Ảnh vệ tinh nhiệt và bức xạ hồng ngoại mang lại giá trị to lớn cho nghiên cứu và thực tiễn trong quản lý thiên tai, nông nghiệp, và bảo vệ môi trường.Trong thế giới đầy biến động của thiên nhiên và khí hậu, nhiệt độ chính là yếu tố cốt lõi giúp giải đáp nhiều câu hỏi quan trọng: Làm thế nào để phát hiện cháy rừng từ sớm?
Những khu vực nào đang chịu áp lực thiếu nước trầm trọng? Tác động của hiện tượng đảo nhiệt đô thị ảnh hưởng ra sao đến đời sống con người? Đặc biệt, trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp, việc theo dõi và phân tích nhiệt độ bề mặt Trái Đất trở thành chìa khóa cho các giải pháp quản lý bền vững.
Hình ảnh nhiệt là gì?
Chụp ảnh nhiệt, một công nghệ chuyển đổi năng lượng nhiệt (nhiệt) thành ánh sáng khả kiến, được sử dụng để phân tích một vật thể hoặc cảnh cụ thể.
Ảnh nhiệt hoàn toàn khác với ảnh chụp thông thường. Trong khi ảnh thông thường chụp ánh sáng nhìn thấy được phản chiếu từ các vật thể, ảnh nhiệt biểu thị các mức độ bức xạ hồng ngoại khác nhau do các vật thể phát ra. Bất kỳ vật thể nào có nhiệt độ trên độ không tuyệt đối (0K hoặc -273°C) đều phát ra bức xạ điện từ. Bức xạ phát ra phụ thuộc vào loại vật liệu và nhiệt độ của vật thể. Chụp ảnh nhiệt đòi hỏi phải đo bức xạ phát ra trong vùng hồng ngoại nhiệt (TIR) của quang phổ điện từ.
Thiết bị chụp ảnh nhiệt có thể phát hiện ra gì?
Thiết bị chụp ảnh nhiệt phát hiện bức xạ hồng ngoại hoặc nhiệt phát ra từ các vật thể, tạo ra “bản đồ nhiệt” tại khu vực mục tiêu với các thông tin như:
- Các vấn đề về quá nhiệt và quá tải mạch điện trong hệ thống điện và cơ khí.
- Các yếu tố kém hiệu quả trong xây dựng như thất thoát nhiệt do cách nhiệt kém, rò rỉ không khí trong hệ thống HVAC và rò rỉ nước bên trong các công trình.
- Phát hiện sâu bọ hoặc động vật gặm nhấm trong khu vực khuất và xác định kẻ xâm nhập trong các ứng dụng an ninh.
- Sự hiện diện của con người hoặc động vật trong hoạt động tìm kiếm và cứu nạn và phát hiện điểm nóng trong quản lý cháy rừng.
- Xác định các khiếm khuyết về kết cấu trong xây dựng và kỹ thuật.
- Phát hiện các vấn đề sức khỏe trong ứng dụng y tế và thú y, và phân tích mô hình nhiệt trong nghiên cứu địa chất và môi trường.
Hồng ngoại nhiệt trên quang phổ điện từ
Phổ điện từ là phạm vi bước sóng hoặc tần số của tất cả bức xạ điện từ.
Trong viễn thám, sóng điện từ được phân loại thành các vùng. Các vùng khác nhau được đặt tên như khả kiến, hồng ngoại và vi sóng dựa trên bước sóng của chúng, như thể hiện trong hình bên dưới. Các bước sóng được đo bằng micrômét (µm).
Phần hồng ngoại của quang phổ được chia thành:
- Gần hồng ngoại (NIR): 0,7-1,5 µm
- Hồng ngoại sóng ngắn (SWIR): 1,5-3 µm
- Hồng ngoại sóng trung bình (MWIR): 3-8 µm
- Hồng ngoại sóng dài (LWIR): 8-14 µm
- Hồng ngoại xa (FIR): 14 µm-100 µm
Vùng hồng ngoại nhiệt của quang phổ điện từ là vùng nào?
Vùng hồng ngoại nhiệt (TIR) trải dài từ 3 μm đến 14μm, bao gồm bước sóng hồng ngoại sóng trung bình (MWIR) và bước sóng hồng ngoại sóng dài (LWIR).
Các bước sóng 3-5 μm và 8-14 μm là những bước sóng được sử dụng phổ biến nhất trong viễn thám hồng ngoại nhiệt. Lý do là vì:
- Đầu tiên, nhiệt độ môi trường xung quanh, các vật liệu trên bề mặt Trái đất như đất, nước và thảm thực vật phát ra bức xạ trong vùng LWIR (8 μm đến 14 μm).
- Thứ hai, khi các vật thể được làm nóng trên nhiệt độ môi trường xung quanh, bức xạ phát ra sẽ chuyển sang các bước sóng ngắn hơn. Do đó, các bước sóng 3 µm đến 5 µm trong vùng MWIR giúp phát hiện các bề mặt nóng, ví dụ, do cháy rừng.
- Cuối cùng, và có lẽ quan trọng hơn, các bước sóng này bao gồm một cửa sổ khí quyển.
Thế nào là cửa sổ khí quyển?
Bầu khí quyển của Trái đất chứa các phân tử khác nhau bao gồm ozone (O3), hơi nước (H2O) và carbon dioxide (CO2). Các phân tử này hấp thụ bức xạ điện từ, làm giảm bức xạ đến cảm biến. Các bước sóng mà hầu hết bức xạ được hấp thụ bởi các khí quyển không hữu ích cho hoạt động viễn thám.
Không phải tất cả các bước sóng bức xạ điện từ từ Mặt trời đều đến Trái đất và không phải tất cả các bước sóng do Trái đất phát ra đều đi vào không gian. Bầu khí quyển hấp thụ một số năng lượng này trong khi cho phép các bước sóng khác đi qua.
Những nơi năng lượng đi qua được gọi là “cửa sổ khí quyển” (Atmospheric window). Chúng ta sử dụng những “cửa sổ” này trong cảm biến từ xa để nhìn vào khí quyển, cho phép chúng ta thu thập được nhiều thông tin liên quan đến thời tiết.
Phần lớn năng lượng của Mặt Trời đến từ ánh sáng khả kiến và phần gần hồng ngoại của quang phổ điện từ. Tất cả năng lượng phát ra từ Trái Đất đều là hồng ngoại.
Trong hình ảnh trên, các điểm lõm trên đường cong biểu thị sự hấp thụ của khí quyển. Trong vùng TIR, chúng ta có thể thấy rằng:
- Phần 3-5 µm bị ảnh hưởng nhẹ bởi sự hấp thụ của khí quyển.
- Hầu như toàn bộ bức xạ trong khoảng từ 5 µm đến 8 μm đều bị hấp thụ bởi các khí trong khí quyển (tức là các phân tử nước (H20), carbon dioxide (CO2) và ozone (O3)).
- Phần 8-14 µm bị ảnh hưởng nhẹ bởi sự hấp thụ của khí quyển.
Do đó, trong vùng TIR, chúng ta có thể nói rằng có các cửa sổ khí quyển ở mức 3 µm đến 5 µm và 8 µm đến 14 µm.
Bức xạ hồng ngoại nhiệt khác với bức xạ hồng ngoại gần và bức xạ hồng ngoại sóng ngắn như thế nào?
Bức xạ NIR và SWIR có bước sóng ngắn hơn, từ 0,7 µm đến 3 µm. Chúng biểu thị sự phản xạ của ánh sáng mặt trời chiếu tới bởi các vật thể bề mặt và có thể được gọi là hồng ngoại phản xạ.
Mặt khác, bức xạ TIR có bước sóng dài hơn 3 µm, biểu thị năng lượng phát ra từ các vật thể bề mặt thay vì năng lượng phản xạ và có thể được gọi là hồng ngoại phát ra.
Không giống như tia hồng ngoại phản xạ, bức xạ TIR gây ra cảm giác nóng, được đo bằng nhiệt độ bề mặt.
Bức xạ TIR được thu thập độc lập với mặt trời. Điều này có nghĩa là hình ảnh nhiệt có thể được thu thập vào ban ngày và ban đêm. Trong khi đó, hồng ngoại phản xạ phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời và do đó thường được thu thập vào ban ngày.
Thời điểm nào là tối ưu để thu thập hình ảnh vệ tinh nhiệt?
Thời điểm tối ưu để thu thập hình ảnh vệ tinh nhiệt phụ thuộc vào mục đích quan sát và các yếu tố môi trường. Hình ảnh nhiệt (thermal imagery) đo lượng bức xạ hồng ngoại phát ra từ bề mặt, và hiệu quả thu thập dữ liệu phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa các đối tượng. Dưới đây là các thời điểm phù hợp cho từng ứng dụng:
Ban đêm, các bề mặt nguội đi và có sự chênh lệch rõ rệt về nhiệt độ giữa các vật liệu (như đất, nước, thực vật, và bê tông). Điều này tạo điều kiện thuận lợi để phân biệt các đối tượng dựa trên tín hiệu nhiệt, ứng dụng trong giám sát đô thị để phát hiện các khu vực tích nhiệt, hay nghiên cứu hiện tượng rò rỉ nhiệt trong các tòa nhà và hệ thống năng lượng.
Nhiệt độ bề mặt đạt đỉnh vào giữa ngày, giúp đo lường chính xác cường độ bức xạ từ các đối tượng như địa chất và nước. Sáng sớm và chiều tối cho phép nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt và khí quyển.
Tại sao dải nhiệt thường có độ phân giải không gian thấp hơn dải quang?
Hình ảnh vệ tinh quang học được thu thập ở các bước sóng khả kiến, NIR và SWIR, trong khi hình ảnh vệ tinh nhiệt sử dụng tín hiệu TIR.
Bây giờ, bước sóng của tín hiệu tỉ lệ nghịch với năng lượng của nó. Nói cách khác, bước sóng càng dài thì năng lượng càng thấp và ngược lại. Bức xạ TIR có bước sóng dài hơn bức xạ khả kiến, NIR và SWIR. Do đó, tín hiệu TIR có năng lượng thấp hơn bức xạ phản xạ.
Phải có đủ năng lượng đến máy dò để thực hiện phép đo. Điều này đặc biệt quan trọng vì ở nhiệt độ môi trường xung quanh, các đặc điểm của Trái đất phát ra trong vùng LWIR và bước sóng dài hơn có nghĩa là ít năng lượng hơn. Do đó, các thành phần máy dò phải đủ lớn để thu được đủ năng lượng đáp ứng các yêu cầu về tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu.
Tóm lại, các cảm biến phải quan sát các khu vực rộng lớn trên bề mặt Trái đất để có thể phát hiện được bức xạ hồng ngoại nhiệt. Các thành phần phát hiện lớn hơn dẫn đến các dải nhiệt có độ phân giải không gian thô hơn các dải quang học.
Hình ảnh vệ tinh nhiệt được thể hiện trực quan như thế nào?
Không giống như bức xạ nhìn thấy được, mắt chúng ta không nhạy cảm với bức xạ nhiệt. Do đó, không có cách “tự nhiên” nào để biểu diễn hình ảnh vệ tinh nhiệt. Do đó, hình ảnh nhiệt có thể được biểu diễn theo nhiều cách khác nhau.
Ví dụ phổ biến nhất, ảnh vệ tinh nhiệt thường dùng màu sắc như đỏ, cam, vàng, và xanh lam để biểu diễn mức nhiệt độ khác nhau.
- Đỏ, cam: Vùng có nhiệt độ cao hơn (phát ra nhiều bức xạ nhiệt).
- Xanh dương, tím: Vùng có nhiệt độ thấp hơn (phát ra ít bức xạ nhiệt).
- Trắng: Điểm nóng cực đại trong hình ảnh.
Hoặc ảnh vệ tinh nhiệt có thể được hiển thị bằng sắc độ từ đen đến trắng
- Trắng sáng: Khu vực phát ra nhiều nhiệt.
- Đen tối: Khu vực phát ra ít nhiệt.
Hình ảnh vệ tinh nhiệt có bị ảnh hưởng bởi mây không?
Có. Bước sóng hồng ngoại không thể xuyên qua mây. Mây chứa các giọt nước hấp thụ bức xạ hồng ngoại.
Do đó, việc thu thập nhiệt độ đất một cách nhất quán bằng hình ảnh vệ tinh nhiệt bị hạn chế ở những khu vực thường xuyên có mây bao phủ.
Hình ảnh vệ tinh nhiệt có bị ảnh hưởng bởi khói không?
Không. Bức xạ hồng ngoại có thể xuyên qua khói, khiến hình ảnh vệ tinh nhiệt trở nên có giá trị trong việc theo dõi và phát hiện đám cháy.
Hình ảnh vệ tinh nhiệt không chỉ đơn thuần là công cụ đo nhiệt độ bề mặt, mà còn là một cánh cửa mở ra những hiểu biết mới về môi trường, khí hậu và cách chúng ta tương tác với hành tinh này. Từ việc phát hiện cháy rừng đến giám sát tác động của biến đổi khí hậu, dữ liệu nhiệt đóng vai trò trung tâm trong việc đưa ra các quyết định thông minh và bền vững. Việc nắm vững giá trị và ứng dụng của hình ảnh nhiệt chính là bước tiến quan trọng hướng tới một tương lai mà khoa học và công nghệ được tối ưu hóa để bảo vệ Trái Đất.
