Fisica dell Atmosfera e del Clima

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Miranda Albana Carlucci
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1 Università degli studi di Trento Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio Prof. Dino Zardi Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica Fisica dell Atmosfera e del Clima 6. Radiazione atmosferica

2 Onde elettromagnetiche Lunghezza d onda λ Periodo T Frequenza ν 1/T Pulsazione ω 2π/T2πν Numero d onda k 2π / λ λ Celerità di propagazione (nel vuoto): c* m s -1 λ ν c*

3 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 ν è pari a: W hν hω hc λ h h 2π dove h J s è la costante di Plank e.

4 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 O 2 + hν O+ O ( λ µ m) La radiazione più energetica può anche strappare gli elettroni di un atomo dai livelli orbitali più esterni producendo uno ione (radiazione ionizzante)

5 Lo spettro della radiazione elettromagnetica

6 Banda Lunghezze d'onda λ Raggi gamma < 0.1 nm Raggi X nm Ultravioletto nm Violetto nm Blu scuro nm Blu chiaro nm Verde nm Giallo-verde nm Giallo nm Arancio nm Rosso nm Rosso lontano 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 m Onde radio lunghe 100 m - 10 km

superficie nell unità di tempo Esempio Il flusso radiante

7 Grandezze che caratterizzano la radiazione 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 Φ s W

8 Struttura del sole

9 Interazione radiazione-materia Radiazione riflessa Radiazione incidente Radiazione trasmessa Radiazione assorbita Radiazione emessa

10 Irradianza E [W m -2 ] È il flusso radiante per unità di superficie Φ S E ds Esempio La superficie del sole presenta un raggio r s m. L irradianza emessa dalla superficie solare è pari a E s Φ s W m 2 2 4πrs 4π W ( m)

11 Irradianza monocromatica E λ [W m -3 ] È il contributo della componente di lunghezza d onda λ all irradianza: E E d λ λ 0

12 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.

13 m K c W m c 1 λt c exp λ c E k hc π hc λ Irradianza di corpo nero (legge di Plank)

14 IRRADIANZA E [MW m -2 m -1 ] IRRADIANZA DI CORPO NERO VISIBILE T 4000 K T 5000 K T 6000 K LUNGHEZZA D'ONDA ( m)

15 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: E λ c λ 1 5 e c2 λt Il massimo dell irradianza si realizza per: λ λ m 2897 µ mk T (Legge dello spostamento di Wien)

16 Esempio Il massimo dell irradianza di emissione del sole di realizza per λ m µm. Determinare la temperatura di colore del sole. Legge di Stefan-Boltzmann 2897µ mk T 6100K µ m E σ 0 E λ d λ σ T 8 W m 4 2 K 4

17 Esempi Noto il flusso radiante in uscita dal sole e la distanza media terra-sole d, si calcoli la costante solare: S 26 Φ W 1380 W m 2 2 4πd ( m) 2 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: ES W m 4 4 ES σts TS 5780K W m K σ 1

19 Corpi grigi Emissione E λ ε E λ λ E ε E ε σ T 4 ε λ emissività monocromatica ε emissività Assorbimento E λ aλeλ a λ assorbività monocromatica a assorbività E a E aσ T 4 Legge di Kirchhoff ε λ a λ

22 Effetti dell assorbimento e dell emissione atmosferica E (1-a IR ) x y (1-a V )E x y ( 1 a ) V E E ( 1 a ) IR x x + y y 0 0

23 Temperatura superficiale terrestre e atmosferica in funzione dell'assorbimento nell'ir 310 T emperatura [K] T x x y T y Irradianza [W m -2 ] ,80 0,85 0,90 0,95 1,00 a IR

Radiative Forcing (RF) bar chart for the period 1750 2011 based on emitted compounds (gases, aerosols or aerosol precursors) or other changes.

in the inset at the upper part the figure. The vertical bars indicate the relative uncertainty of the RF induced by each component.

27 Radiative Forcing (RF) bar chart for the period 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).

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