Зрачење 1 Зрачење Сунце као примарни извор енергије на Земљи Спектар Сунчевог зрачења Штефан-Болцманов, Винов и Кирхофов закон. Радијациони биланс на површини Земље и одређивање температуре њене површине Озонски омотач и његово осиромашење CO 2, метан, H 2 O и ефекат стаклене баште 2 Прозрачност атмосфере Атмосфера наш прозор у космос у прошлост будућност Електромагнетни таласи 1
Електромагнетно зрачење Isaac Newton честична природа светлости - зраци Thomas Young - таласна природа светлости James Maxwell - електромагнетна теорија таласна природа Albert Einstein - фотони честична природа 4 James Clerk Maxwell Електрицитет и магенетизам, из почетка нису били повезани 1865. James Clerk Maxwell конструисао математичку теорију која је показала да постоји тесна веза између електричних и магнетних феномена 5 Линије електричног поља почињу на позитивним наелектрисањима а завршавају на негативним Наелектрисана тела стварају око себe електрично поље Mагнетне линије су увек затворене немају ни почетак а ни крај Maгнетно поље ствара струја (наелектрисања у кретању)- Ампер Променљиво магнетно поље индукује ЕМС а тиме и електрично поље (Фарадеј) Eлектрично поље бива створено од стране променљивог магнетног поља Питање: пошто постоји некаква симетрија између електричног и магнетног поља, т.ј. да ли магнетно поље можe да се добије променљивим електричним пољем??? Maxwell: ДА!!! Магнетно поље може да се створи и променљивим електричним пољем. 6 2
Максвелова предвиђања Користио је познате чињенице и на основу одговарајућег математичког апарата доказао да електрично и магнетно поље имају симетричне улоге у природи Изнео је хипотезу да промена електричног поља може да изазове стварање магнетног поља Израчунао је да је брзина тако насталих таласа у вакууму 3x10 8 m/s Такође је закључио да видљива светлост и други електромагнетни таласи се састоје од променљивог магнетног и електричног поља, при чему измене једног поља индукују друго и обрнуто Херц је доказао ове тврдње 7 Два проводника повезана на извор наизменичне струје, наелектрисања осцилују између проводника (a) Са временом, расподела наелектрисања у проводницима се мења, поље опада а поље које је произведено у t = 0 се помера даље од проводника (b) Наелектрисања мењају места а поље мења смер (c) Процес се наставља (d) 8 Оријентација поља у ЕМ таласу Када је електрично поље антене (дипола) усмерено наниже, магнетно поље је усмерено од нас ка равни слике. Ова два поља су увек под правим углом једно у односу на друго. ЕМ талас који се креће у смеру x осе: E и B су нормални један у односу на други и у фази. Смер пропагације се одређује правилом десне руке (E, B). 9 3
Eлектромагнетни таласи B 10 11 Спектар ЕМ таласа (Седам облика/типова типова) Радио таласи Микроталаси Инфрацрвени Видљива светлост Ултраљубичаста X-зрачење Гама зрачење - комуникација кување и комуникација - таласи топлоте региструје је око изазива опекотине на кожи пролази кроз ткива има највећу енергију 12 4
Видљиви део спектра ЕМ таласа 13 λν = c 14 Спектар Eлектрoмагнетног зрачења 15 5
16 17 Атмосферска апсорпција 18 6
Оптички део спектра: СВЕТЛОСТ Краће таласне дужине већа енергија Термално зрачење Видљива светлост UV зрачење изазива опекотине 19 Топлотно/термално зрачење Топлота коју осећамо од сунца је његово термално зрачење Путујући кроз вакуум од Сунца до земље јој треба око 8 минута Ефекат осећамо иако не можемо да видимо зрачење. Осећа се од свих загрејаних тела 20 Како настаје термално зрачење? Сва тела чија је температура изнад апсолутне нуле емитују термално зрачење Топлији објекти зраче више енергије, њена количина расте као ~ T 4 Ми непрекидно емитујемо термално зрачење. Такође и непрекидно апсорбујемо ово зрачење емитовано од других људи или објеката око нас Када би ми само емитовали зрачење охладили би се до апсолутне нуле! 21 7
Радио таласи Користе се у радио и ТВ комуникационим системима Микроталаси (како су откривени?) Таласна дужина од 1 mm до 30 cm Користе се у радарским системима, микроталасним пећима,... 22 Инфрацрвени таласи термално зрачење далека ИЦ област (1mm-10mm) средња ИЦ област (10mm-2,5mm) блиска ИЦ област (2500 nm-750 nm) 23 Инфрацрвени таласи термално зрачење Видљива светлост Део спектра који може да детектује људско око Најосетљивије је на фреквенцији око 560 nm (жуто-зелена боја) 24 8
УВ Од 400 nm до 0.6 nm Сунце је важан извор УВ зрачења Већина УВ зрачења са Сунца се апсорбује од стране стратосферског озона 25 Типови UV зрачења Тип Таласна Карактеристике дужина UVA 315-400nm - не зауставља га озон - изазива рак коже UVB 280-315nm - делимично га зауставља озонски слој - изазива опекотине, рак коже UVC 100-280nm - зауставља га озонски омотач - изазива опекотине и рак коже 26 Расподела озона са висином и степен продирања УВ зрачења до Земље На површину Земље стиже (у природним условима) 94% UVA 6% UVB 0% UVC D(obson) U(nit) 27 9
Гама зраци Емитују их радиоактивна језгра Продорно зрачење и може да изазове озбиљна оштећења у случају да га апсорбује ткиво X-зраци Настају приликом убрзавања високоенергетских електрона који ударају у металну мету Значајан дијагностички алат у медицини 28 1. Настанак X-зрака континуално зрачење. 29 2. Настанак X-зрака карактеристично зрачење 30 10
Посматрање објекта уз употребу различитих делова спектра о посматраном објекту даје различите информације 31 Како видимо тела различитих величина 32 Слика Сунца у области x- зрачења. Сунце у видљивом делу спектра. 33 11
СликаистогцветауВИСуУВобласти. 34 Milky Way у различитим областима таласних дужина 75 cm радио H 2 радио ИЦ ВИС x-зрачење Гама област 35 36 12
Астрономи слој кроз који виримо у космос Метеоролози, климатолози и географи најнижи слојеви атмосфере временска прогноза истраживање климатских промена испитивање утицаја климе и метеоролошких услова на људско друштво Климатски услови на земљи На климу на Земљи утичу следећи фактори зрачење које долази са Сунца оно у највећој мери одређује температуру наше планете сферни облик Земље и оријентација њене осе ротације ефекат стаклене баште (водена пара, угљен диоксид,...) разни физички, хемијски и биолошки процеси који се одвијају у биосфери и у њеној близини глобални баланс енергије глобално кружење воде циклус уљенични циклус и други биохемијски циклуси ротација Земље око њене осе битно утиче на глобално кретање водених и ваздушних маса на великој временској скали услед различитих температура у разним деловима распоред континената и океана 38 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 са Земље ИЦ које се емитује са Земље не иде директно у космос апсорбује га атмосфера 39 13
Исходи интеракције зрачења са материјом Рефлексија Нема промене таласне дужине Преламање Промена упадног угла зрачења при проласку кроз другу средину Апсорпција Након тога се поново израчи али са другом таласном дужином зависи од T Упадно зрачење Одлазеће зрачење 40 Зрачење црног тела Питања од значаја за климу на Земљи на који начин Сунце емитује светлост и друге облике зрачења како се ЕМ зрачење рефлектује, апсорбује, трансмитује, емитује и заробљава од стране атмосфере Земље и њене површине карактеристике Сунца полупречник 1.4 милиона км растојање од Земље 1,5 х 10 8 км старост ~ 4,5 милијарди година луминозност 3,9х10 26 W (Ват) соларна константа 1380 W/м 2 41 Црна тела... су тела која су идеалнo зраче када су топла...идеално апсорбују када су хладна Примери црних тела: ужарена нит у сијалици пећ звезде (нису идеална црна тела) Земља? 42 14
Укупна енергија коју по јединици нормалне површине и у јединици времена (интензитет) коју израчи црно тело је дата Штефан Болцмановим законом σ = E I = = σt S t 5,67 10 8 4 W 2 4 m K s 43 Винов закон (померања) Топлија тела зраче интензивније на краћим таласним дужинама. λ max T = b b Винова константа λ max T = 2.9 10 3 mk Температуре звезда су између 3000 K и 50,000K. 44 Боје тела према температури црвенкаста наранџаста жућкаста бела плавкаста најхладније звезде најтоплије звезде 45 15
Штефан-Болцманов закон тело температуре T зрачи сваке секунде количину енергије I= E/ S t =σt 4 по квадратном метру (ово се односи на зрачење по свим таласним дужинама, односно фреквенцијама) Луминозност количина енергије коју тело израчи у секунди (снага) L = S I L = 2 4 4πR σt σ = 5.7 x 10-8 W/(m 2 K 4 s) 46 Планков закон Штефан-Болцманов закон - зрачење по свим таласним дужинама, односно фреквенцијама Планков закон описује зрачење по фреквенцијама, односно таласним дужинама 3 8πh ν I ( ν, T ) = 3 hν c kt e 1 h-планкова константа λν=c 47 λ max T = b Емисиони спектар црног тела на 5800 К (температура површине Сунца) и 2800 К (температаура влакна сијалице). Сунце емитује већину зрачења у ВИС, док сијалица емитује углавном у ИЦ. Укупна израчена енергија (површина испод криве) је пропорционална четвртом степену апсолутне температуре (Штефан-Болцманов закон) ако се Т повећа 2 пута, израчена енергија се повећа 16 пута! Таласна дужина на којој крива спектра достиже максимум је дата Виновим законом и обрнуто је пропорционална температури мерењем те таласне дужине можемо да одредимо колика је температура површине објекта који зрачи. 48 16
Спектар зрачења са Сунца потиче од енергије фузије углавном водоника у хелијум највећи део зрачења са Сунца је у видљивом делу спектра. трака зрачења од 400 до 700 нм представља 43% укупног зрачења које са Сунца стиже до Земље (горњих слојева њене атмосфере!). таласне дужине краће од видљивог дела спектра (мање од 400 нм-ув зрачење) обухватају око 7-8% укупног зрачења 49 Поређење зрачења на врху атмосфере и на површини Земље 50 Зрачење које пролази кроз атмосферу апсорпциони спектар емисиони спектар 51 17
Апсорпционе траке генерисане различитим гасовима 52 Апсорпционе траке генерисане различитим гасовима стаклене баште и њихов утицај на соларно (долазно) ина термално зрачење Земљине површине (одлазно). Мањи део соларног зрачења је апсорбован а већи пролази кроз атмосферу (70-75%) и долази до површине Земље Већи део термалног зрачења Земље је апсорбован (70-85%) од стране гасова који се налазе у атмосфери, што доприносу управо ефекту стаклене баште. 53 Фатаморгана на Земљи и ван ње Дуга Боја атмосфере 54 18