ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ

Transcript

1 ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Ακτινοβοία = Μεταφορά ενέργειας (δυναµικό µέγεθος) (µε φωτόνια ή ηεκτροµαγνητικά κύµατα) Χαρακτηρίζεται από: µήκος κύµατος. συχνότητα v = c/. κυµατάριθµος k = 2π/ ή vɶ = 1/ Ενέργεια ακτινοβοίας: Ενέργεια των φωτονίων (Ε ν = h ν) Ροή ενέργειας ανά µονάδα επιφάνειας Φασµατικές περιοχές: Ηιακή ακτινοβοία (shortwave) Θερµική ακτινοβοία (longwave) Ήιος Γή (έδαφος, ατµόσφαιρα) Αηεπίδραση µε την ύη Ηιακά φωτόνια ιέγερση µορίων απώεια φωτονίων Επανεκποµπή σε τυχαία διεύθυνση (σκέδαση) Σύγκρουση µε άα συστατικά (απορρόφηση, θέρµανση, µεταφορά κινητικής ενέργειας) Εξασθένιση της ακτινοβοίας (απορρόφηση, σκέδαση) Απορρόφηση φωτοδιάσπαση Φωτοιονισµός θέρµανση (µεταβοή της κινητικής ενέργειας) Θερµικά φωτόνια Εκποµπή από την ατµόσφαιρα και το έδαφος (νόµος του Plank) Απορρόφηση θέρµανση ύης 1

2 ΠΟΣΟΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Ακτινοβοούµενη ενέργεια (Radiant energy) Q [Joules] Ακτινοβοούµενη ισχύς (Radiant power) [W] Φ= dq dt Μονοχρωµατική αµπρότητα ή ένταση (radiance) [W m-2 nm-1 sr-1] 3 d Φ L(, θ, φ) = I(, θ, φ) dαcosθ d dω Μονοχρωµατική πυκνότητα ροής ακτινοβοίας (irradiance) [W m-2 nm-1] 2π E( ) = L(, θ, ϕ) cosθ dω= = 0 2π π L(, θ, ϕ) cosθ sinθ dθ dϕ Οοκήρωµα (φασµατικό) = θ ϕ L( θ, ϕ) L(,, ) d Wm sr E= E( ) d Wm Φυσική της Ατµόσφαιρας: ιαφάνειες 1 από τις παραδόσεις 2

3 Νόµος του Plank ΜΕΛΑΝ ΣΩΜΑ Β ( Τ ) = ν Β ( Τ ) = 3 2hv 1 2 c hv exp 1 kt c v= hc 5 hc exp 1 kt Νόµος των Stephan - Boltzmann E = π Β ( Τ) d E= σt 4 Νόµος του Wien maxt = 2897µ m K 1 Τ= θερµοκρασία χρώµατος (color temperature) 3

4 ΦΥΣΙΚΑ ΣΩΜΑΤΑ Μέαν σώµα: Απορροφά και εκπέµπει πήρως την ακτινοβοία Φυσικό σώµα : Ανακά ή/και διαδίδει την ακτινοβοία Οι ιδιότητες των φυσικών σωµάτων µπορούν να περιγραφούν από τους νόµους του µέανος σώµατος Μονοχρωµατική Ικανότητα Εκποµπής (Emissivity): ε = L ( εκπεµπ όµενη) Β ( T ) απορροφητικότητα (absorbance): a = L L ( απορροϕο ύµενη) ( προσπίπτουσα ) ανακαστικότητα (reflectance): R = L ( ανακ ώµενη) L ( προσπίπτουσα ) διαπερατότητα (transmittance): T = L ( διερχ όµενη) L ( προσπίπτουσα ) Νόµος του Kirchhoff: ε = α Υπό συνθήκες θερµοδυναµικής ισορροπίας (οµογενής θερµοκρασία και ισότροπη ακτινοβοία) Ισχύει στην ατµόσφαιρα σε συνθήκες Τοπικής Θερµοδυναµικής Ισορροπίας 4

5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Εξίσωση διάδοσης της ακτινοβοίας div ( θ ) dl a s = ( k + k ) ρi ( θ ) + j ρ v v v v Νόµος των Beer-Lambert a s jv = 0 : Ivl ( θ ) = Ivo( θ )exp ( kv + kv ) ρl Εξίσωση διάδοσης της ακτινοβοίας µε σκέδαση και εκποµπή di v ( θ, ϕ) dl a s = ( k + k ) ρi ( θ, ϕ) + k a v v v v 2π π 1 s + kvρ Iv ( θ, ϕ )sinθ dθ dϕ 4π 0 0 ρb ( T ) v Οπτικό βάθος (= εξασθένιση ακτινοβοίας) z a s ( ) τ = k + k ρdz v v v z 5

6 Ηεκτροµαγνητικό φάσµα: Εύρος ενεργειών Εύρος συχνοτήτων ή µηκών κύµατος Γειτονικά µήκη κύµατος παρουσιάζουν παρόµοιες αηεπιδράσεις µε την ύη Ο ΗΛΙΟΣ Θερµοκρασία στον Πυρήνα ~ Κ Βαρυτική έξη στο Πυρήνα µεγάες πιέσεις (+ µεγάες θερµοκρασίες) σύντηξη πυρήνων παραγωγή βαρύτερων πυρήνων + ακτινοβοίας γ Πυρήνας Ήιου Σύγκρουση ακτίνων γ µε πυρήνες και ηεκτρόνια εξασθένιση + αύξηση της κινητικής ενέργειας των µορίων αύξηση της θερµοκρασίας Επιφάνεια Ήιου Εξασθενηµένες ακτίνες γ (ισοδύναµη ενέργεια µέανος σώµατος ~5500 Κ) Ατµόσφαιρα Ήιου Άτοµα, ιόντα, ή και µόρια επιεκτική εξασθένιση ή ενίσχυση της ακτινοβοούµενης ενέργειας 6

7 ΕΚΠΟΜΠΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΑΠΟ ΤΟΝ ΗΛΙΟ Ακτινοβοία µέανος σώµατος ~5500 Κ (~ nm) Ακτίνες Χ (ηιακές καταιγίδες) Ραδιοκύµατα (αηεπίδραση φορτισµένων σωµατίων µε το ηεκτροµαγνητικό πεδίο του Ήιου ηιακές κηίδες) Χρονικές µεταβοές της ακτινοβοίας Ακτινοβοία Μ.Σ. Σταθερή Ακτίνες Χ και Ραδιοκύµατα Μεταβαόµενες ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΦΑΣΜΑΤΙΚΩΝ ΠΕΡΙΟΧΩΝ Περιοχή ,000 nm 1. Οµαό υπόβαθρο 5700 Κ 2. Αποκίσεις από την ακτινοβοία µέανος σώµατος όγω µη οµοιόµορφης θερµοκρασίας της φωτόσφαιρας 3. Γραµµές απορρόφησης από την ηιακή ατµόσφαιρα <~700 nm 4. Ιονισµός ατόµων στην φωτόσφαιρα <~280 nm 5. Εκποµπή ενέργειας από άτοµα σε < ~200 nm (Υδρογόνο: γραµµή Lyman a ( ~ nm)) Περιοχές < 100 nm και > _10,000 nm Ακτινοβοία πού µεγαύτερη από την αναµενόµενη Α.Μ.Σ. 7

8 2001/08/31 8

9 Μετρήσεις της ηιακής σταθεράς από διάφορα πειράµατα (άνω παίσιο) και δύο προσπάθειες οµογενοποίησης των δεδοµένων (κάτω παίσια). Είναι εµφανές το σήµα του ενδεκαετούς ηιακού κύκου. 9

10 Σχηµατική παράσταση των διαφόρων στρωµάτων του Ήιου, στα οποία σηµειώνονται και οι διεργασίες που επικρατούν. 10

11 11

12 ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ ΦΩΤΟΝΙΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ Ορατή και υπεριώδης ακτινοβοία 1. Ηεκτρονικές µεταπτώσεις σε διακριτές στάθµες (συχνότητες) ( Ε=hv) Αποδιέγερση: α) επανεκποµπή φωτονίου σε τυχαία διεύθυνση β) απορρόφηση φωτονίου (υπό υψηές πιέσεις) µεταφορά ενέργειας µεταξύ µορίων παραγωγή κινητικής ενέργειας (θέρµανση) φωτοδιάσπαση µορίων φωτοιονισµός ατόµων 2. Σκέδαση φωτονίων σε ευρείς φασµατικές περιοχές Μοριακή σκέδαση (Rayleigh) διαστάσεις µορίων << Σωµατιδιακή σκέδαση (Mie) διαστάσεις συστατικών συγκρίσιµες µε Εξασθένιση: Απώεια ενέργειας από ένα φωτόνιο (απορρόφηση ή σκέδαση) Υπέρυθρη ακτινοβοία 1. Απορρόφηση φωτονίων 2. Σκέδαση φωτονίων 3. Εκποµπή φωτονίων (εάττωση κινητικής ενέργειας ψύξη) Μεταβοή ενέργειας Ε: Ενεργειακή διαφορά µεταξύ δονητικών σταθµών και σταθµών περιστροφής του µορίου 12

13 ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ Μηχανισµοί απορρόφησης σε διακριτές συχνότητες Ηεκτρονική µετάπτωση µεταξύ διακριτών σταθµών Μεταπτώσεις µεταξύ δονητικών σταθµών του µορίου Μεταβάσεις µεταξύ σταθµών περιστροφής του µορίου Μηχανισµοί απορρόφησης σε ευρείες φασµατικές περιοχές Φωτοδιάσπαση Φωτοιονισµός Μεταβοή του αριθµού των φωτονίων ανά µονάδα διαδροµής dn ds = Nnσ σ : ενεργός διατοµή απορρόφησης (cm 2 ) n: αριθµητική πυκνότητα (cm -3 ) k : µαζικός συντεεστής απορρόφησης (cm 2 kg -1 ) ρ: πυκνότητα (kg cm -3 ) α : συντεεστής απορρόφησης (cm -1 ) c: αναογία γραµµοµορίων (αδιάστατο) 13

14 ιάδοση µονοχρωµατικής δέσµης (Νόµος Beer-Lambert-Bouguer): Μεταβοή της έντασης κατά τη διαδροµή ds: di = I nσ ds= I ρk ds Με οοκήρωση: ( σ ) ( ρ ) I ( s+ ds) = I ( s)exp n ds = I ( s)exp k ds Ένταση εξερχόµενης δέσµης από το ατµοσφαιρικό στρώµα s 1 s 2 : s2 s 2 I ( s2) = I ( s1 ) exp σnds = I ( s1 )exp kρds s1 s1 Ποσότητα απορροφητή: u s 2 = s 1 ρds Οπτικό βάθος ή πάχος: τ s 2 = s 1 k ρds ( σ ) ( ) I ( s ) = I ( s )exp u = I ( s )exp k u = I ( s )exp( τ )

15 Για στρώµα µε περισσότερα συστατικά που απορροφούν: τ = τ + τ + τ I ( s ) = I ( s ) e 2 1 (τ + τ + τ +...) Η αναογία µείγµατος κατά µάζα: C g = ρ ρ g a s 2 2 οπτικό βάθος: τ = k ρ ds = C k ρ ds s g g g g a s 1 1 s s2 s2 s 2 I ( s2) = I ( s1 ) exp Cg1kg1ρads Cg 2kg 2ρads Cg 3kg 3ρads... s1 s1 s 1 15

16 16

17 17

18 18

19 Σκέδαση Ανάογη του µήκους της διαδροµής που διανύει η ακτινοβοία Ανάογη της πυκνότητας του συστατικού που σκεδάζει Ανάογη της γωνίας υπό την οποία γίνεται η παρατήρηση Ανάογη του µήκους κύµατος της ακτινοβοίας Ανάογη της ενεργού διατοµής σκέδασης των σκεδαστών Ανάογη της φύσης των σκεδαστών Επιδράσεις σκέδασης Rayleigh και σκέδασης Mie Η σκέδαση Rayleigh είναι πιο αποτεεσµατική στο υπεριώδες (το οποίο δεν βέπουµε) ( -4 ) Η σκέδαση Mie είναι πιο αποτεεσµατική στο ορατό ( -1 ) 19

20 Νόµος των Beer-Lambert-Bouguer µε σκέδαση: z a s I ( z) = I (0)exp ( σ + σ ) n dz ' 0 z z a a s s = ndz ', = 0 0 τ σ τ σ ndz ', I ( z) I (0) exp ( ) n dz ' a R M τ = τ + τ + τ z s R M a R M = + = σ + σ + σ 0 σ σ σ Σκέδαση Mie - Rayleigh Σωµατιδιακή σκέδαση (Mie) Τα σωµατίδια σκεδάζουν και απορροφούν την ακτινοβοία Χαρακτηρίζονται από: Ενεργό διατοµή σκέδασης Ενεργό διατοµή απορρόφησης Ma σ Ms σ Ανακαστικότητα µεµονωµένης σκέδασης: ω σ σ Ms Ma + σ Ma 20

21 1.2 ΟΠΤΙΚΟ ΒΑΘΟΣ ΣΚΕ ΑΣΗΣ RAYLEIGH ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ [nm] z z s s s = ndz= 0 0 τ σ σ { dp= ρgdz} τ s m p0 s s ρ dz m σ σ = dp= p gm gm 0 : µοριακή µάζα (28.97) 21