Зрачење - спектри. Непрекидни спектри Непрекидан спектар се може добити нпр у видљивом делу користећи било које тело које може да зрачи као црно тело

Transcript

1 Зрачење - спектри Чврста тела, течности и гасови могу да емитују ЕМ зрачење Спектар непрекидни као црно тело емисиони апсорпциони 1 Непрекидни спектри Непрекидан спектар се може добити нпр у видљивом делу користећи било које тело које може да зрачи као црно тело График интензитета светлости у зависности од таласне дужине Интензитет Таласна дужина (λ) : [nm] 3 1

2 4 Апсорпциони спектар Провидан (редак), релативно хладан гас испред извора непрекидног спектра производи aпсорпциони спектар серија црних (недостајућих) спектралних линија унутар боја непрекидног спектра Ако светлост пролази кроз облак хладнијег гаса, тај облак селективно апсорбује линије одређених таласних дужина које зависе од хемијског састава гаса Интензитет Таласна дужина (λ) : [nm] 6 2

3 Емисиони спектар Топао, провидан гас прозводи емисиони спектар, тј. линије - серија јасних линија одговарајућих боја на тамној позадини Ако се посматра светлост коју производи топао редак гас, видећемо спектар који се састоји од серије јасних емисионих линија на тамној позадини. Те линије су карактеристичне за хемијски састав гаса 0.8 Интензитет Таласна дужина (λ) : [nm] 8 Објашњење? На почетку 20. века научници су били збуњени немогућношћу класичне физике да објасни стабилност атома и карактеристике њихових спектара. Зашто атоми неког елемента емитују (видљиву) светлост само одређених таласних дужина? Зашто атоми елемената апсорбују једино светлост тих истих таласних дужина које су и емитовали? Боров модел Основне идеје негативни електрони орбитирају око језгара по стабилним (енергијским) нивоима тачан распоред нивоа зависи од броја протона и неутрона у језгру и броја електрона у омотачу како је сваки атом има јединствен, дискретан и специфичан распоред енергијских нивоа сваки има сопствени отисак прста емисионе и апсорпционе линије које се добијају приликом преласка електрона са нивоа на ниво 9 3

4 Водоник Хелијум 10 Настанак емисионог спектра Електрон са вишег енергијског стања прелази у ниже и настаје светлост енергије која тачно одговара разлици енергија ова два стања/нивоа. Спектар атома пре и после преласка између нивоа. Приметити да сваком прелазу одговара нека тачно одређена боја 11 Водоник 12 4

5 Апсорпциони спектар Електрон са нижег енергијског стања се попне на више при чему мора да апсорбује светлост чија је енергија (а тимеифреквенцијаиталаснадужина) одређена разликом енергијских нивоа између којих се врши прелаз Закључци Када видљива светлост наиђе на атоме гасова бива апсорбована (атоми такође и емитују видљиву светлост) спектри атома су линијски - дискретни! у атмосфери имамо највише молекула. Да ли се догађа нешто слично и на којим таласним дужинама? как изгледају њихови спектри? Зашто уопште настају молекули? 15 5

6 Молекулски спектри немају сви атоми стабилну конфигурацију племенитих гасова зато формирају молекуле, деле електроне пример: водоник, Н није стабилан али Н 2 јесте, итд. Н 2 О, СО 2, О 3 растојање атома у молекулу (тачније центара + и - наелектрисања) није фиксно осцилују енергија? 16 Две врсте молекула: поларни и неполарни Поларни: тежишта + и наелектрисања се не поклапају. r r r r p = ql = q( ) + Диполни моменат поларног молекула - l r + r r + 17 Поларни молекули Имају перманентан диполни моменат резултујући моменат је 0 због хаотичног распореда Примери: HCl, CO, H 2 S, SO 2, H 2 O, H + H p = 3, Cm Cl p -Cl 18 6

7 Објашњење поларизација 19 Неполарни молекули Немају перманентан диполни моменат електрично поље може да га створи, раздваjајући + и - наелектрисања Примери: H 2, N 2, O 2,, 20 Молекулски спектри енергија вибрирања (осциловања)? испоставило се да је она одговорна за догревање атмосфере 21 7

8 Подсетник - енергија тела деформисаног по Хуковом закону Придеформацијисеврширад(сабијање амортизера на колима) Овај рад прелази у потенцијалну енергију сабијенерастегнуте опруге 22 Молекулски спектри енергија услед ротације? J квантни број вредности: 0,1,2,... B const. 23 Молекулски спектри тракасти енергија? укупна осцилаторно (вибрационо) + ротационо кретање v или n је осцилаторни квантни број. вредности 0,1,2,

9 Молекулски спектри Прости 2-атомски молекули имају само једну хемијску везу која може да мења дужину Сложенији молекули имају више веза па могу на више начина да мењају њихов облик и величину Пример СН 2 који може да вибрира на шест начина 25 Начини вибрирања веза у молекулу воде у гасовитом стању симетрично вибрирање асиметрично вибрирање савијање комбинација ова три 26 Начини вибрирања веза у молекулу угљен диоксида у гасовитом стању емисиони спектар (део) асиметрично истезање симетрично истезање није ИЦ осетљиво вертикално савијање хоризонтално савијање 27 9

10 Термална равнотежа планета Доминантан утицаји на температуру унутрашњих планета су: интензитет соларног зрачења удаљеност планете од Сунца албедо-рефлексивност за соларно зрачење За Земљу је просечни интензитет соларног зрачења које падне на земљу износи око 1360 W/m 2 (Соларна константа) албедо износи око 0,3 28 Сунце - Земља Земља добија енергију са Сунца у форми зрачења Већина те енергије је у ВИС и у блиској ИЦ ВИС греје углавном површину Земље а не и атмосферу ИЦ зрачење које оде у космос је емитовано из атмосфере а не директно са Земље ИЦ које се емитује са Земље не иде директно у космос апсорбује га атмосфера 29 Температура Земље прост модел где се топлота преноси само зрачењем без било каквог медијума - посредника између Сунца и планете. занемарујемо трансфер енергије конвекцијом и латентном топлотом (испаравање и кондензација воде) у овом моделу атмосфера зрачи ИЦ и према васиони и према Земљи 30 10

11 Радијациони баланс (= const. Temp.) Упадно зрачење = Инфрацрвено зрачење 31 Температура Земље на основу радијационог баланса упадно зрачење у јединици времена R - полупречник Земље S - соларна константа A - албедо Земље (око 30%) Земљасезагреваиемитује топлоту (у јединици времена) као црно тело ефективне температуре Т 0 Q up Q em / t = π R S(1 A) 4 σ T 0-18 Целзијуса!!! / t = 4π R σ T 1/ 4 S(1 A) T0 = = 255K 4σ 32 Температуре Венере и Марса температура Венере која има високо рефлективну атмосферу је према овом моделу -46 o C (227K) температура Марса је -57 o C (216K) ово су просечне температуре које би планете имале када не би било других утицаја (гасова у атмосфери нпр.) 33 11

12 Облик Земље и њена температура услед сферичног облика Земље екваторијални региони на које зраци падају под правим углом добију више зрачења по јединици површине него полови на које зрачење пада под великом косином како свака област мора да буде у радијационом балансу (колико енергије прими (долазно краткоталасно зрачење) толико мора и да емитује (одлазеће дуготаласно)) еваторијални појас би требао да достиже температуру од око 100 o C (373 К) усоларноподне полови би имали температуру око 0 К у реалности атмосферска и океанска струјања преносе топлоту са екватора ка половима што мења температурни градијент 34 Додатни ефекти Модел радијационог баланса није комплетан јер: Земља није проста лопта од чврстог материјала Окружена је атмосфером смешом гасова коју држи гравитациона сила и која се у основи састоји од азота (78%) и кисеоника (21%) оба главна састојка су транспарентна и за долазно соларно зрачење (краткоталасно) и за инфрацрвено зрачење (дуготаласно) које емитује површина Земље Осим кисеоника и азота постоје и други састојци атмосфере: водена пара, угљен диоксид, они не апсорбују упадно краткоталасно соларно зрачење али јако апсорбују дуготаласно зрачење које долази са површине Земље 35 Зрачења Сунца, Земље и њихова апсорпција од стране водене паре и угљен диоксида 36 12

13 водена пара није добро промешана -проценат јој варира од мање од 0,01% до више од 3% угљен диоксид има дуго време боравка у атмосфери и добро је промешан -практично је једнако заступљен око Земље остали гасови стаклене баште природни метан, азотни оксиди, озон вештачки хлорфлуорокарбонати, хидрофлуорокарбонати 37 зрачење које они апсорбују се реемитује у свим правцима па се део враћа и према површини Земље и додатно је загрева ефекат се зове ефекат стаклене баште а гасови који доводе до тога се зову гасови стаклене баште они заробљавају топлоту у најнижим слојевима атмосфере близу површине Земље па је она топлија него што би иначе била када не би било овог ефекта. 38 Природни ефекат стаклене баште (T S -T 0 ) разлика у температури између планете која је у радијационој равнотежи у преиндустријско време и хипотетичне атмосфере без гасова стаклене баште али са истим албедом на трећој слици је приказана разлика праве темепратуре планете од оне када не би било гасова стаклене баште 39 13

14 Ефекат стаклене баште на унутрашњим планетама Сунчевог система Планета Меркур Средња удаљеност од Сунца (10 6 км) 58 Проценат главних гасова стаклене баште у атмосфери Нема атмосферу Средњи албедо 0,06 Температура површине у одсуству ефекта стаклене баште 167 o C Измерена средња температура површине 167 o C Ефекат стаклене баште 0 o C Венера Земља > 90% CO 2 екстремне густине (притисак на површини је 100 пута већи од оног на Земљи) Око 0,03% CO 2 и око 1% H 2 O 0,78 0,30-46 o C -18 o C 464 o C 15 o C 510 o C 33 o C Марс 228 > 90% CO 2 мале густине (притисак на површини је 0,01 од оног на Земљи) 0,17-57 o C Око -53 o C 4 o C 40 Венера Земља Марс Притисак атомсфере на 100,000 mb 1,000 mb 6 mb површини тела Састав CO 2 >98% 0.03% 96% N 2 1% 78% 2.5% Ar 1% 1% 1.5% O 2 0.0% 21% 2.5% H 2 O 0.0% 0.1% 0-0.1% 41 Ефекат стаклене баште на унутрашњим планетама Сунчевог система Венера ближа сунцу али има већу рефлективност температура израчуната на основу радијационог баланса (битне величине су удаљеност од сунца и албедо) је -46 о С (227 К), 28 о С хладнија од Земље сонде су међутим измериле температуру површине од 464 о С (737К) последица ефекта стаклене баште Венера има густу атмосферу богату угљен диоксидом дупло је даље од Сунца него што је Меркур али јој је температура већа јер Меркур практично нема атмосферу. Марс има у атмосфери пуно угљен диоксида али је атмосфера танка па је и ефекат стаклне баште занемарљив осим тога постоји велики распон температура од екватора према половима у току дана и ноћи 42 14

15 Гасови у атмосфери Азот (N 2 ) Кисеоник (O 2 ) не утичу на ефекат 99% Вода (H 2 O) Угљен диоксид (CO 2 ) гасови стаклене баште (зашто баш они) 1% Метан (CH 4 ) 43 Поларни молекули апсорбују фотоне ИЦ зрачења јер њихова енергија одговара разлици осцилаторних (вибрационих) енергијских нивоа молекула. Тако се повећава вибрациона енергија молекула и такође расте и температура као енергија која прелази на друге молекуле приликом судара 44 Сунце Ефекат стаклене баште 45 15

16 46 Ефекат стаклене баште-чињенице Од 55 % соларне енергије која прође кроз атмосферу Земље 4 % рефлектује површина Земље назад у васиону У просеку око 51 % соларне енергије долази до површине и остаје на њој та енергија се користи за низ процеса: загревање тла; топљење леда и снега и испаравање воде; фотосинтезу,, део енергије који се рефлектује назад у васиону ГАСОВИ СТАКЛЕНЕ БАШТЕ соларна енергија коју апсорбује земљина површина конвертује се у површина добија још топлоту и изазива топлоте и поново емитује емисију дуготаласног дуготаласно зрачење зрачења површина добија још топлоте и поново емитује дуготаласно зрачење 48 16

17 Тамни вилајет Безгасовастакленебаште, Земља би била значајно хладнија и не би била погодна за живот Ако би се повећала количина гасова у атмосфери можда би постала претопла за обитавање на њој 49 Допринос гасова ефекту стаклене баште 50 CO 2 бар 50% ефекта глобалног загревања. Извори: Фосилна горива уништавање шума пољопривреда и индустрија 51 17

18 CO 2 : Апсорпција ИЦ зрачења µm тона Светска емисија угљен диоксида Укупно Течна горива Чврста горива Гасна горива Година метан -CH % ефекта стаклене баште Извор: пиринчана поља мочваре уништавање шума стока 54 18

19 метан -CH 4 : ИЦ апсорпција 55 N 2 O : Апсорпција ИЦ извори: ђубрива органски отпади сагоревање горива 56 O 3 (8%) Кад не би било озона у горњим слојевима атмосфере UV зрачење би директно пролазило кроз атмосферу до земље 9,3 µm Водена пара < 4 µm, 6,3 µm, > 9 µm 57 19

20 CFC 13-20% ефекта стаклене баште Извор: Фреон, ИЦ зрачење Инфрацрвени таласи термално зрачење далека ИЦ област (1mm-10µm) средња ИЦ област (10µm-2,5µm) блиска ИЦ област (2500 nm-750 nm) 59 Процена ефекта Када концентрација гасова стаклене баште расте (C 0 -->C), температура атмосфере расте. Количина концентрација гасова стаклене баште се мери у еквивалентној концентрацији СО 2 Процењена варијација у температури зависи од модела C T1 = τ ln C 0 0 C T2 = τ C тачнија формула C = C C, τ 6, 1K 0 = приближна формула важи за мале разлике у концентрацијама 60 20

21 Ефекти на екосистеме Смањивање снежног покривача, подизање нивоа мора, климатске промене. Повећање средње температуре може да изазове промене у екосистемима: неке врсте могу да напусте своја станишта или да изумру услед промене услова, док друге могу да се пренамноже. 61 ниво мора (m) Нивои мора за 450,000 година (Црвено море) корелација нивоа мора и Температуре Површине Мора Време (кило година) 62 ТПМ ( C) Пацифик Директне последице Топлотни таласи и периоди необично топлог времена Ниво мора расте што изазива поплаве Топљење глечера Смањујуселеденеповршиненаполовима Расте променљивост времена Зоопланктони умиру у Пацифику 63 21

22 Могуће последице Ширење болести Ранији долазак пролећа Промена ареала животиња Пљускови, снежне олује, поплаве Суше и пожари Ефекат стаклене баште - увећање Без природног ефекта стаклене баште температура Земље би била око -18 степена Целзијуса (уместо 15 степени колико је сада) Топлотна енергија која се додаје атмосфери је одређена нивоом гасова стаклене баште Сви (главни) гасови стаклене баште су доживели значајно повећање концентрације од почетка индустријске револуције (око 1700 н.е.).) Услед повећања концентрације ових гасова, предвиђа се повећање ефекта стаклне баште, што значи да ће клима на земљи постати топлија 66 22

23 Ефекат стаклене баште - увећање Теоријска предвиђања комбинована са компјутерским моделовањем доводи до закључка да ће повећање концентрације главног гаса стаклене баште, угљен диоксида, повећати средњу глобалну температуру између 1 и 3 Целзијуса 67 Ефекат стаклене баште - увећање Међутим, компјутерско моделовање не може прецизно да симулира ефекат могуће негативне повратне спреге повећање Земљине температуре би могло да доведе до повећаног испаравања воде из океана атмосфера ће постати облачнија рефлектоваће већу количину сучеве енергије назад у васиону 68 глобална захлађења? краткотрајна вулкани дуготрајна изазвана глобалним загревањем!? 69 23

24 Значај морских струја Голфска струја носи топлу воду која по површини Атлантика иде на север, пролази крај Велике Британије, носи и топао ваздух и при томе загрева области кроз које пролази. Хладније вода, као гушћа пада доле и иде ка екватору струјни прстен глобално загревање може довести до глобалног захлађењазалеђења (big freez) топљењеледанагренланду(од слатке воде) доводи ту воду уокеан, она је ређа од слане воде и не може да потоне на дно, тако да би то могло да доведе до заустављања струјног прстена нпр. лед на Гренланду је 60-их година био дебео око 3 метра а сада је око 2 метра предвиђање за око 50 година неће бити више леда на Арктику 70 Значај морских струја према рез. истраживања овако нешто се десило пре око година струјни прстен је вероватно стао, у наредних 20-ак година се очекује да температра у Великој Британији опадне за око 10 степени утицај вулкана: они могу да доведу само до краткотрајних периода захлађења вулкански пепео у коме има доста сумпор диоксида рефлектује сунчеве зраке па на земљу долази мање топлоте. има индиција да се овако нешто десило пре пар хиљада година. 71 Ламбер-Беров закон (апсорпције) Нека је I интензитет зрачења по јединици површине I промена у интензитету у слоју дебљине z услед апсорпције онајеоблика I = αi z Упадно зрачење интензитета I дебљина слоја z објашњење минус -јер се интензитет смањује, што је већи упадни интензитет већи су игубици штоједужипређенипутвећису губици α- коефицијент апсорпције Како међутим I зависи од пређеног пута? Одлазеће зрачење интензитета I- I I I e αz = o Ламбер-Бер 72 24

25 теме за семинарске одређивање соларне константе за Земљу и друге планете квантитативне процене утицаја промене концетрације гасова стаклене баште на темепертуру Земље 73 25