DÂY LƯNG & VÍ DA CHẤT LƯỢNG CAO THƯƠNG HIỆU H2


BÀI GIẢNG ENVI



Bộ giáo trình đầy đủ về sử dụng ENVI độc giả tải về tại đây: DOWNLOAD

Hệ thống định vị tàu biển ECDIS


Tổng quan
Biểu đồ điện tử hiển thị và hệ thống thông tin (ECDIS) là hệ thống định vị dựa trên máy tính tích hợp thông tin từ GPS và hệ thống nhận dạng tự động (AIS). Giải pháp ECDIS kết hợp HMI của Advantech, sản phẩm UNO và EKI tạo ra một giải pháp định vị đáng tin cậy cho các loại tàu biển .
Sự thành công quan trọng của ứng dụng này là tính linh hoạt của nó sẽ được áp dụng trong một số lĩnh vực:
Ứng dụng
Chìa khóa cho ứng dụng này là chắc chắn, nhỏ gọn và nền tảng máy tính UNO không quạt , cho phép các giải pháp tích hợp cho giao tiếp, chẳng hạn như vị trí / số liệu giám sát giữa các máy tính và dữ liệu vệ tinh / máy chủ . Hiển thị FPM được sử dụng trong ứng dụng này được chứng nhận với các mạch DNV cho chứng nhận hàng hải.
2008_wpc_transportation-2_p
Các yêu cầu chính cho giải pháp này là:
Sản phẩm
Fanless Platform
uno-2182_c
uno-2176_c
Intel® Core 2 Duo UNO with 2 x GbE, 4 x COM, DVI
Intel® Pentium® M/Celeron® M UNO with 2 x LAN, 6 x COM, 16 x DI/O
 LAN, 6 x COM, 16 x DI/O
DeviceServe
eki-1524_c
4-port RS-232/422/485 Serial Device Server
CCD Camera
3rd Party Products
CCD Camera

AIS Device & Antenna
3rd Party Products
AIS Device & Antenna
Echo Sunder/Gyroscope/Radar device
3rd PartyProducts
Echo Sunder/Gyroscope/Radar device

XÂY DỰNG ATLAS ĐIỆN TỬ TỔNG HỢP VIỆT NAM


Atlas, theo định nghĩa của nhà bản đồ học K.A.Xalissiep, là một sưu tập có hệ thống của các bản đồ địa lý theo một chương trình chung để tạo thành một sản phẩm nhất quán. Atlas có thể là loại chuyên đề tức là thể hiện về một vấn đề nào đó hoặc có thể là loại tổng hợp khi nó bao gồm các bản đồ nhiều chuyên đề tự nhiên, kinh tế xã hội khác nhau để khắc hoạ đặc điểm đối tượng địa lý trên nhiều khía cạnh. Ở Việt Nam, các bản đồ nói chung và Atlas nói riêng còn rất ít, chưa được đông đảo người dân biết đến…

I. TẠI SAO NÊN XÂY DỰNG ATLAS TỔNG HỢP CHO VIỆT NAM?
Là giáo viên của khoa Địa lý, mỗi năm đến kỳ chấm thi tuyển sinh Đại học, chúng ta lại gặp những điều “tưởng như đùa” : dù năm nào đề thi cũng có yêu cầu vẽ lược đồ Việt Nam, nhưng năm nào cũng nhận được hơn 70% là hình “củ khoai” và hơn nửa trong đó vị trí các địa danh chính của Việt Nam được chỉ ra lệch so với thực tế, từ ít như để Hà Nội ngang với Hải Phòng đến nhiều như cho Huế nằm dưới Nha Trang… Đau lòng nhưng không ngạc nhiên vì cứ nhìn vào các bản đồ trong sách giáo khoa mà các em được làm quen thì sẽ rõ: không có màu và chữ lại lem nhem theo kiểu “có cũng như không”…
Đó là đối với các học sinh được trực tiếp học địa lý, còn trong cuộc sống hằng ngày thì sao? Người ta thường có những câu hỏi rất phổ thông như: Sài Gòn đi Đắc Lắc bao xa, đi theo đường nào? Động Phong Nha thuộc tỉnh nào? Quần đảo Hoàng Sa, Trường Sa nằm đâu?… Thế nhưng không phải lúc nào cũng dễ dàng tìm thấy câu trả lời cho những câu hỏi ấy dù ngày nay người ta chìm ngập trong thông tin. Vậy vấn đề là ở đâu? Chính vì tràn ngập thông tin nên nảy sinh tâm lý ngán ngại đọc: nếu không thật sự bức bách, cần thiết, người ta sẽ không chịu khó ngồi đọc những bài dày đặc chữ viết và mô tả… Và kết quả là hình như người Việt Nam biết về Việt Nam ít quá.
Là những người công tác trong ngành giáo dục, chúng ta không mong gì hơn là đưa tri thức đến cho mọi người. Muốn vậy chúng ta phải tìm nhiều hình thức mới lạ để chuyển tải thông tin một cách hấp dẫn, phù hợp với tâm lý đông đảo quần chúng. Ví dụ, một số vấn đề về địa lý có thể trình bày theo công thức “bản đồ với màu sắc và phương pháp thể hiện trực quan +hình ảnh minh họa +biểu đồ +bài viết ngắn” thay cho các bài viết mô tả đơn điệu. Và nếu chúng ta xây dựng các bài học địa lý Việt Nam mang tính phổ thông như vậy về các chuyên đề tự nhiên, kinh tế xã hội khác nhau và tập hợp lại chúng ta sẽ có một tập bản đồ gọi là atlas tổng hợp, chuyển tải khá nhiều thông tin mà cũng không quá “khó nuốt”.
Ở đây cũng cần nhấn mạnh về tính hệ thống của atlas. Đây không đơn thuần là tập hợp các bản đồ khác nhau mà là một sự kết hợp có hệ thống. Ta có thể lấy hình tượng xâu chuỗi ngọc để làm ví dụ: nếu có một hộp gồm những viên ngọc rời rạc khác nhau về màu sắc và kích cỡ thì giá trị của chúng là tổng giá trị của các viên ngọc; nhưng nếu dùng một sợi chỉ để xâu chúng lại theo một thứ tự nhất định mang tính thẩm mỹ về độ lớn và màu sắc chúng ta sẽ có được một xâu chuỗi ngọc mà giá trị của nó tăng lên nhiều so với giá trị của hộp ngọc rời rạc kia. Trong một so sánh khập khiểng nào đó thì các bản đồ chính là các viên ngọc rời rạc được liên kết nhau thành atlas với tính chất, giá trị đặc biệt. Atlas tổng hợp phải gồm những bản đồ về các mặt tự nhiên, xã hội, được xây dựng trên một cơ sở toán thống nhất, sử dụng những phương pháp thể hiện và chỉ tiêu tổng quát hoá sao cho nội dung và hình thức mang tính nhất quán. Ngoài ra vì là atlas mang tính phổ thông đề truyền bá kiến thức rộng rãi nên phải xây dựng atlas với hình thức đẹp, hấp dẫn, nhiều hình ảnh, biểu đồ và bài giải thích đi kèm mỗi bản đồ. Được như vậy, atlas tổng hợp phổ thông sẽ thật sự là một bách khoa toàn thư về địa lý Việt Nam, cần thiết được ra đời và xứng đáng có trong tủ sách mỗi gia đình.
II. VÀ TẠI SAO LẠI LÀ “ĐIỆN TỬ”?
Khoa học máy tính ngày nay đã phát triển nhanh và chiếm một vai trò quan trọng, nó đã “len lỏi” vào và trở thành công cụ hữu hiệu trong nhiều ngành nghề, nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Sự kết hợp của máy tính và bản đồ là một ví dụ. Khoa học máy tính không chỉ thúc đẩy ngành bản đồ phát triển nhanh mà còn là một sự thăng hoa, tạo ra một hướng đi mới, một cuộc cách mạng thật sự trong ngành: sự ra đời của công nghệ GIS. Thật vậy, khi đưa bản đồ vào máy tính, người ta tạo ra một loại bản đồ mới – bản đồ số – với những ý niệm mới như “lớp”, “đối tượng”, “thuộc tính”…, có những đặc điểm và tính năng mới vượt hẳn khuôn khổ của bản đồ truyền thống trên giấy. Và atlas điện từ – electronic atlas (1)- có thể hiểu một cách nôm na là tập hợp của các bản đồ số như vậy. Nói một cách khác, atlas điện tử là atlas được xây dựng và sử dụng chủ yếu trên máy tính.
Chúng ta sẽ cùng lướt qua một số ưu điểm của atlas điện tử so với atlas truyền thống để có thêm dữ kiện trong việc chọn lựa một phương án phù hợp khi xây dựng atlas tổng hợp Việt Nam.
• Về mặt thể hiện: atlas điện tử có một thể hiện linh động và mang tính tương tác cao:
- Các thể hiện trên atlas như: màu, ký hiệu, kiểu chữa, phương pháp thể hiện, cách phân chia dữ liệu… đều cò thể được người sử dụng chọn lại theo ý muốn để phù hợp tối đa với từng yêu cầu cụ thể. Đặc biệt có chế độ làm sáng, nhấp nháy (Blinking) để làm nổi bật những đối tượng cần lưu ý hay muốn tìm kiếm.
- Ơû bản đồ truyền thống trên giấy, toàn bộ thông tin cần thiết đều phải được đưa lên trên một mặt giấy. Điều này sẽ là một vấn đề đối với nhà làm bản đồ: nếu quá nhiều thông tin cần đưa lên thì mặt giấy bản đồ không tải nổi, sẽ làm rối rắm, khó đọc, khó hiểu; nhưng nếu lược bỏ nhiều quá thì bản đồ sẽ thiếu thông tin.
Với bản đồ trên máy, thông tin được lưu trữ và thể hiện theo từng lớp, có thể được biểu diễn cụ thể hoặc “che dấu” tạm thời, hoặc dấu bớt một phần. Do đó giải quyết được mâu thuẫn cơ bản trong bản đồ về lượng thông tin >< tính dễ đọc của bản đồ: lượng thông tin trên bản đồ số là gần như không hạn chế mà vẫn không làm rối mắt người sử dụng. Ta hoàn toàn có thể đưa các hình thức thông tin sống động, đầy đủ vào trang bản đồ của atlas từ hình ảnh, biểu đồ đến cả những bài giới thiệu… một cách gần như không hạn chế.
- Bản đồ trên máy có thể được hiển thị ở các tỉ lệ khác nhau (zoom out, zoom in) và có thể kéo dịch (scroll) để xem các phần khác nhau trên một bản đồ lớn. Vì vậy ta không cần phải cắt bỏ các mảnh bản đồ trong atlas. Người sử dụng có thể được xem cùng một bản đồ với nhiều góc độ: xem toàn cảnh (tỉ lệ nhỏ) rồi xem chi tiết (tỉ lệ lớn) với mức độ lớn khác nhau một cách tuỳ ý.
- Trong hệ atlas điện tử, với sự hỗ trợ của máy tính, người ta có thể kết hợp các phương tiện khác như hình ảnh động, âm thanh.. để tăng hiệu quả thể hiện, tăng tính hấp dẫn (attractive) của atlas, điều mà atlas trên giấy không thể có được.
• Trong quá trình sử dụng, khai thác: nhờ lưu trữ dữ liệu ở dạng số và quản lý dữ liệu theo một hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS), atlas điện tử có thể thực hiện những tính năng phân tích đặc biệt mà atlas truyền thống không thể có:
- Thực hiện nhanh chóng, tự động và chính xác các phép thống kê số liệu, đo đạc chính xác tọa độ, chu vi, diện tích, khoảng cách…
- Truy cập ngẫu nhiên, tìm kiếm đối tượng thoả điều kiện cho trước (SQL). Nếu đối với một atlas trên giấy, việc tìm một địa danh đôi khi khá vất vả thì trong atlas điện tử, bằng lệnh tìm kiếm, ta có thể dễ dàng tìm thấy một đối tượng ngay cả khi địa danh ấy ta không biết tên chính xác hoàn toàn.
- Với SQL, ta có thể chọn lọc đối tượng theo một tiêu chuẩn cho trước, từ đó có thể thực hiện tổng quát hoá tự động dễ dàng và đúng chuẩn.
- Thực hiện các so sánh thể hiện biến đổi thuộc tính một đối tượng theo thời gian và không gian (trên các bản đồ khác nhau), có thể cho kết quả ở dạng số hay dạng biểu đồ.
- Cho phép thực hiện các phân tích chính xác để nhìn thấy khuynh hướng chung của dữ liệu, phân bố dữ liệu, dự đoán khuynh hướng phát triển chung; đưa ra các mô hình dữ liệu và thực hiện các bài toán ra quyết định với chức năng “what..if”; chồng lớp bản đồ để giải quyết các vấn đề tổng hợp như trong các bài toán quy hoạch, phân vùng…
Ở atlas truyền thống, dữ liệu được đưa ra một cách khách quan, sau đó người sử dụng dùng dữ liệu này để phân tích. Các phương pháp dùng trong phân tích bằng tay trong trường hợp này nhiều khi mang tính chủ quan, cảm tính. Với atlas điện tử, đi kèm theo dữ liệu là các chức năng phân tích khá khách quan, nhờ vậy, việc khai thác dữ liệu atlas thêm hữu hiệu.
- Atlas điện tử cho phép người sử dụng thực hiện hỏi đáp, tổ chức các trò chơi, đố nhau rất linh hoạt. Điều này sẽ lôi cuốn được nhiều người tham gia học và chơi theo atlas.
• Về mặt lưu trữ và quản lý: là một hệ thống thông tin trong máy, các dữ liệu của atlas điện tử rất dễ dàng được cập nhật, thêm bớt, sửa đổi mà không làm thay đổi cấu trúc chung và không đòi hỏi thời gian và tiền bạc nhiều như đối với atlas truyền thống (để thay đổi một chi tiết nhỏ cũng phải vẽ sửa in lại từ đầu). Vì vậy, việc cập nhật, hiệu đính atlas điện tử có thể thực hiện thường xuyên, bất kỳ lúc nào ta muốn; do đó, tính hiện đại và chính xác của atlas điện tử dễ dàng được đảm bảo.
Atlas trên đĩa cũng dễ bảo quản và vận chuyển (gọn, nhẹ, nhanh) –nhất là trong thời đại mạng máy tính phát triển như ngày nay-so với các atlas trên giấy cồng kềnh, dễ mốc, ướt, cháy…
• Về mặt sản xuất: nhờ vào quy trình theo công nghệ mới, giá thành atlas điện tử sẽ thấp hơn mà chất lượng lại nâng cao hơn so với atlas truyền thống tương ứng nhờ vào các yếu tố sau:
- Thời gian sản xuất được rút ngắn do nhiều công đoạn được lược bớt (biên tập ngay trên máy và cho ra ngay bản thanh vẽ, giảm bớt các công đoạn của quá trình chuẩn bị in, tách màu…).
- Giảm bớt nhiều vật tư sử dụng cho các sản phẩm trung gian. Giảm nhân lực tham gia sản xuất (do giảm nhiều công đoạn).
- Chất lượng nội dung đảm bảo đúng, chính xác nhờ việc thực hiện biên tập tại chỗ trên máy. Việc kiểm tra và sửa sai được thực hiện nhanh, gọn.
- Chất lượng hình thức cao, ít sai sót vì vẽ bằng máy, tách màu điện tử.
• Về mặt phân phối: hình thức xuất bản atlas khá linh động: có thể in ra giấy như atlas truyền thống (với số lượng ít bằng printer, plotter hay in cơ số nhiều sau khi chế bản) hoặc cung cấp ở dạng số dưới hình thức đĩa thường, CD. Atlas cũng có thể được cung cấp toàn bộ hoặc từng phần theo yêu cầu người mua… Những yếu tố này sẽ giúp việc phân phối atlas điện tử đến tay người tiêu dùng gặp nhiều thuận lợi.
Nói như vậy không có nghĩa là atlas điện tử chỉ toàn những ưu điểm. Như tất cả những sản phẩm mới trên máy, việc đưa ra atlas điện tử có thể gặp những trở ngại chung như: khó thông dụng trong điều kiện kinh tế xã hội chưa cao khi máy tính chưa phải đã có mặt trong mỗi hộ gia đình; việc phổ cập tin học thực tế chưa thực hiện được dẫn đến tâm lý ngán ngại sử dụng sản phẩm trên máy… Đây có lẽ chỉ là một khó khăn nhất thời nếu chúng ta nhìn vào tốc độ phổ biến của máy tính trong xã hội trong thập niên gần đây: từ chỗ không có ý niệm gì về computer trong những năm tám mươi đến ngày nay, máy tính đã trở thành rất quen thuộc đối với các em học sinh phổ thông, có mặt trong trong khá nhiều hộ gia đình trong thành phố. Và để giải quyết việc ngán ngại sử dụng do chưa thuần thục các thao tác trên máy, chúng ta cần xây dựng atlas cho nhiều cấp độ, mức độ sử dụng phục vụ cho nhiều trình độ và mục đích sử dụng khác nhau, hình thức atlas phải hấp dẫn, tận dụng multimedia để có âm thanh và hình ảnh sống động và phải có hệ thống menu đơn giản, dễ sử dụng… 

Chúng ta đã thấy CẦN nên có một atlas tổng hợp phổ thông như một bách khoa toàn thư cho mọi người và cũng đã thấy NÊN chọn hình thức nào cho atlas ấy. Vấn đề tiếp theo là bắt tay thực hiện. Với sự tham gia hợp tác “ba phía” giữa những nhà chuyên môn về khoa học máy tính –người làm bản đồ – và những người chuyên môn thuộc các lĩnh vực khác nhau từ tự nhiện đến kinh tế xã hội, chúng ta có quyền mơ ước và hy vọng đến sự ra đời của một atlas điện tử tổng hợp có tính phổ thông trong một tương lai không xa; mơ ước ngày đó trẻ em Việt Nam sẽ vui vẻ ngồi bên chiếc máy tính vui chơi tìm hiểu về đất nước Việt Nam thay vì chơi game bắn súng và mơ ước để người Việt Nam biết về đất nước mình nhiều hơn…

Xử lý ảnh vệ tinh với Envi (Enviroment for Visualizing Images)


snag-02một trong những phần mềm xử lý ảnh viễn thám hàng đầu, được thiết kế bởi Research System Inc, Mỹ. Phần mềm cung cấp các công cụ hiển thị dữ liệu và phân tích ảnh trong một môi trường thân thiện dễ sử dụng, đáp ứng các nhu cầu xử lý ảnh máy bay, ảnh vệ tinh.
ENVI được sử dụng để hiển thị, giải đoán ảnh viễn thám phục vụ, hỗ trợ công tác đo đạc, lập bình đồ.

envi
Hình. Trình đơn chính của ENVI
Ảnh vệ tinh được hiển thị trong ENVI bằng 3 cửa sổ hiển thị ảnh: Scroll, Main Image và Zoom Window, giúp cho việc hiển thị, thao tác được thuận tiện, dễ dàng.
snag-05
Hình. Cửa sổ Scroll (hiển thị tổng thể)
snag-03
Hình. Cửa sổ Main Image_cửa sổ chính có các trình đơn riêng
snag-06
Hình. Cửa sổ Zoom (hiển thị một phần nhỏ)
PM ENVI có các chức năng chính sau:
Đọc dữ liệu
ENVI hỗ trợ đọc dữ liệu của ảnh viễn thám và ảnh hàng không bao gồm ảnh toàn sắc, đa phổ, ảnh radar, ảnh lidar… ENVI cho phép người dùng đọc trên 70 định dạng dữ liệu khác nhau. Ngoài ra, ENVI còn cung cấp các công cụ hỗ trợ đọc trực tiếp dữ liệu ảnh từ các server của OGC(Open Geospatial Consortium) và JPIP(JPEG 2000 Interactive Protocol).
Thao tác với dữ liệu
Với ENVI người dùng có thể:
  • Trực chuẩn hóa ảnh
  • Đăng ký hai hay nhiều ảnh
  • Hiệu chỉnh ảnh hưởng khí quyển
  • Chồng xếp dữ liệu vector
  • Xác định vùng giao(ROIs)
  • Tạo mô hình số độ cao(DEM)
  • Thay đổi cỡ ảnh, quay, chuyển định dạng
Khám phá dữ liệu
ENVI cung cấp cho người dùng một giao diện thông minh để khám phá và hiển thị dữ liệu. Người dùng có thể sử dụng ENVI để khám phá nguồn dữ liệu đồ sộ và thông tin miêu tả (metadata) của nó, tạo hiệu ứng 3D, tạo hình ảnh chuyển động…
Phân tích dữ liệu
ENVI cung cấp bộ các công cụ hữu ích được xây dựng dựa trên các phương pháp khoa học đã được chứng minh giúp người dùng phân tích dữ liệu. Phân tích trong ENVI bao gồm:
  • Phân tích dữ liệu ảnh
  • Phân tích dữ liệu phổ
Chia sẻ dữ liệu
Với ENVI người dùng rất dễ dàng kết hợp các tiến trình công việc. Qua đó, cho phép người dùng chia sẻ bản đồ kết quả và các báo cáo. Chức năng “save as” của ENVI  sẽ hỗ trợ chuyển đổi và xuất dữ liệu. Dữ liệu có thể được xuất ra ở dạng vector hoặc raster chung nào đó, để trao đổi giữa nhiều người dùng khác nhau.

Bản chất của bức xạ điện từ mối liên hệ ngành viễn thám

Ánh sáng khả kiến là một hiện tượng phức tạp được giải thích kinh điển bằng một mô hình đơn giản dựa trên các tia truyền và mặt đầu sóng, khái niệm được nêu ra lần đầu tiên vào cuối những năm 1600 bởi nhà vật lí người Hà Lan Christiaan Huygens. Bức xạ điện từ, một gia đình rộng lớn hơn của những hiện tượng kiểu sóng mà ánh sáng khả kiến thuộc về nó (cũng còn gọi là năng lượng bức xạ), là phương tiện truyền năng lượng chủ yếu trong vũ trụ mênh mông. Cơ chế mà ánh sáng khả kiến được phát ra hoặc bị hấp thụ bởi các chất, và cách thức nó tác động lại dưới những điều kiện khác nhau khi truyền trong không gian và trong khí quyển, hình thành nên cơ sở cho sự tồn tại của màu sắc trong vũ trụ.
Thuật ngữ bức xạ điện từ, do James Clerk Maxwell đặt ra, xuất phát từ những tính chất điện và từ đặc trưng chung cho tất cả các dạng của loại năng lượng giống sóng này, như được biểu lộ bởi sự phát sinh cả trường dao động điện và từ khi sóng truyền trong không gian. Ánh sáng khả kiến chỉ đại diện cho một phần nhỏ của phổ bức xạ điện từ (như đã phân loại trong hình 1), trải ra từ các tia vũ trụ cao tần và tia gamma, qua tia X, ánh sáng cực tím, bức xạ hồng ngoại, và vi ba, cho tới các sóng vô tuyến bước sóng dài, tần số rất thấp.
Mối liên hệ giữa ánh sáng, điện và từ không rõ ràng ngay trước mắt những nhà khoa học buổi đầu làm thí nghiệm với những tính chất cơ bản của ánh sáng và vật chất. Ánh sáng hồng ngoại, có bước sóng dài hơn bước sóng ánh sáng đỏ khả kiến, là dạng “vô hình” đầu tiên của bức xạ điện từ được phát hiện. Nhà khoa học và thiên văn học người Anh William Herschel đã nghiên cứu sự liên đới giữa nhiệt và ánh sáng bằng một nhiệt kế và một lăng kính khi ông nhận thấy nhiệt độ đạt tới cao nhất trong vùng nằm ngoài phần đỏ của phổ ánh sáng khả kiến. Herschel cho rằng phải có một loại ánh sáng khác trong vùng này mà mắt người không nhìn thấy được.
Bức xạ cực tím, nằm ở phía bên kia của phổ khả kiến, được phát hiện bởi Wilhelm Ritter, một trong những nhà khoa học đầu tiên nghiên cứu năng lượng liên quan đến ánh sáng khả kiến. Bằng cách quan sát tốc độ mà các ánh sáng có màu khác nhau làm kích thích sự sẫm màu của một tờ giấy bạc thấm đẫm dung dịch bạc nitrat, Ritter phát hiện thấy một dạng vô hình khác của ánh sáng, nằm ngoài đầu xanh của quang phổ, có tốc độ này cao nhất.
Điện và từ được liên hệ với nhau lần đầu tiên vào năm 1820, khi nhà vật lí người Đan Mạch Hans Christian Oersted phát hiện thấy dòng điện chạy qua một dây dẫn có thể tạo ra sự lệch hướng của kim nam châm. Cũng vào cuối năm đó, nhà khoa học người Pháp Andrie Ampère, chứng minh được hai dây dẫn mang dòng điện có thể hút hoặc đẩy lẫn nhau theo kiểu giống như tương tác của các cực từ. Trong vài thập niên sau đó, các nghiên cứu khác theo hướng này không ngừng tạo ra những bằng chứng cho thấy điện và từ có quan hệ gần gũi với nhau.
Cuối cùng, vào năm 1865, nhà khoa học người Scotland, James Clerk Maxwell đã mở rộng thuyết động học chất khí của ông về mặt toán học để giải thích mối liên hệ giữa điện và từ. Maxwell cho rằng hai hiện tượng quan hệ gần gũi đó thường xuất hiện cùng nhau dưới dạng điện từ, và ông phát hiện thấy dòng điện biến thiên sẽ tạo ra các sóng gồm hai thực thể truyền vào không gian với tốc độ ánh sáng. Từ những quan sát này, ông kết luận ánh sáng khả kiến là một dạng của bức xạ điện từ.
Sóng điện từ di chuyển hay truyền theo hướng vuông góc với hướng dao động của cả vectơ điện trường (E) và từ trường (B), mang năng lượng từ nguồn bức xạ đến đích ở xa vô hạn. Hai trường năng lượng dao động vuông góc với nhau (như minh họa trên hình 2) và dao động cùng pha theo dạng sóng sin toán học. Các vectơ điện trường và từ trường không chỉ vuông góc với nhau mà còn vuông góc với phương truyền sóng. Để đơn giản hóa minh họa, người ta thường quy ước bỏ qua các vectơ biểu diễn điện trường và từ trường dao động, mặc dù chúng vẫn tồn tại.
Dù là tín hiệu truyền radio phát đi từ một đài phát thanh, nhiệt phát ra từ một lò lửa, tia X của nha sĩ dùng để chụp hình răng, hay ánh sáng khả kiến và cực tím phát ra từ Mặt Trời, các dạng khác nhau này của bức xạ điện từ đều có những tính chất sóng cơ bản và đồng nhất. Mỗi loại bức xạ điện từ, kể cả ánh sáng khả kiến, đều dao động theo kiểu tuần hoàn với những chỗ lồi và lõm, và biểu lộ một biên độ, bước sóng, và tần số đặc trưng, cùng với việc định rõ hướng truyền, năng lượng và cường độ của bức xạ.
Biểu đồ giản lược theo lối cổ điển của sóng điện từ được biểu diễn trên hình 2, minh họa tính chất sin của các thành phần vectơ dao động điện và từ khi chúng truyền trong không gian. Để cho tiện, đa số các minh họa biểu diễn bức xạ điện từ thường cố ý bỏ qua thành phần từ, chỉ biểu diễn vectơ điện trường là một sóng sin trong hệ tọa độ hai chiều x và y xác định. Người ta quy ước thành phần y của sóng sin biểu diễn biên độ của điện trường, còn thành phần x biểu diễn thời gian, khoảng cách truyền, hay mối quan hệ pha với một sóng sin khác.
Một số đo chuẩn của mọi bức xạ điện từ là độ lớn của bước sóng (trong chân không), thường dùng ở đơn vị nano mét (một phần ngàn của micromet) đối với phần ánh sáng khả kiến của quang phổ. Bước sóng được định nghĩa là khoảng cách giữa hai đỉnh (hay hai lõm) sóng liên tiếp của dạng sóng (xem hình 2). Tần số tương ứng của một sóng phát ra, là số chu kì sin (số dao động, hay số bước sóng) đi qua một điểm cho trước trong một giây, tỉ lệ với nghịch đảo của bước sóng. Như vậy, bước sóng càng dài ứng với bức xạ tần số càng thấp, và bước sóng càng ngắn ứng với bức xạ tần số càng cao. Tần số thường được biểu diễn bằng đơn vị hertz (Hz), hoặc chu kì/giây (cps).
Hertz được chọn làm đơn vị chuẩn của tần số bức xạ điện từ để ghi nhận kết quả nghiên cứu của nhà vật lí người Đức Heinrich Hertz, người đã thành công trong việc tự tạo ra và thực hiện thành công thí nghiệm với sóng điện từ vào năm 1887, tám năm sau khi Maxwell qua đời. Hertz đã tạo ra, thu nhận được, và còn đo được bước sóng (gần 1m) của bức xạ, ngày nay được phân vào nhóm tần số vô tuyến. David Hughes, một nhà khoa học sinh quán London, người là giáo sư âm nhạc trong buổi đầu sự nghiệp của mình, có lẽ mới thực sự là nhà nghiên cứu đầu tiên thành công trong việc truyền sóng vô tuyến (năm 1879), nhưng sau khi thuyết phục Hội Hoàng gia không thành, ông quyết định không công bố nghiên cứu của mình, và cũng không ai biết đến mãi cho tới nhiều năm sau này.
Các dạng phong phú của bức xạ điện từ có bước sóng và tần số khác nhau, nhưng về cơ bản giống nhau ở chỗ chúng truyền đi với vận tốc như nhau, khoảng chừng 186.000 dặm một giây (hoặc xấp xỉ 300.000 km một giây), một vận tốc thường được biết đến là tốc độ của ánh sáng (và được kí hiệu là c). Bức xạ điện từ (bao gồm cả ánh sáng khả kiến) truyền đi 149 triệu km (93 triệu dặm) từ Mặt Trời tới Trái Đất mất khoảng 8 phút. Trái lại, một ô tô chạy với tốc độ 100 km/h (60 dặm/h) cần đến 177 năm mới đi hết quãng đường trên. Chỉ trong một giây, ánh sáng có thể đi vòng quanh Trái Đất 7 lần.
Bước sóng của ánh sáng, và tất cả dạng khác của bức xạ điện từ, liên hệ với tần số bằng một phương trình tương đối đơn giản:
n = c/λ
trong đó c là tốc độ ánh sáng (m/s), n là tần số ánh sáng (Hz), λ là bước sóng ánh sáng (m). Từ mối liên hệ này, người ta có thể kết luận bước sóng ánh sáng tỉ lệ nghịch với tần số của nó. Một sự gia tăng tần số tạo ra sự giảm tương ứng bước sóng ánh sáng, với một độ tăng tương ứng dưới dạng năng lượng của các photon có trong ánh sáng. Khi đi vào một môi trường mới (như từ không khí đi vào thủy tinh hoặc nước), tốc độ và bước sóng ánh sáng giảm xuống, mặc dù tần số vẫn không thay đổi.
Dưới những điều kiện bình thường, khi truyền trong một môi trường đồng tính, như không khí hoặc chân không, ánh sáng truyền theo đường thẳng cho đến khi nó tương tác với môi trường hoặc vật liệu khác khiến nó đổi hướng, qua sự khúc xạ (bẻ cong) hoặc phản xạ. Cường độ ánh sáng cũng giảm do sự hấp thụ bởi môi trường. Nếu sóng ánh sáng truyền qua một khe hẹp hoặc lỗ nhỏ, thì chúng có thể bị nhiễu xạ hoặc phân tán (tán xạ) tạo nên hình ảnh nhiễu xạ đặc trưng. Phù hợp với định luật nghịch đảo bình phương nổi tiếng, cường độ (hay độ chói) của bức xạ điện từ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách mà chúng truyền đi. Như vậy, sau khi ánh sáng truyền đi hai lần một khoảng cách cho trước, thì cường độ của nó giảm đi bốn lần.
Ánh sáng khả kiến biểu hiện những tính chất sóng kinh điển, nhưng đồng thời cũng bộc lộ những tính chất có xu hướng hạt, thể hiện rõ ràng qua những thực thể có năng lượng và xung lượng (nhưng không có khối lượng), và được gọi là photon. Nguyên tử là nguồn phát ra mọi bức xạ điện từ, dù là loại nhìn thấy hay không nhìn thấy. Các dạng bức xạ năng lượng cao, như sóng gamma và tia X, sinh ra do những sự kiện xảy ra làm phá vỡ trạng thái cân bằng hạt nhân của nguyên tử. Bức xạ có năng lượng thấp, như ánh sáng cực tím, khả kiến và hồng ngoại, cũng như sóng vô tuyến và vi ba, phát ra từ những đám mây electron bao quanh hạt nhân hoặc do tương tác của một nguyên tử với nguyên tử khác. Những dạng bức xạ này xảy ra do thực tế các electron chuyển động trong những quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử sắp xếp vào những mức năng lượng khác nhau trong hàm phân bố xác suất của chúng. Nhiều electron có thể hấp thụ thêm năng lượng từ nguồn bức xạ điện từ bên ngoài (xem hình 3), kết quả là chúng nhảy lên mức năng lượng cao hơn vốn dĩ không bền.
Cuối cùng, electron “bị kích thích” giải phóng năng lượng thừa bằng cách phát ra bức xạ điện từ có năng lượng thấp hơn, và đồng thời rơi trở lại mức năng lượng bền trước đó của nó. Năng lượng của bức xạ phát ra bằng với năng lượng ban đầu electron hấp thụ trừ đi lượng nhỏ năng lượng bị thất thoát qua một số quá trình thứ cấp.
Các mức năng lượng bức xạ điện từ có thể thay đổi đáng kể phụ thuộc vào năng lượng của nguồn electron hoặc hạt nhân. Ví dụ, các sóng vô tuyến có năng lượng thấp hơn nhiều so với sóng vi ba, tia hồng ngoại, hoặc ánh sáng khả kiến, và tất cả các sóng này lại chứa ít năng lượng hơn ánh sáng tử ngoại, tia X và sóng gamma. Như một quy luật, các năng lượng bức xạ điện từ cao liên quan đến các bước sóng ngắn nhiều hơn các dạng bức xạ có năng lượng thấp. Mối liên hệ giữa năng lượng của một sóng điện từ và tần số của nó được cho bởi phương trình:
E = hn = hc/λ
trong đó E là năng lượng (kJ/mol), h là hằng số Planck, và các biến khác đã được định nghĩa ở phần trên. Theo phương trình này, năng lượng của sóng điện từ tỉ lệ trực tiếp với tần số của nó và tỉ lệ nghịch với bước sóng. Như vậy, khi tần số tăng (với sự giảm bước sóng tương ứng), thì năng lượng sóng điện từ tăng, và ngược lại. Các đặc trưng chọn lọc của các loại bức xạ điện từ khác nhau, như được định rõ bởi bước sóng, tần số và các mức năng lượng của nó, sẽ lần lượt được trình bày trong phần sau đây.
Mặc dù bức xạ điện từ thường được mô tả bằng bước sóng và tần số của dạng sóng, nhưng những tính chất đặc trưng khác cũng quan trọng khi xem xét cách thức sóng truyền trong không gian. Hình 4 biểu diễn các dạng sóng khác nhau tiêu biểu cho các trạng thái phổ biến thường được dùng để mô tả mức độ đồng đều của bức xạ điện từ. Do ánh sáng khả kiến là loại bức xạ được nói tới nhiều nhất, nên các ví dụ minh họa trong hình 4 miêu tả các bước sóng trong vùng phổ này. Ví dụ, ánh sáng đơn sắc gồm các sóng có cùng bước sóng và tần số, hay ở cấp độ vĩ mô, có cùng màu trong ánh sáng khả kiến. Trái lại, ánh sáng khả kiến đa sắc thường xuất hiện dưới dạng ánh sáng trắng do sự đóng góp của hỗn hợp tất cả hay đa số các bước sóng nằm trong vùng phổ từ 400 đến 700 nanomet.
Khi ánh sáng không phân cực (hình 4), các vectơ điện trường dao động trong mọi mặt phẳng nằm vuông góc với hướng truyền sóng. Ánh sáng phản xạ từ một bề mặt phẳng tại góc tới hạn, hoặc truyền qua các bộ lọc phân cực, sẽ định hướng theo mặt phẳng phân cực, với tất cả các vectơ điện trường dao động trong một mặt phẳng vuông góc với hướng truyền sóng. Ánh sáng phát ra từ Mặt Trời, và đa số các nguồn phát ánh sáng khả kiến phổ biến như bóng đèn nóng sáng hoặc huỳnh quang, là không phân cực, còn ánh sáng nhìn qua các thấu kính phân cực của kính râm bị phân cực theo chiều đứng. Trong một số trường hợp, ánh sáng có thể bị phân cực elip hoặc phân cực tròn khi truyền qua những chất có nhiều hơn một chiết suất (các chất khúc xạ kép).
Đa số các nguồn sáng tự nhiên và nhân tạo phát ra ánh sáng không kết hợp, thể hiện nhiều mối quan hệ pha giữa các bước sóng có mặt trong quang phổ (hình 4). Trong trường hợp này, các đỉnh và lõm của các trạng thái dao động trong từng sóng không đồng bộ với nhau trong không gian hoặc thời gian. Ánh sáng kết hợp gồm các bước sóng đồng pha với nhau, và hành xử theo kiểu rất khác với ánh sáng không kết hợp đối với các tính chất quang học và tương tác với vật chất. Mặt đầu sóng do ánh sáng kết hợp tạo ra có các dao động đỉện và từ cùng pha, có góc phân kì thấp, và thường gồm ánh sáng đơn sắc hoặc các bước sóng có độ phân bố hẹp. Lser là nguồn phổ biến phát ra ánh sáng kết hợp.
Những sóng ánh sáng có đường đi đồng trục, tương đối không phân kì khi truyền trong không gian được gọi là chuẩn trực. Dạng có tổ chức này của ánh sáng không trải ra, hay không phân kì, một mức độ đáng kể trên những khoảng cách tương đối xa. Ánh sáng chuẩn trực tạo ra chùm tia rất sít sao, nhưng không cần thiết phải có dải bước sóng hẹp (không cần phải đơn sắc), một mối quan hệ pha chung, hoặc một trạng thái phân cực đã được định rõ. Mặt đầu sóng của ánh sáng chuẩn trực là mặt phẳng và vuông góc với trục truyền. Trái lại, ánh sáng phân kì, hay không chuẩn trực, lại trải ra một mức độ rộng khi truyền trong không gian, và phải cho đi qua một thấu kính hoặc một lỗ nhỏ mới làm cho nó chuẩn trực, hoặc hội tụ.
Tia gamma – Là bức xạ năng lượng cao có tần số cao nhất (và bước sóng ngắn nhất), tia gamma được phát ra do sự chuyển trạng thái bên trong hạt nhân nguyên tử, bao gồm hạt nhân của những chất phóng xạ (tự nhiên và nhân tạo) nhất định. Sóng gamma cũng phát ra từ các vụ nổ hạt nhân và các nguồn đa dạng khác trong không gian vũ trụ. Những tia uy mãnh này có khả năng đâm xuyên khủng khiếp và được báo cáo là có thể truyền qua 3 mét bêtông ! Mỗi photon tia gamma giàu năng lượng đến mức chúng dễ dàng được nhận ra, nhưng bước sóng cực kì nhỏ của chúng đã hạn chế các quan sát thực nghiệm về những tính chất sóng. Tia gamma phát ra từ những vùng nóng nhất của vũ trụ, bao gồm các vụ nổ sao siêu mới, sao neutron, pulsar và lỗ đen, truyền qua khoảng cách bao la trong không gian để đến Trái Đất. Dạng bức xạ năng lượng cao này có bước sóng ngắn hơn một phần trăm của nanomet (10 picomet), năng lượng photon lớn hơn 500 kiloelectron-volt (keV) và tần số mở rộng tới 300 exahertz (EHz).
Việc phơi ra trước tia gamma có thể gây ra các đột biến, các sai lạc nhiễm sắc thể, và còn hủy hoại tế bào, như thường quan sát thấy ở một số dạng bức xạ gây nhiễm độc khác. Tuy nhiên, bằng việc điều khiển sự phát tia gamma, các chuyên gia tia X có thể làm chủ các mức năng lượng cao để chiến đấu với bệnh tật và giúp điều trị một số dạng ung thư. Thiên văn học tia X là một ngành tương đối mới có nhiệm vụ thu thập các sóng năng lượng cao này để lập bản đồ vũ trụ như minh họa trên hình 5. Kĩ thuật này cho các nhà khoa học cơ hội quan sát các hiện tượng thiên thể ở xa trong cuộc tìm kiếm những khái niệm vật lí mới, và kiểm tra những lí thuyết không thể thử thách bằng những thí nghiệm thực hiện trên Trái Đất này.
Tia X – Bức xạ điện từ có tần số cao hơn vùng tử ngoại (nhưng thấp hơn tia gamma) được phân loại là tia X, và đủ uy mãnh để xuyên qua nhiều vật liệu, như các mô mềm của động vật. Tính đâm xuyên cao của các sóng uy mãnh này, cùng với khả năng phơi sáng nhũ tương nhiếp ảnh của chúng, đã đưa đến việc ứng dụng rộng rãi tia X trong y học, để nghiên cứu cấu trúc cơ thể người, và trong một số trường hợp khác, là phương tiện để chữa bệnh hoặc phẫu thuật. Giống như với tia gamma năng lượng cao, việc phơi ra không có điều khiển trước tia X có thể dẫn tới đột biến, sai lệch nhiễm sắc thể, và một số dạng hủy hoại tế bào khác. Phương pháp chụp ảnh vô tuyến truyền thống về cơ bản không gì hơn là thu lấy cái bóng của vật liệu đặc, chứ không phải chụp chi tiết hình ảnh. Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây trong kĩ thuật hội tụ tia X bằng gương đã mang lại những hình ảnh chi tiết hơn nhiều của các đối tượng đa dạng bằng việc sử dụng kính thiên văn tia X, kính hiển vi tia X và giao thoa kế tia X.
Các chất khí khí nóng trong không gian vũ trụ phát ra phổ tia X rất mạnh, chúng được các nhà thiên văn học sử dụng để thu thập thông tin về nguồn gốc và đặc trưng của các vùng nằm giữa các vì sao của vũ trụ. Nhiều thiên thể cực kì nóng, như Mặt Trời, lỗ đen, pulsar, chủ yếu phát ra trong vùng phổ tia X và là đối tượng nghiên cứu của thiên văn học tia X. Phổ tần số của tia X kéo dài ra một vùng rất rộng, với bước sóng ngắn nhất đạt tới đường kính của nguyên tử. Tuy nhiên, toàn bộ vùng phổ tia X nằm trên thang độ dài giữa gần 10 nanomét và 10 picomét. Vùng bước sóng này khiến cho bức xạ tia X là công cụ quan trọng đối với các nhà địa chất và hóa học trong việc mô tả tính chất của các chất kết tinh, chúng có đặc điểm cấu trúc tuần hoàn trên cỡ độ dài tương đương với bước sóng tia X.
Ánh sáng tử ngoại – Thường được viết tắt (uv - ultraviolet), bức xạ tử ngoại truyền đi ở tần số chỉ trên tần số của ánh sáng tím trong phổ ánh sáng khả kiến. Mặc dù đầu năng lượng thấp của vùng phổ này liền kề với ánh sáng khả kiến, nhưng các tia tử ngoại ở đầu tần số cao trong ngưỡng tần số của chúng có đủ năng lượng để giết chết tế bào, và tạo ra sự phá hủy mô nghiêm trọng. Mặt Trời là một nguồn phát bức xạ tử ngoại không đổi, nhưng bầu khí quyển của Trái Đất (chủ yếu là các phân tử ozon) đã ngăn chặn có hiệu quả phần lớn các bước sóng ngắn của dòng bức xạ có khả năng gây chết chóc này, do đó tạo được môi trường sống thích hợp cho cây cối và động vật. Năng lượng photon trong tia tử ngoại đủ để làm ion hóa các nguyên tử từ một số phân tử khí trong khí quyển, và đây là quá trình mà tầng điện li được tạo ra và duy trì liên tục. Mặc dù một liều nhỏ ánh sáng có năng lượng tương đối cao này có thể xúc tiến việc tổng hợp vitamin D trong cơ thể, và ít làm sạm da, nhưng quá nhiều bức xạ tử ngoại có thể dẫn tới sự cháy sạm da nghiêm trọng, làm hỏng võng mạc vĩnh viễn, và gây ra ung thư da.
Ánh sáng tử ngoại được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị khoa học để khảo sát tính chất của những hệ hóa học và sinh học phong phú, và nó cũng quan trọng trong các quan trắc thiên văn về hệ mặt trời, thiên hà, và các phần khác của vũ trụ. Các vì sao và những thiên thể nóng khác là những nguồn phát mạnh ra bức xạ tử ngoại. Phổ bước sóng tử ngoại trải từ khoảng 10 đến xấp xỉ 400 nanomét, có năng lượng photon từ 3,2 đến 100 eV. Loại bức xạ này có ứng dụng trong việc xử lí nước và thực phẩm, là tác nhân diệt khuẩn, là xúc tác quang học giữ các hợp chất, và được dùng trong điều trị y khoa. Hoạt động sát trùng của ánh sáng tử ngoại xảy ra ở những bước sóng dưới 290 nanomét. Việc ngăn chặn và lọc các hợp chất dùng trong các mỹ phẩm dành cho da, kính mát, và cửa sổ đổi màu, là điều khiển sự phơi sáng trước ánh sáng tử ngoại đến từ Mặt Trời.
Một số côn trùng (nhất là ong mật) và chim chóc có thị giác đủ nhạy trong vùng tử ngoại để phản ứng lại những bước sóng dài, và có thể dựa vào khả năng này để điều hướng. Con người bị giới hạn thị giác với bức xạ tử ngoại, do giác mạc hấp thụ các bước sóng ngắn, và thủy tinh thể của mắt hấp thụ mạnh các bước sóng dài hơn 300 nanomét.
Ánh sáng khả kiến – Các màu cầu vồng liên quan đến phổ ánh sáng khả kiến chỉ đại diện cho khoảng 2,5% của toàn bộ phổ điện từ, và gồm các photon có năng lượng từ xấp xỉ 1,6 đến 3,2 eV. Màu sắc tự nó không phải là tính chất của ánh sáng, mà nhận thức về màu sắc xảy ra qua phản ứng kết hợp của hệ cảm giác dây thần kinh não – mắt người. Vùng nhìn thấy của phổ điện từ nằm trong một dải tần số hẹp, từ xấp xỉ 384 đến 769 terahertz (THz) và được nhận biết dưới dạng màu từ màu đỏ đậm (bước sóng 780nm) đến màu tím đậm (400nm).
Màu đỏ năng lượng thấp, bước sóng dài (622 – 780nm) theo sau trong chuỗi màu là màu cam (597 – 622nm), vàng (577 – 597nm), lục (492 – 577nm), lam (455 – 492nm), và cuối cùng là màu tím năng lượng tương đối cao, bước sóng ngắn (từ 455nm trở xuống). Một cách giúp ghi nhớ thứ tự (theo chiều tăng tần số) của các màu trong phổ ánh sáng khả kiến là ghi nhớ câu “đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím” [ở những nước sử dụng tiếng Anh, họ dùng các từ viết tắt ROY G BIV (Red, Orange, Yellow, Green, Blue, Indigo, Violet)], như người ta đã dạy cho hàng triệu học sinh trong các nhà trường trong một thế kỉ qua (mặc dù một số nhà khoa học không còn coi màu chàm là một màu cơ bản nữa).
Việc phân chia phổ ánh sáng khả kiến thành các vùng màu dựa trên tính chất vật lí là dễ hiểu, nhưng cách mà màu sắc được cảm nhận thì không rõ ràng được như vậy. Nhận thức về màu sắc là kết quả của sự phản ứng mang tính chủ quan của hệ cảm giác của con người với những vùng tần số phong phú của phổ khả kiến, và những kết hợp đa dạng của các tần số ánh sáng có thể tạo ra cùng một phản ứng thị giác “nhìn thấy” một màu cụ thể nào đó. Ví dụ, con người có thể cảm nhận được màu lục, khi phản ứng với sự kết hợp của ánh sáng có vài màu sắc khác nhau, nhưng trong đó không nhất thiết phải có chứa bước sóng “lục”.
Ánh sáng khả kiến là cơ sở cho mọi sự sống trên Trái Đất, và nó được bắt bởi những nhà máy nguyên thủy hay các sinh vật tự dưỡng, như cây xanh chẳng hạn. Những thành viên cơ sở này của chuỗi thức ăn sinh vật khai thác ánh sáng Mặt Trời như một nguồn năng lượng dùng cho việc sản xuất thức ăn riêng và những viên gạch cấu trúc sinh hóa của chúng. Đáp lại, các sinh vật tự dưỡng giải phóng sản phẩm là khí oxi, thứ chất khí mà mọi động vật đều cần đến.
Vào năm 1672, ngài Isaac Newton đã nghiên cứu tương tác của ánh sáng khả kiến với lăng kính thủy tinh và lần đầu tiên nhận thấy ánh sáng trắng thật ra là hỗn hợp của các ánh sáng khác nhau đại diện cho toàn bộ phổ ánh sáng khả kiến. Ánh sáng phát ra từ các nguồn nóng sáng tự nhiên và nhân tạo phong phú như Mặt Trời, các phản ứng hóa học (như lửa), và các dây tóc volfram nóng sáng. Phổ phát xạ rộng của các nguồn thuộc loại này thường được gọi là bức xạ nhiệt. Các nguồn phát ánh sáng khả kiến khác, như ống phóng điện khí, có khả năng phát ra ánh sáng trong ngưỡng tần số hẹp, hoàn toàn xác định (tương ứng với một màu) phụ thuộc vào sự chuyển mức năng lượng đặc biệt trong các nguyên tử chất nguồn. Sự cảm nhận mạnh mẽ về một màu nào đó cũng là do sự hấp thụ, phản xạ hoặc sự truyền đặc trưng của chất và vật được rọi sáng bằng ánh sáng trắng. Phổ hấp thụ ánh sáng khả kiến – tử ngoại của một loại thuốc nhuộm tổng hợp phổ biến, Iris Blue B, được minh họa trong hình 6. Dung dịch phân tử hữu cơ có màu sắc rực rỡ này hấp thụ ánh sáng trong cả vùng khả kiến và tử ngoại của quang phổ, và xuất hiện trước đa số mọi người dưới màu xanh vừa phải.
Bức xạ hồng ngoại – Thường được viết tắt là IR (Infrared Radiation), dải bước sóng hồng ngoại trải rộng từ phần ngoài vùng đỏ của phổ ánh sáng khả kiến (khoảng 700 – 780nm) đến bước sóng khoảng 1mm. Với năng lượng photon từ xấp xỉ 1,2 milielectron-volt (meV) đến dưới 1,7 eV một chút. Sóng hồng ngoại có tần số tương ứng từ 300 gigahertz (GHz) đến xấp xỉ 400 terahertz (THz). Loại bức xạ này liên quan đến vùng nhiệt, nơi ánh sáng khả kiến không nhất thiết phải có mặt. Ví dụ, cơ thể người không phát ra ánh sáng khả kiến, mà phát ra các bức xạ hồng ngoại yếu, có thể được cảm nhận và ghi lại dưới dạng nhiệt. Phổ phát xạ bắt đầu tại khoảng 3000 nanomét và trải ra ngoài vùng hồng ngoại xa, đạt cực đại tại xấp xỉ 10.000 nanomét.
Phân tử của tất cả các đối tượng tồn tại trên không độ tuyệt đối (- 273 độ Celsius) đều phát ra tia hồng ngoại, và lượng phát xạ nói chung là tăng theo nhiệt độ. Khoảng chừng phân nửa năng lượng điện từ của Mặt Trời được phát ra trong vùng hồng ngoại, và các thiết bị trong nhà như bếp lò và bóng đèn cũng phát ra lượng lớn tia hồng ngoại. Bóng đèn dây tóc volfram nóng sáng là thiết bị phát sáng không hiệu quả lắm, thực ra chúng phát nhiều sóng hồng ngoại hơn sóng khả kiến.
Dụng cụ phổ biến dựa trên việc dò bức xạ hồng ngoại là các kính nhìn đêm, các máy dò điện tử, các bộ cảm biến trên vệ tinh và trên máy bay, và những thiết bị thiên văn. Cái gọi là tên lửa tầm nhiệt do quân đội sử dụng được dẫn đường bằng máy dò hồng ngoại. Trong vũ trụ, các bước sóng bức xạ hồng ngoại lập nên bản đồ đám bụi thiên thể giữa các sao, như được chứng minh bằng mảng tối lớn nhìn thấy từ Trái Đất khi quan sát Dải Ngân hà. Trong gia đình, bức xạ hồng ngoại giữ vai trò quen thuộc khi sẩy khô quần áo, cũng như cho phép điều khiển từ xa hoạt động của những cánh cửa đóng mở tự động và những đồ giải trí trong nhà.
Việc chụp ảnh hồng ngoại khai thác trong vùng phổ hồng ngoại gần, ghi hình trên những tấm phim đặc biệt, có ích trong ngành pháp lí, cảm biến từ xa (khảo sát rừng chẳng hạn), phục hồi tranh vẽ, chụp ảnh qua vệ tinh, và các ứng dụng theo dõi quân sự. Thật kì lạ, hình chụp hồng ngoại của kính mát và những bề mặt quang học khác có phủ chất lọc ánh sáng tử ngoại và khả kiến hiện ra trong suốt, và để lộ đôi mắt phía sau thấu kính có vẻ mờ đục. Phim chụp ảnh hồng ngoại không ghi lại sự phân bố bức xạ nhiệt do nó không đủ nhạy với những bức xạ có bước sóng dài (hồng ngoại xa). Trên hình 7 là một vài hình chụp qua vệ tinh cảm biến hồng ngoại của hai thành phố ở Mĩ và ngọn núi Vesuvius ở Italia.
Sóng vi ba – Hiện nay là cơ sở cho một công nghệ phổ biến dùng trong hàng triệu hộ gia đình để đun nấu thức ăn, phổ bước sóng vi ba trải từ xấp xỉ 1mm đến 30cm. Sự hấp dẫn của việc sử dụng vi sóng đun nấu thức ăn là do trường hợp ngẫu nhiên mà các phân tử nước có mặt trong đa số loại thực phẩm có tần số cộng hưởng quay nằm trong vùng vi sóng. Ở tần số 2,45 GHz (bước sóng 12,2cm), các phân tử nước hấp thụ hiệu quả năng lượng vi sóng và rồi bức xạ phung phí dưới dạng nhiệt (hồng ngoại). Nếu sử dụng bình làm từ vật liệu không chứa nước để đựng thức ăn trong lò vi sóng, thì chúng vẫn có xu hướng vẫn mát lạnh, đó là một tiện lợi đáng kể của việc nấu nướng bằng vi sóng.
Sóng vi ba được tạo thành từ các sóng vô tuyến tần số cao nhất, được phát ra bởi Trái Đất, các tòa nhà, xe cộ, máy bay và những đối tượng kích thước lớn khác. Ngoài ra, bức xạ vi ba mức thấp tràn ngập không gian, nó được xem là giải phỏng bởi Big Bang khi khai sinh ra vũ trụ. Các sóng vi ba tần số cao là cơ sở cho kĩ thuật radar, viết tắt của cụm từ RAdio Detecting And Ranging (Dò và tầm vô tuyến), kĩ thuật phát và thu nhận dùng theo dõi những đối tượng kích thước lớn và tính toán vận tốc và khoảng cách của chúng. Các nhà thiên văn sử dụng bức xạ vi ba ngoài Trái Đất để nghiên cứu Dải Ngân hà và những thiên hà lân cận khác. Một lượng đáng kể thông tin thiên văn có nguồn gốc từ việc nghiên cứu một bước sóng phát xạ đặc biệt (21cm, hoặc 1420 MHz) của các nguyên tử hydrogen không tích điện, chúng phân bố rộng khắp trong không gian.
Sóng vi ba cũng được dùng trong truyền phát thông tin từ Trái Đất lên vệ tinh nhân tạo trong các mạng viễn thông rộng lớn, chuyển tiếp thông tin từ các trạm phát mặt đất đi những khoảng cách xa, và lập bản đồ địa hình. Thật ngạc nhiên, một số thí nghiệm điện từ đầu tiên sắp đặt bởi Heinrich Hertz, Jagadis Chandra Bosevà Guglielmo Marconi (cha đẻ của kĩ thuật vô tuyến hiện đại) được thực hiện bằng bức xạ nằm trong hoặc gần vùng vi sóng. Những ứng dụng quân sự ban đầu sử dụng một băng thông hẹp và tăng cường điều biến băng thông bằng các vi sóng có khả năng hội tụ, chúng khó bị ngăn chặn và chứa một lượng thông tin tương đối lớn. Có một số tranh cãi trong cộng đồng khoa học về khả năng gây hại cho sức khỏe, như gây ung thư, phá hủy mô, liên quan tới bức xạ vi sóng liên tục và lũy tích lâu ngày phát ra từ các tháp điện thoại, rò rĩ lò vi sóng, và hành động đặt điện thoại di động ở vị trí gần não trong lúc sử dụng.
Sóng vô tuyến – Phần tần số vô tuyến có xu hướng mở rộng của phổ điện từ gồm các bước sóng từ khoảng 30cm đến hàng nghìn kilomét. Bức xạ trong vùng này chứa rất ít năng lượng, và giới hạn trên về tần số (khoảng 1GHz) xảy ra tại cuối dải tần, nơi phát chương trình vô tuyến và truyền hình bị hạn chế. Tại những tần số thấp như vậy, photon (hạt) đặc trưng của bức xạ không biểu kiến, và sóng có vẻ truyền năng lượng theo kiểu êm ả, liên tục. Không có giới hạn trên về mặt lí thuyết cho bước sóng của bức xạ tần số vô tuyến. Ví dụ, dòng điện biến thiên tần số thấp (60Hz) mang bởi dây dẫn có bước sóng khoảng 5 triệu mét (hay tương đương 3000 dặm). Sóng vô tuyến dùng trong truyền thông được điều biến theo một trong hai kiểu kĩ thuật phát: điều biến biên độ (AM) làm thay đổi biên độ sóng, và điều biến tần số (FM, xem hình 8) làm thay đổi tần số sóng. Sóng vô tuyến đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp, truyền thông, y khoa, và chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI).
Phần âm thanh và hình ảnh động của truyền hình truyền đi qua bầu khí quyển bằng các sóng vô tuyến ngắn có bước sóng dưới 1m, được điều biến giống hệt như phát thanh FM. Sóng vô tuyến cũng được tạo ra bởi các ngôi sao trong những thiên hà xa xôi, và các nhà thiên văn có thể dò ra chúng bằng những chiếc kính thiên văn vô tuyến chuyên dụng. Những sóng dài, bước sóng vài triệu dặm, được phát hiện đang phát về phía Trái Đất từ không gian sâu thẳm. Do tín hiệu quá yếu, nên các kính thiên văn vô tuyến thường được sắp thành dãy song song gồm nhiều ănten thu khổng lồ.
Bản chất của mối liên hệ giữa tần số (số dao động trong một đơn vị thời gian) và bước sóng (chiều dài của mỗi dao động) của ánh sáng trở nên rõ ràng khi nghiên cứu phạm vi rộng phổ bức xạ điện từ. Các bức xạ điện từ tần số rất cao, như tia gamma, tia X, và ánh sáng tử ngoại, có bước sóng rất ngắn và lượng năng lượng khổng lồ. Mặt khác, các bức xạ tần số thấp, như  ánh sáng khả kiến, hồng ngoại, sóng vi ba và sóng vô tuyến có bước sóng tương ứng dài hơn và năng lượng thấp hơn. Mặc dù phổ điện từ thường được mô tả trải ra trên 24 bậc độ lớn tần số và bước sóng, nhưng thực sự không có giới hạn trên hay giới hạn dưới nào đối với bước sóng và tần số của sự phân bố liên tục này của bức xạ.
Tác giả: Mortimer Abramowitz, Thomas J. Fellers và Michael W. Davidson

Bản quyền © Climate GIS, Chịu trách nhiệm xuất bản: Trần Văn Toàn, Mail: climategis@gmail.com, Hotline: +84 979 91 6482