bezeichnen Spektralbereiche der Strahlung, basierend auf deren primärer Quelle, nicht auf sekundären Prozessen. Damit kann auch Strahlung, die von der Erde her am Satelliten ankommt, „solar“ sein, eben wenn es sich um reflektierte oder gestreute Sonnenstrahlung handelt.
Wie gesagt, bezeichnen „solar“ und „terrestrisch“ bestimmte Wellenlängenbereiche, nicht den aktuellen Ausgangsort der gemessenen der Strahlung. Strahlung im solaren Spektralbereich wird auch dann solar genannt, wenn sie künstlich erzeugt wird oder wenn sie zwar von der Sonne stammt, aber am Boden reflektiert oder in der Atmosphäre gestreut wurde und damit scheinbar von Teilen der Erde kommt. Ebenso beschreibt der Begriff „terrestrisch“ einen Spektralbereich unabhängig von der aktuellen Quelle der Strahlung. Da die Strahlung in diesem Bereich stark von der Temperatur des Strahlers bestimmt wird (Kap. 2.2.1), wird sie häufig auch als „thermisch“ bezeichnet.
Die Technik zur Messung von Mikrowellen stammt aus dem Umfeld des Radars, wie es zur Ortung auf Schiffen verwendet wird. Damit werden in diesem Bereich der elektromagnetischen Strahlung traditionell die in der Radartechnik gebräuchlichen Bezeichnungen benutzt, und eine Spezifizierung erfolgt über die Frequenz. Dies gilt jedoch nicht nur für aktives Radar, sondern generell für die Charakterisierung im Spektralbereich der Mikrowellen. Aus der Radar-Tradition resultieren auch die in Abbildung 2.2 angegebenen Buchstaben zur Bezeichnung von verschiedenen Frequenzbereichen. Die für die Satellitenmeteorologie genutzten Mikrowellen liegen zwischen 0,5 und 100 GHz (1 GHz = 109 s–1). Nach Gleichung 2.2 ergibt sich daraus, dass die für die Fernerkundung genutzte Mikrowellenstrahlung Wellenlängen zwischen 3 mm und 60 cm hat.
Die Bezeichnung der Strahlung für breitere spektrale Teilbereiche ist uneinheitlich. Auch hier resultieren die verwendeten Namen wieder aus der Geschichte der Sensoren, aus der von den Entwicklern und Betreibern der Radiometer verwendeten Benennung der Spektralbereiche. So haben die Meteosat-Satelliten der ersten Generation in drei breiten Kanälen gemessen, die mit VIS (visible, sichtbar), WV (Water Vapor, Wasserdampf) und IR (infrared, infrarot) bezeichnet wurden. Dabei war der „VIS“-Kanal zwar im Bereich der sichtbaren Strahlung gelegen, hat aber nicht mit diesem übereingestimmt sondern ging über diesen hinaus. Und mit „Wasserdampf“ wird nur indirekt ein Spektralbereich angegeben, eben der, in dem Wasserdampf absorbiert. Der Begriff „infrarot“ wurde bei Meteosat für einen Kanal bei rund 11 μm verwendet. Die Bezeichnung dieser Bereiche blieb auch bei der zweiten Generation von Meteosat (Meteosat Second Generation, MSG) generell erhalten – jedoch, aufgrund der bei MSG viel größeren Anzahl spektraler Kanäle, spezifiziert.
Besonders uneinheitlich ist die Bezeichnung im infraroten Spektralbereich, da unter „infrarot“ jede Strahlung verstanden werden kann, deren Wellenlänge größer ist als die des roten Lichts (> 0,7 μm). Unter Physikern ist die Trennung in „nahes“, „mittleres“ und „fernes“ Infrarot üblich, wobei das mittlere Infrarot für einen sehr weiten Bereich um 10 μm verwendet wird. In der Fernerkundung trägt der Wellenlängenbereich zwischen 8 und 13 μm häufig die Bezeichnungen „thermisch“ oder „thermisches Infrarot“, da dieser Spektralbereich genutzt wird, um Oberflächentemperaturen zu bestimmen. Einige Autoren verwenden „Thermal IR“ für den größeren Bereich zwischen 4 und 50 μm und entsprechend „Near IR“ für die Strahlung zwischen sichtbar und 4 μm und „Far IR“ für den Bereich zwischen 50 μm und den Mikrowellen. Auch Bezeichnungen wie SWIR (Shortwave Infrared), MIR (Middle Infrared) und TIR (Thermal Infrared) sowie TIRWV (thermales Infrarot im Bereich der Wasserdampfabsorption) kommen zur Anwendung. Im Mikrowellenbereich ist der Sprachgebrauch ebenfalls variabel, da sowohl die Frequenzbereiche zur Klassifizierung genutzt werden als auch die Bezeichnung mittels Buchstaben für bestimmte Bereiche (Abb. 2.2).
Als Konsequenz ergibt sich, dass bei jedem Radiometer und bei jeder Publikation darauf geachtet werden muss, was die verwendete Bezeichnung eines Spektralbereichs im Hinblick auf Wellenlänge, Wellenlängenbereich oder Messkanal mit spezifischen Eigenschaften bedeutet. Am saubersten ist natürlich die direkte Angabe von Wellenlängen oder Frequenzen, bei breiteren Kanälen zusammen mit deren spektraler Transmission.
2.1.2 Emission, Absorption und Streuung
Die Moleküle und Atome, aus denen Materie aufgebaut ist, sind in ständiger Bewegung, und zwar nicht nur als Ganzes, sondern auch innerhalb des Moleküls in Form von Schwingungen oder Rotation. Durch Zusammenstöße wird Energie übertragen, wodurch sich die Bewegungsformen des Moleküls ändern können, aber auch Elektronen in den beteiligten Atomen auf höhere Bahnen gelangen können. Derartige angeregte Zustände im Atom oder die verstärkten Schwingungen oder Rotationen im Molekül sind nur selten von längerer Dauer. In den meisten Fällen wird schon nach rund einer milliardstel Sekunde der Ausgangszustand wieder hergestellt, wobei die überschüssige Energie in Form eines Photons abgestrahlt wird. Durch diesen Prozess, die „Emission“, wird praktisch permanent thermische Energie in Strahlung überführt. Die Energiedifferenz des Übergangs im Atom oder Molekül von dem einen zum anderen Zustand bestimmt nach Gleichung 2.3 die Wellenlänge der Strahlung, die damit wiederum den individuellen Übergang charakterisiert.
Wenn ein Photon auf ein Teilchen trifft, überträgt es umgekehrt seine Energie auf das Teilchen, sei es nun Atom oder Molekül, und bringt es so in einen angeregten Zustand. In den meisten Fällen ist dieser Zustand auch nur von extrem kurzer Dauer. Es wird gleich wieder ein Photon abgestrahlt. Da die Energiestufe bei beiden Prozessen die gleiche ist, ist auch die Energie des wieder abgestrahlten Photons die gleiche, nur seine Richtung wird meistens eine andere sein. Im Strahlungsbild ergibt sich eine Änderung der Richtung der Strahlung, aber ohne Änderung der Wellenlänge. Dieser Prozess heißt „Streuung“.
Wenn die Streuprozesse an einer festen Oberfläche erfolgen wird nur die in den rückwärtigen Halbraum gestreute Strahlung wieder dem Strahlungsfeld zugeführt. Der mikrophysikalische Prozess ist derselbe, der Vorgang wird aber als „Reflexion“ bezeichnet. Dabei kann die reflektierte Strahlung in jede mögliche „Zurück“-Richtung gehen, die „spiegelnde“ Reflexion ist bei natürlichen Oberflächen die Ausnahme (Kap. 2.1.3).
Bei der Wechselwirkung von Strahlung mit Wolken kommen beide Begriffe zur Anwendung. Wird die Wolke als Anhäufung von Tropfen aufgefasst, handelt es sich um Streuung an Wolkentropfen, wobei allerdings jedes Photon schnell viele Streuprozesse erleben kann, da die streuenden Teilchen dicht beieinander liegen. Wird die Wolke hingegen als kompaktes Gebilde aufgefasst und nur die an der Oberfläche austretende Strahlung betrachtet, so wird auch von Reflexion an der Wolke gesprochen. Die Aussagen „von einer Wolke rückgestreute“ oder „an einer Wolke reflektierte“ Strahlung können deshalb als synonym aufgefasst werden.
Es kann passieren, dass ein Photon auf ein Teilchen trifft, das die übertragene Energie gerade gut einbauen kann. Dann wird die Energie nicht wieder abgestrahlt, sondern verbleibt in der Materie. Die Photonenenergie führt damit bei dem Teilchen zu einem höheren, aber stabilen Energieniveau. Das kann zum Beispiel bedeuten, dass durch die Energie des Photons ein Elektron auf eine andere, aber stabile Bahn gelangt, dass Schwingungszustände geändert werden, die Materie erwärmt wird oder dass die Energie des Photons für Photosynthese genutzt wird. Dieser Prozess, bei dem die Strahlungsenergie in der Materie verbleibt, heißt „Absorption“ – unabhängig davon, was mit der absorbierten Photonenenergie geschieht.
In der Praxis existieren auch Mischformen, bei denen die aufgenommene Strahlungsenergie zwar wieder abgestrahlt wird, jedoch nicht vollständig oder in zwei Stufen, jeweils mit anderen Wellenlängen als die der einfallenden Strahlung. Es kann aber auch der umgekehrte Fall eintreten, dass dem wieder emittierten Photon zusätzliche Energie mitgegeben wird, weil gerade ein angeregtes Niveau getroffen wurde. Im ersten Fall ist die Wellenlänge der abgestrahlten Strahlung größer als die der eingefallenen, im zweiten Fall kleiner. Handelt es sich um Streuung, aber nicht bei der ursprünglichen sondern bei benachbarten Wellenlängen, wird der Prozess nach dem Entdecker des Phänomens „Raman-Streuung“ genannt.
