Fisica dell’Atmosfera e del Clima - UniTrento · 2016. 9. 22. · Radiazione elettromagnetica e...
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6. Radiazione atmosferica
Università degli studi di Trento Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio
Fisica dell’Atmosfera e del Clima
Prof. Dino ZardiDipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica
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Onde elettromagnetiche
Lunghezza d’onda λ
Periodo T
Frequenza ν = 1/T
Pulsazione ω = 2π/T=2πν
Numero d’onda k = 2π / λ
Celerità di propagazione (nel vuoto): c*= 2.998 108 m s-1
λ ⋅ ν = c*
λ
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Radiazione elettromagnetica e materia
Ogni molecola può assorbire o emettere energia sotto forma di onde elettromagnetiche.
Gli eventi di assorbimento/emissione possono esser interpretati in termini di assorbimento/emissione di fotoni associati all’onda.
L’energia associata ad ogni evento elementare di assorbimento/emissione di un fotone associato a un’onda di frequenza νè pari a:
dove h = 6.626 10-34 J s è la costante di Plank e .
λων
∗
=== hchW h
π2
h=h
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Una molecola isolata può assorbire/emettere solo multipli di un quanto di energia corrispondenti ai “salti” fra i livelli energetici degli orbitali elettronici, oppure a moti corrispondenti agli altri o gradi di libertà della molecola, come moti di vibrazione o rotazione.
Per questo lo spettro di emissione/assorbimento presenta delle caratteristiche “righe”. La combinazione degli scambi associati ai diversi gradi di libertà determina l’aggregazione di queste righe in bande (clusters).
L’assorbimento di radiazione può anche produrre la scomposizione di molecole negli atomi degli elementi che le compongono.
Esempio: la fotodissociazione dell’ossigeno
La radiazione più energetica può anche “strappare” gli elettroni di un atomo dai livelli orbitali più esterni producendo uno ione (radiazione ionizzante)
m)0.2424(OOhO2 µλν ≤+→+
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Lo spettro della radiazione elettromagnetica
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Banda Lunghezze d'onda λλλλRaggi gamma < 0.1 nm
Raggi X 0.1 - 10 nm
Ultravioletto 10 - 390 nm
Violetto 390 - 455 nm
Blu scuro 455 - 485 nm
Blu chiaro 485 - 505 nm
Verde 505 - 550 nm
Giallo-verde 550 - 575 nm
Giallo 575 - 585 nm
Arancio 585 - 620 nm
Rosso 620 - 730 nm
Rosso lontano 730 - 760 nm
Infrarosso vicino 760 nm - 3 µm
Infrarosso medio 3 - 8 µm
Infrarosso lontano 8 µm - 1 mm
Microonde e onde radio corte 1 mm - 100 m
Onde radio lunghe 100 m - 10 km
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Flusso radiante Φ [J s-1 = W] È l’energia radiante che attraversa una data superficie nell’unità di tempo
Esempio
Il flusso radiante complessivo emesso attraverso la superficie solare è pari a
Φs = 3.90 1026 W
Grandezze che caratterizzano la radiazione
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Struttura del sole
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Interazione radiazione-materia
Radiazione incidente
Radiazione riflessa
Radiazione trasmessa
Radiazione assorbita
Radiazione emessa
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Irradianza E [W m-2] È il flusso radiante per unità di superficie
Esempio
La superficie del sole presenta un raggio rs = 7 108 m .
L’irradianza emessa dalla superficie solare è pari a
∫=ΦS
dSE
( )27
28
26
2 1034.61074
109.34
−==Φ= mWm
Wr
Es
ss
ππ
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Irradianza monocromatica Eλ [W m-3]È il contributo della componente di lunghezza d’onda λ all’irradianza:
∫∞
=0
λλ dEE
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Il corpo nero
Un corpo nero è una porzione di materia, contenente un sufficiente numero di componenti elementari (atomi o molecole) da poter trattare le loro interazioni in maniera statistica, che emette/assorbe su tutte le lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico in modo tale da:
- assorbire tutta la radiazione incidente sulla sua superficie (no riflessione, no trasmissione)
- realizzare su ogni lunghezza d’onda λ la massima emissione possibile.
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Km1041.4c
mW103.742c
1λTc
expλ
cE
22
2162
1
25
1
⋅==
⋅==
−
=
−∗
−−∗
∗
khc
chπ
λ
Irradianza di corpo nero (legge di Plank)
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IRRADIANZA DI CORPO NERO
0
10
20
30
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
LUNGHEZZA D'ONDA ( m)
IRR
AD
IAN
ZA
E [M
W m
-2
m-1
] T = 4000 K
T = 5000 K
T = 6000 K
VISIBILE
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Caratteristiche dell’irradianza di un corpo nero
L’irradianza è indipendente dalla direzione di emissione (isotropia)
Per lunghezze d’onda non troppo grandi si può approssimare la formula con:
Il massimo dell’irradianza si realizza per:
(Legge dello spostamento di Wien)
Tc
ecE λλ λ
2
51
−−∗ ≈
TKm
m
µλλ 2897==
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Esempio
Il massimo dell’irradianza di emissione del sole di realizza per λm= 0.475 µm.Determinare la “temperatura di colore” del sole.
KmKm
T 61004750
2897 ==µ
µ.
428 KmW105.67
TdEE
−−−
∞∗∗
=
== ∫
σ
σλλ0
4
Legge di Stefan-Boltzmann
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Esempi
Noto il flusso radiante in uscita dal sole e la distanza media terra-sole d, si calcoli la costante solare:
Nota l’irradianza alla superficie solare, calcolare la temperatura equivalente di corpo nero del sole, cioè la temperatura che un corpo nero dovrebbe avere per presentare la stessa irradianza:
( )2
211
26
2 138010496.11416.34
1088.34
−⋅=⋅⋅⋅
⋅=Φ= mWm
Wd
Sπ
KKmW
mWETTE S
SSS 57801067.5
1034.6 41
428
2741
4 =
=
=⇒= −−−
−
σσ
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Corpi grigi
∗= λλλ ε EE
Assorbimento
4TEE σεε == ∗
Emissione
∗= λλλ EaE
4TaEaE σ== ∗
Legge di Kirchhoff
λλε a=
ελ emissività monocromatica
ε emissività
aλ assorbività monocromatica
a assorbività
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Effetti dell’assorbimento e dell’emissione atmosfer ica
E
(1-aV)E
(1-aIR) x
x
y
y
( )( )
=+−−=−−−
0yxEa1
0yxa1E
V
IR
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100
200
300
400
500
240
250
260
270
280
290
300
310
0,80 0,85 0,90 0,95 1,00
T e
mpe
ratu
ra [K
]
aIR
Temperatura superficiale terrestre e atmosferica in funzione dell'assorbimento nell'IR
Tx
Ty
x
y
Irradianza[W
m-2]
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Radiative Forcing (RF) bar chart for the period 1750–2011 based on emitted compounds (gases, aerosols or aerosol precursors) or other changes.Red (positive RF) and blue (negative RF) are used for emitted components which affect few forcing agents, whereas for emitted components affecting many compounds several colours are used as indicated in the inset at the upper part the figure. The vertical bars indicate the relative uncertainty of the RF induced by each component. Their length is proportional to the thickness of the bar, that is, the full length is equal to the bar thickness for a ±50% uncertainty.The net impact of the individual contributions is shown by a diamond symbol and its uncertainty (5 to 95% confidence range) is given by the horizontal error bar. ERFaci is ERF due to aerosol–cloud interaction. Black Carbon (BC) and Organic Carbon (OC) are co-emitted, especially for biomass burning emissions (Biomass Burning in the figure) and to a large extent also for fossil and biofuel emissions (Fossil and Biofuel in the figure, where biofuel refers to solid biomass fuels).
http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/wg1/WG1AR5_Chapter08_FINAL.pdf