Richtung auf die Erde blickt und einen bestimmten Punkt anmisst, jeweils nur aus dieser einen Richtung eine Strahldichte empfängt, muss aus dieser auf die Prozesse in Atmosphäre und am Boden geschlossen und der gesuchte Parameter invertiert werden. Bei der Vorstellung eines aufgerollten Igels statt der Stachelkugel bedeuten unterschiedlich große Strahldichten in verschiedene Richtungen unterschiedlich lange Stacheln. Bei der Fernerkundung aus einer Richtung muss, um bei dem Bild zu bleiben, aus der Länge von nur einem Stachel auf den ganzen Igel und seine Eigenschaften geschlossen werden, etwa ob es sich um ein Igelkind oder einen großen Igel handelt.
Auch bei festen Eigenschaften von Boden und Atmosphäre kann das Strahlungsfeld am Oberrand der Atmosphäre für verschiedene Richtungen verschiedene Werte haben. Um aus am Satelliten gemessenen Strahldichten, die ja immer nur eine Richtung repräsentieren, die Eigenschaften von Boden und Atmosphäre abzuleiten, muss diese Richtungsabhängigkeit berücksichtigt werden.
Folglich muss bekannt sein, wie gut die Strahldichte aus der einen Richtung, die analysiert wird, das gesamte Strahlungsfeld und so die gesuchte Information richtig wiedergibt. Dies ist der Fall, wenn die Strahldichten in alle Richtungen gleich groß sind. Für ein solches Strahlungsfeld, das als „isotrop“ bezeichnet wird, spielt die Richtung der Beobachtung keine Rolle. Wenn jedoch die Strahldichten bei festen Bedingungen in verschiedenen Richtungen verschieden groß sind, so trägt das Strahlungsfeld die Bezeichnung „anisotrop“, und die Abhängigkeit der Strahldichte von der Richtung der Messung muss bei ihrer Invertierung berücksichtigt werden.
Abb. 2.6
Isotrope, anisotrope und spiegelnde Reflexion.
Abbildung 2.6 zeigt als Beispiel für isotrop und anisotrop reflektierende Oberflächen die Winkelverteilung von Strahldichten. Frisch gefallener Schnee ist ein Beispiel für eine isotrop reflektierende Oberfläche, er erscheint aus allen Beobachtungsrichtungen gleich hell (Abb. 2.6, links). Nach Vereisung der Schneefläche wird Strahlung jedoch bevorzugt unter der Spiegelrichtung reflektiert, d.h. das Reflexionsverhalten wird anisotrop. Die Möglichkeiten für anisotrope Reflexion (Abb. 2.6, Mitte) variieren je nach Struktur der Oberfläche und müssen bei der Auswertung möglichst genau berücksichtigt werden (Kap. 6.2 und 12.2). Bei wirklich spiegelnder Reflexion wird die einfallende Strahlung nur in eine Richtung zurückgeworfen (Abb. 2.6, rechts). Diese Art der Reflexion, die dem bekannten Reflexionsgesetz „Einfallswinkel = Ausfallswinkel“ gehorcht und durch die Fresnelschen Formeln beschrieben wird, kommt in der Natur nur sehr selten vor
Ein Beispiel für spiegelnde Reflexion ist eine ganz glatte Wasserfläche. Aber selbst die Reflexionseigenschaften einer Wasserfläche werden zunehmend isotrop, wenn die Rauigkeit zunimmt. Damit wird die aus einer Richtung einfallende Strahlung durch die Reflexion auf einen größeren Winkelbereich verteilt, obwohl die spiegelnde Komponente weiter dominiert (Abb. 2.7). Dass eine Wasseroberfläche auch außerhalb des Bereichs der nahezu spiegelnd reflektierten Sonne nicht schwarz erscheint, liegt daran, dass auch die Strahlung von jedem einzelnen Himmelspunkt mit den für die Oberfläche gültigen Reflexionseigenschaften reflektiert wird.
Abb. 2.7
Sonnenuntergang bei ruhiger See als Beispiel für nahezu spiegelnde Reflexion.
Bei Landoberflächen wird häufig von isotroper Reflexion ausgegangen. Dass aber auch Landoberflächen ein richtungsabhängiges, anisotropes Reflexionsvermögen haben können, lässt sich gut am Beispiel einer Oberfläche mit Bewuchs demonstrieren. Abbildung 2.8 zeigt einen besonnten Wald, dessen Bäume Schatten werfen. Das führt dazu, dass bei einer Beobachtung des Waldes mit der Sonne „im Gesicht“ (Abb. 2.8, rechts) ganz überwiegend Schattenflächen gesehen werden, die reflektierte Strahlung also gering ist. Bei einer Beobachtung aus Richtung der Sonne (Abb. 2.8, links) verdeckt jeder Baum jedoch die durch ihn hervorgerufene Schattenfläche, sodass kein Schatten gesehen wird. Die reflektierte Strahlung ist also besonders groß. Mit unterschiedlichen Beobachtungsrichtungen, sowohl in Bezug auf den Zenitwinkel als auch auf den Azimut, sind alle Übergänge zwischen nur Schatten- oder nur Sonnenflächen im Bildpunkt möglich. Bei genauerer Betrachtung wird klar, dass der Zusammenhang zwischen der aus einer Richtung (φe, θe) einfallenden Strahlung und der in Richtung (φr, θr) reflektierten Strahldichte von allen vier Winkeln abhängig ist. Darüber hinaus sind diese Reflexionseigenschaften auch noch wellenlängenabhängig, da z. B. bei senkrechtem Blick in einen lockeren Bestand in erster Linie der Boden gesehen wird, der braun oder grau ist, während bei streifendem Blick grüne Pflanzen das Bild bestimmen. Bei genauer Betrachtung wird das Reflexionsverhalten einer Oberfläche deshalb durch eine „spektrale Reflexionsfunktion“ γ (φe, θe, φr, θr) beschrieben (Kriebel, 1978).
Abb. 2.8
Strahldichten in zwei Richtungen nach der Reflexion von Sonnenstrahlung an einem Wald.
In der Praxis wird Isotropie manchmal einfach angenommen, weil individuelle Oberflächeneigenschaften nicht bekannt sind. Durch Messung der Strahlung von Bildpunkten mit einheitlicher Oberfläche, aber unter verschiedenen Winkeln, wurden jedoch für verschiedene Oberflächentypen mittlere „Anisotropiefunktionen“ (Angular Distribution Models, ADM) bestimmt (Suttles et al., 1988). Diese werden dann bei der Auswertung der Messungen von anderen Satelliten berücksichtigt (Kap. 6.2 und 12.2).
Das Strahlungsfeld am Oberrand der Atmosphäre, dessen Strahldichten der Satellit misst, wird zusätzlich zur Reflexion am Boden durch die richtungsabhängigen Streueigenschaften der Luftmoleküle und Aerosolpartikel sowie die Mehrfachstreuprozesse bestimmt. Die hieraus resultierenden winkelabhängigen Unterschiede im Strahlungsfeld werden durch die Strahlungstransportrechnungen bei den Vorwärtsrechnungen, den Sensitivitätsstudien, berechnet und können damit in den satellitenmeteorologischen Retrieval-Algorithmen Berücksichtigung finden.
Eine Strahlungsgröße, die für die Behandlung der Strahlungsenergie beim Durchgang durch oder auftreffend auf eine Oberfläche wichtig ist, ist die „Strahlungsflussdichte“ (Irradiance), mit dem üblicherweise verwendeten Symbol M. Die Strahlungsflussdichte entspricht dem Fluss aller Photonen, die pro Zeiteinheit auf eine vorgegebene – üblicherweise horizontale – Fläche fallen oder von dieser emittiert werden. Sie ist also das Integral der Strahldichten aus allen Richtungen (θ, φ) über den Halbraum, jeweils gewichtet mit dem Raumwinkel dΩ = sinθ dθ dφ und reduziert auf ihren Zenitwinkel-abhängigen Beitrag:
Damit ergibt sich als Einheit für die Strahlungsflussdichte [W m–2] bzw. für spektrale Werte [W m–2 μm–1].
Der Beitrag zum Integral von den Strahldichten, die schräg auf die Oberfläche fallen, wird durch Multiplikation mit cos θ reduziert (Lambertsches Gesetz). Der Grund ist, dass die Strahlungsleistung jeder Strahldichte mit zunehmendem Zenitwinkel auf eine größer werdende Fläche verteilt wird und sich damit der Beitrag auf der vorgegebenen Fläche A, für die das Integral gebildet wird, reduziert. Abbildung 2.9 zeigt diese Reduzierung, wobei die einfallende Strahldichte zur Vereinfachung der geometrischen Beziehungen als paralleles Bündel angesehen wird, wie das für die direkte Strahlung von der Sonne gilt. Die Strahldichte mit senkrechtem Einfall (θ = 0°) trägt vollständig zum Integral bei, also mit der Wichtung cos(0°) = 1. Bei flacher einfallender Strahlung geht der jeweilige Beitrag auf die Empfängerfläche zurück, und streifend einfallende Strahlung (θ = 90°) trägt gar nicht zur integrierten Strahlungsflussdichte bei, entsprechend cos (90°) = 0. Ist das Strahlungsfeld isotrop,
