ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Μεταφορά ενέργειας (με φωτόνια ή ηλεκτρομαγνητικά κύματα) Εκπέμπεται από σώματα που έχουν θερμοκρασία Τ > 0 Κ Χαρακτηρίζεται από το μήκος κύματος η τη συχνότητα Φασματικές περιοχές στο σύστημα Ατμόσφαιρα-Γη: Ηλιακή ακτινοβολία (shortwave) Ήλιος λ=0.1 4μm Θερμική ακτινοβολία (long wave) Γή λ=4 100μm Αλληλεπίδραση με την ύλη Ηλιακά φωτόνια Προσωρινή διέγερση μορίων 1) Επανεκπομπή σε τυχαία διεύθυνση (σκέδαση) 2) Σύγκρουση με άλλα συστατικά (απορρόφηση) μετατροπή σε κινητική ενέργεια θέρμανση Φωτοδιάσπαση μορίων Φωτοιονισμός ατόμων Εξασθένιση της ακτινοβολίας = απώλεια φωτονίων (μέσω απορρόφησης ή σκέδασης) Θερμικά φωτόνια Απορρόφηση (μεταβολή της ενέργειας περιστροφής ή ταλάντωσης μορίων) Σκέδαση (από νέφη-αεροζόλ) Εκπομπή (σε βάρος της κινητικής ενέργειας ψύξη) 1
ΦΑΣΜΑΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Ν6 Αριθμός Φωτονίων (N) Ν5 Ν7 Ν8 Ν9 Ενέργεια Φωτονίων (N*hv) Ν4 Ν10 Ν3 Ν1 Ν2 ν1 ν2 ν3 ν4 ν5 ν6 ν7 ν8 ν9 ν10 Συνχότητα (ν) ν1 ν2 ν3 ν4 ν5 ν6 ν7 ν8 ν9 ν10 Συνχότητα (ν) Φασματική ροή ακτινοβολίας (W m -2 μm -1 ) 2500 2000 1500 1000 500 0 ΗΛΙΑΚΟ ΦΑΣΜΑ ΣΤΟ ΕΔΑΦΟΣ 0 1 2 3 4 Μήκος κύματος (μm) 2
ΕΝΤΑΣΗ (ή λαμπρότητα - radiance) Ακτινοβολούμενη ενέργεια σε καθορισμένη διεύθυνση ανά μονάδα χρόνου, ανά μονάδα εύρους μήκους κύματος (ή συχνότητας), ανά μονάδα στερεάς γωνίας, και ανά μονάδα επιφάνειας κάθετης στη δεδομένη διεύθυνση Ι = ΔΕv v ΔΔ t ν Δ s ΔΩ Ι = ΔΕλ λ ΔΔ t λ Δ s ΔΩ Μονοχρωματική ένταση: Δs δεν σημαίνει σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος λ ή συχνότητα ν μέση τιμή σε ένα απειροστό εύρος Δλ ή Δν με κέντρο το λ ή το ν Μονάδα μέτρησης: (J s -1 sr -1 m -2 μm -1 ) = (W sr -1 m -2 μm -1 ) Ένταση ανεξάρτητη της διεύθυνσης: ισότροπη Ένταση ανεξάρτητη της θέσης: ομογενής Η ένταση δέσμης είναι σταθερή όταν διαδίδεται σε διαφανές μέσο 3
ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΡΟΗΣ (ή ροή flux ή irradiance) Ακτινοβολούμενη ενέργεια που προσπίπτει σε μία επίπεδη επιφάνεια ανά μονάδα χρόνου, ανά μονάδα εύρους μήκους κύματος (ή συχνότητας) και ανά μονάδα επιφάνειας F v ΔE t s v v = ΔΔΔ θ Μονάδα μέτρησης: (J s -1 m -2 μm -1 ) = (W m -2 μm -1 ) Η πυκνότητα ροής προκύπτει από την ολοκλήρωση της έντασης σε όλο το ημισφαίριο F I ( θ)cosθdω v ν 2π Ο όρος cosθ ανάγει την ένταση από μία διεύθυνση (θ) στο οριζόντιο επίπεδο 4
Ορισμός και υπολογισμός στερεάς γωνίας ΕΜΒΑΔΟ dω ( θφ, ) = = 2 r ( rsin θdφ)( rdθ) = = sinθdφdθ 2 r + π/2 2π Ω= sinθdϕdθ = 4π π /2 0 Εξάρτηση της ροής δέσμης από την γωνία πρόσπτωσης ΔΕΣΜΗ ΑΚΤΙΝΩΝ UV F o θ ΣΤΟΧΟΣ F o : ροή σε κάθετη πρόσπτωση F = F ο cosθ 5
Ακτινοβολία μέλανος σώματος Κάθε σώμα εκπέμπει ακτινοβολία εφόσον βρίσκεται σε θερμοκρασία μεγαλύτερη του απολύτου μηδενός. Ένα σώμα χαρακτηρίζεται σαν μέλαν όταν απορροφά όλη την ακτινοβολία που προσπίπτει Ένα πραγματικό σώμα εκπέμπει λιγότερη ενέργεια από ένα μέλαν σώμα Η ένταση που εκπέμπει ένα μέλαν σώμα υπακούει στον νόμο του Plank B 3 2 1 ( Τ hv ) = ν 2 c hv exp 1 kt B ν : Ακτινοβολούμενη ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας, ανά μονάδα στερεάς γωνίας, σε ένα απειροστό εύρος συχνοτήτων ή μήκους κύματος B λ ( Τ ) = hc 5 λ 2 2 1 hc exp 1 λkt Ιδιότητες μέλανος σώματος: Η εκπεμπόμενη ακτινοβολία είναι ισότροπη, ομογενής και μη πολωμένη Η ακτινοβολία σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος εξαρτάται από τη θερμοκρασία του Δύο μέλανα σώματα της ίδιας θερμοκρασίας εκπέμπουν ακριβώς την ίδια ακτινοβολία Ένα μέλαν σώμα ακτινοβολεί τη μέγιστη δυνατή ενέργεια σε κάποιο εύρος συχνοτήτων για μια δεδομένη θερμοκρασία από κάθε άλλο σώμα 6
Η συνολική ένταση της ακτινοβολίας που εκπέμπει ένα μέλαν σώμα προκύπτει με ολοκλήρωση του νόμου του Plank BT ( ) = B( T) dλ λ 0 4 ( ) = σ = ( ) πbt T FT σ = 5.67 10-8 W m -2 K -4 F = ροή ανά μονάδα επιφάνειας (λόγω της ισοτροπίας της Β(Τ)) Νόμος των Stefan Boltzmann: Η ροή που εκπέμπεται από ένα μέλαν σώμα είναι ανάλογη της τέταρτης δύναμης της απόλυτης θερμοκρασίας του Νόμος του Wien: Το μήκος κύματος στο οποίο ένα μέλαν σώμα εκπέμπει την μέγιστη ενέργεια είναι ανάλογο της θερμοκρασίας του. λmax T = σταθ. (2897 μmk) 7
Ακτινοβολία μέλανος σώματος Ιδανικά, εκπέμπεται από μία οπή σε ισόθερμη κοιλότητα (τα τοιχώματα της διατηρούνται σε ομογενή θερμοκρασία) όταν επικρατεί θερμοδυναμική ισορροπία (θερμική, μηχανική και χημική ισορροπία) Νόμος του Kirchhoff: Υπό συνθήκες θερμοδυναμικής ισορροπίας η ικανότητα ενός σώματος να ακτινοβολεί συνδέεται στενά με την ικανότητά του να απορροφά ακτινοβολία ε I ( T) = ε B ( T) λ λ λ Α I ( T) =Α B ( T) λ λ λ Ι ε λ(τ): εκπεμπόμενη ένταση ακτινοβολίας Ι Α λ(τ): απορροφούμενη ένταση ακτινοβολίας Β λ (Τ): ένταση ακτινοβολίας μέλανος σώματος ε λ : συντελεστής εκπομπής Α λ : απορροφητικότητα Αν ε λ =1 το σώμα συμπεριφέρεται σαν μέλαν και Α λ =1 (δηλ. απορροφά όλη την ακτινοβολία που προσπίπτει σε αυτό) Ένα φαιό (γρι) σώμα εκπέμπει λιγότερη ακτινοβολία από ότι ορίζει ο νόμος του Plank άρα: ε λ = Α λ < 1 Η ατμόσφαιρα συνολικά δεν μπορεί να θεωρηθεί ότι βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία (δηλ. ομογενής θερμοκρασία και ισότροπη ακτινοβολία) Τοπικά όμως (z<60 km) βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία (Τ.Θ.Ι.), με καλή προσέγγιση (η μεταφορά ενέργειας συμβαίνει μέσω συγκρούσεων των μορίων) και ο νόμος του Kirchhoff βρίσκει εφαρμογή στην ατμόσφαιρα 8