1.3 Parametri che intervengono sui meccanismi di emissione
1.3.2 L’immagine termica ed il concetto di emissività
Le camere ed i sensori con risoluzione spettrale nell’IR termico catturano la radianza del target che si sta osservando, definita in tutte e tre le possibili componenti della radiazione elettromagnetica: riflessa, emessa, e trasmessa. Analizziamo la figura seguente: essa mostra tre lattine di metallo (una calda, una fredda ed una a temperatura ambiente) con una striscia di nastro isolante su di ognuna.
Figura 13: tre lattine di alluminio con superficie parzialmente ossidata ed una striscia di nastro isolante. La lattina di sinistra è calda, quella a destra fredda e quella al centro è a temperatura ambiente.
L’immagine di sinistra è nel campo del visibile mentre quella di destra è nel campo dell’infrarosso. La superficie metallica e il nastro sono alla stessa temperatura in tutti e tre i casi ma nell’immagine a infrarossi si può notare come
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il nastro sembri più caldo della superficie di metallo della lattina calda ed allo stesso tempo sembri più freddo della superficie di metallo della lattina fredda. Tutto ciò è dovuto al fatto che il nastro isolante ha una emissività superiore rispetto alla superficie metallica, il ché significa che il nastro ha una maggiore efficienza come radiatore rispetto al metallo che, a sua volta, ha una riflettività superiore rispetto al nastro. Così il nastro indica la temperatura in maniera più precisa, mentre il metallo indica, con una migliore approssimazione, la temperatura dell’ambiente circostante e quindi ciò che è riflesso dalla lattina. Perciò, se la lattina è più calda che lo sfondo, il nastro sembra più caldo rispetto al metallo, ma se la lattina è più fredda dello sfondo il nastro sembra più freddo del metallo. Se la temperatura della lattina è la stessa dello sfondo (inteso come la temperatura dell’ambiente) allora il nastro e il metallo hanno lo stesso aspetto (Mazza, 2009).
Ciò che “misura” quanta parte della radiazione elettromagnetica è emessa e quanta è “affetta” da componenti riflessive e/o trasmesse è il coefficiente di emissività o semplicemente emissività (ε).
L’emissività, già introdotta analiticamente al paragrafo 1.2.1, è la proprietà caratteristica di un mezzo materiale di emettere una radiazione elettromagnetica; si definisce (Brivio, Zani, 1995) come il rapporto tra la radiazione emessa da una superficie e quella emessa da una pari superficie di un corpo nero alla stessa temperatura.
Essendo l’emissività un rapporto fra due energie simili essa è una grandezza adimensionale, i cui valori possono teoricamente variare da 0 a 1. Un’emissività pari ad 1 significa che il materiale può assorbire tutta l’energia incidente e successivamente emetterla, con un comportamento di corpo nero. In tal caso, la misura della temperatura radiante coincide con la temperatura reale (o cinetica). Un’emissività pari a zero implica che il corpo non assorbe nessuna radiazione all’interno dello spettro elettromagnetico. Questo sarebbe il caso di un riflettore ideale o, per contrario, di un ideale corpo bianco.
Se l’emissività non è selettiva, vale a dire non dipende dalla lunghezza d’onda ed è minore di 1, si parla di corpo grigio (Brivio, Zani, 1995).
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Ovviamente, i materiali naturali non sono né emettitori ideali né riflettori ideali. Sebbene la maggior parte delle superfici naturali abbia un’emissività piuttosto elevata, 0.9 o superiore, vi sono materiali, come il metallo levigato, che possono mostrare valori di emissività ben più bassi (Appendice A).
Dal momento che i corpi naturali non riescono né ad assorbire tutta l’energia incidente né ad emettere tutta quella immagazzinata, i loro valori di emissività sono sempre inferiori a 1, e la temperatura radiante misurata è sempre minore dell’attuale temperatura cinetica (superficiale) registrata in situ.
L’emissività di un corpo è una grandezza dinamica e varia con la lunghezza d’onda, la composizione del materiale e la geometria superficiale.
Per superfici di grandi dimensioni, l’emissività può variare sia spazialmente che temporalmente. Per calcolare la temperatura cinetica di un corpo basandosi sulla temperatura radiante rilevata da satellite, è necessario specificare l’emissività spettrale (ελ) corrispondente alla lunghezza d’onda di acquisizione. La dipendenza
dalla lunghezza d’onda dell’emissività assume un ruolo rilevante in quanto, solitamente, i dati termici sono acquisiti all’interno di una vasta gamma spettrale (ad esempio 8-14 µm) e non ad una singola lunghezza d’onda.
Per i calcoli, si deve quindi utilizzare un valore di emissività medio o comunque integrato su tutto l’intervallo di lunghezze d’onda considerato.
Solitamente i valori di emissività pubblicati (Appendice A) sono quindi dei valori medi e non possono rappresentare con cura il valore reale di emissività ad una particolare lunghezza d’onda.
Spesso si fa riferimento all’emissività direzionale ελ(θ’,υ’), che viene definita per
una superficie reale, omogenea ed isoterma, come il rapporto tra la radianza reale emessa Lλ(θ’,υ’) e quella che sarebbe emessa da una superficie di corpo nero
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Anche la composizione della superficie di uscita è un fattore determinante per la stima della ε
,
infatti un sottile strato di superficie, come ad esempio l’umidità del suolo nudo, una pellicola di olio in acqua, del muschio su una roccia o uno strato di ruggine su corpi metallici possono cambiare completamente il valore numerico dell’emissività di una superficie.Allo stesso modo interviene la rugosità della superficie stessa. Infatti, per lo stesso materiale l’emissività risulterà assai maggiore se la superficie è ruvida piuttosto che levigata. Anche la forma della superficie influenza la variabilità di ε.
Spesso, per conformazione, la superficie oggetto del rilievo è rappresentata da più valori di emissività non rilevabili perché contenuti entro la risoluzione spaziale del sistema d’acquisizione: in questo caso si parla di sub-pixel variation emissivity, che risulta difficilmente stimabile.
In aggiunta, si deve considerare che anche le variazioni temporali di temperatura cinetica di un corpo possono modificare la sua emissività.
A causa di tutti questi fattori, e della difficoltà insita nella misurazione, le stime dei valori di emissività di un corpo sono solo delle approssimazioni ai valori reali e perciò debbono essere usate con cautela nelle elaborazioni numeriche.
Se sommiamo a queste incertezze sulla stima dell’emissività anche quelle causate da una complicata modellazione dell’influenza degli effetti atmosferici e quelle dovute alla componente solare riflessa nei dati termici, si può capire come l’estrarre temperature cinetiche da immagini satellitari, benché termiche, sia estremamente difficile. Fortunatamente, in molte delle applicazioni in cui si utilizza il rilevamento dell’infrarosso, la stima esatta della temperatura non è così importante come conoscere la differenza di temperatura relativa tra l’ambiente circostante e l’oggetto della rilevazione.