet, deren Wellenlängen sich um einen Faktor von mehr als 1 Million unterscheiden. Auf anschauliche Dimensionen übertragen entspricht das einem Unterschied zwischen 1 mm und 1 km.
Für die Satellitenmeteorologie wird Strahlung mit Wellenlängen zwischen rund 10–7 m und 1 m verwendet (Abb. 2.2). Der Wellenlängenbereich, der insgesamt in der Fernerkundung Anwendung findet, geht also über einen Bereich von mehr als sechs Zehnerpotenzen. Daraus resultiert, dass die Messverfahren in verschiedenen Spektralbereichen unterschiedliche technisch-wissenschaftliche Hintergründe haben und damit traditionell unterschiedliche Angaben zur Beschreibung der Strahlung verwendet werden. Abbildung 2.2. zeigt die Strahlung für den ganzen genutzten Wellenlängenbereich, mit verschiedenen Möglichkeiten zur Bezeichnung der Bereiche. Der Bereich des sichtbaren Lichts, der nur einen winzigen Teil der elektromagnetischen Strahlung ausmacht, ist in der Abbildung zusätzlich vergrößert herausgezogen.
Die für die Satellitenmeteorologie verwendete Strahlung lässt sich grundsätzlich in drei spektrale Bereiche trennen, die sich durch die Quelle der Strahlung sowie die Prozesse in der Atmosphäre und am Boden unterscheiden: der solare, der terrestrische und der Mikrowellen-Bereich. Die Begriffe „solar“ und „terrestrisch“ werden dabei zur Bezeichnung der Spektralbereiche verwendet, um unscharfe Begriffe wie „kurz“ und „lang“ zu vermeiden, die zum Beispiel auch bei Radiowellen vorkommen, dort aber im km-Bereich liegen.
Der solare Spektralbereich ist der Wellenlängenbereich, in dem die Strahlung ursprünglich von der Sonne stammt. Die Strahlung in diesem Spektralbereich wird generell mit der Wellenlänge charakterisiert. Die üblicherweise verwendeten Einheiten sind Nanometer (1 nm = 10–9 m) und Mikrometer (1 μm = 10–6 m). Beim sichtbaren Licht, dem Teil des solaren Spektralbereichs der vom menschlichen Auge gesehen werden kann, entsprechen verschiedene Wellenlängen verschiedenen Farben (Abb. 2.2). Der solare Spektralbereich geht aber über den Bereich der sichtbaren Strahlung von violett bis rot hinaus. Die Strahlung bei Wellenlängen, die kürzer sind als violett, wird „ultraviolett“ (UV) genannt, und die mit längeren Wellenlängen als rot dementsprechend „infrarot“ (IR). Es sei in diesem Zusammenhang angemerkt, dass sich der Begriff „Licht“ per Definition nur auf Strahlung bezieht, für die das menschliche Auge empfindlich ist. Für die Bereiche ultraviolett und infrarot gilt dies nicht, weshalb auch nicht von UV- oder IR-Licht gesprochen werden sollte, sondern nur von UV- und IR-Strahlung.
Abb. 2.2
Spektrum der in der Satellitenmeteorologie genutzten elektromagnetischen Strahlung.
Der Spektralbereich, in dem die Strahlung von irdischer Materie emittiert wurde, sei es am Boden oder in der Atmosphäre, wird als „terrestrisch“ bezeichnet. Hier wird zur Charakterisierung der Strahlung neben der Wellenlänge häufig der Kehrwert der Wellenlänge verwendet, die „Wellenzahl“, in
