L irraggiamento - Onde elettromagnetiche: Le onde elettromagnetiche sono un fenomeno fisico attraverso il quale l energia elettromagnetica può trasferirsi da un luogo all altro per propagazione. Tale fenomeno di trasferimento di energia può avvenire anche nello spazio libero. Le onde elettromagnetiche, secondo la teoria di Maxwell, sono fenomeni oscillatori, generalmente di tipo sinusoidale e sono costituite da due grandezze che variano periodicamente nel tempo: il campo elettrico ed il campo magnetico.
La lunghezza d onda e la frequenza di una onda elettromagnetica sono legate dalla seguente relazione: λ = c / f dove λ è la lunghezza d onda, f la frequenza e c la velocità della luce nel vuoto c = 3*10 6 m/s Negli altri mezzi invece tale velocità è pari a: v = c / n dove n è una costante tipica del mezzo nel quale si propaga l onda ed è detta indice di rifrazione assoluto del mezzo. Non esistono mezzi nei quali n è minore di uno, cioè la luce nel vuoto si propaga con la massima velocità possibile.
Indici di rifrazione: Mezzo n Aria 1,000294 H 2 1,000139 CO 2 1,000449 Acqua 1,33 Alcool etilico 1,36 Cloruro di sodio 1,53 Diamante 2,42
Legge di Stefan-Boltzmann: W = ε σ A T 4 W potenza irradiata ε emissività, è compresa fra 0 (per i corpi idealmente bianchi) e 1 (per i corpi idealmente neri) σ = 5,67 10-8 Wm 2 K -4 è la costante di Stefan-Boltzmann A l area del corpo T temperatura del corpo
Esercizio: Determinare la potenza utile irradiata da ognuno di voi in questo momento! L energia irradiata in 24 h? ε = 0.8 Tc = 36 C; Ta = 24 C infrarosso A = 1.7 m 2
B B B B B B B B Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria Lo spettro elettromagnetico 1m LUNGHEZZA D ONDA (m) 1fm 1pm 1nm 1μm 1mm 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 1 10 2 RAGGI GAMMA RAGGI X ULTRA- VIOLETTO INFRA- ROSSO MICRO- ONDE ONDE RADIO ENERGIA VISIBILE
Onde hertziane 50 f 1000 Hz, 10 9 λ 10 6 m Le onde hertziane furono scoperte da Hertz, e si trovano alle maggiori lunghezza d onda ed alle frequenze più basse. Sono le responsabili dell inquinamento elettromagnetico causato dalla linee elettriche dell alta tensione. Onde radio 10 3 f 10 9 Hz, 10 6 λ 0.3 m Le onde radio sono utilizzate in prevalenza nelle trasmissioni radio ed, in particolare, per la telefonia cellulare. Microonde 10 9 f 3 10 11 Hz, 0.3 λ 10-3 m Le microonde sono utilizzate in prevalenza nelle applicazioni termiche, per esempio nei forni a microonde, oppure per comunicazioni e sistemi radar.
Infrarosso 3 10 11 f 3.8 10 14 Hz, 10-3 λ 0.78 10-6 m Le radiazioni infrarosse sono prodotte da corpi caldi, in cui gli atomi vengono eccitati tramite gli urti causati dall agitazione termica. Il moto vibrazionale si traduce in un aumento di temperatura. L emissione infrarossa è utilizzata in medicina per terapie fisiche e, nella ricerca, per lo studio dei livelli energetici vibrazionali delle molecole. Luce visibile 3.8 10 14 f 7.9 10 14 Hz, 0.78 10-6 m (780 nm) λ 0.38 10-6 m (380 nm) Il campo della luce visibile è molto stretto rispetto all intero spettro delle radiazioni, seppure sia molto importante per gli organismi viventi, poiché l occhio della maggior parte di essi è sensibile a queste radiazioni.
Ultravioletto 7.9 10 14 f 5 10 17 Hz, 0.38 10-6 λ 6 10-10 m Le principali sorgenti di onde ultraviolette sono: il sole, i fulmini (seppure per breve tempo) e l arco delle saldatrici elettriche. Una parte notevole delle radiazioni ultraviolette prodotte dal sole sono assorbite dall atmosfera, provocando la reazione di formazione dell ozono O 3. Tale assorbimento è fondamentale per la vita sulla terra, in quanto questa radiazione in grandi quantità risulta letale. È noto il problema dell assottigliamento dello strato di ozono dovuto principalmente ai clorofluorocarburi (CFC). Tanto più i raggi ultravioletti sono ad alta frequenza, tanto più sono dannosi per gli esseri viventi; non tanto perché aumenta il loro potere penetrante nei tessuti, tanto più perché si avvicina a valori di lunghezza d onda che mandano in risonanza i legami molecolari, portandoli alla rottura. Il principale utilizzo delle radiazioni ultraviolette è la sterilizzazione.
Raggi X 5 10 17 f 5 10 19 Hz, 6 10-10 λ 6 10-12 m Il loro principale utilizzo è in campo medico. Il loro potere penetrante è molto elevato, tanto da poter attraversare il corpo umano ed arrivare agli organi interni. L assorbimento dei raggi X è differente nei tessuti del corpo umano e soprattutto nelle ossa; il flusso di raggi X che attraversa il corpo è quindi diverso in corrispondenza del tessuto attraversato e una lastra fotografica viene più o meno impressionata radiografia, tomografia. Raggi f 3 10 18 Hz, λ 10-10 m Queste radiazioni sono tipiche dei raggi cosmici, ma non arrivano fino alla superficie terrestre perché filtrati prima dall atmosfera. Sono inoltre estremamente dannose per le cellule umane, in quanto portano alla rottura delle strutture molecolari. Una prolungata esposizione ai raggi, dovuta a reazione nucleare, può essere letale anche se è basso il trasporto di energia.
B B B B B Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria Colori e lunghezza d onda L occhio umano è sensibile solo ad una piccola parte dello spettro elettromagnetico: la luce VISIBILE COLORE LUNGHEZZA D ONDA (nm) violetto 380-430 azzurro 430-470 verde 470-520 giallo 520-590 arancione 590-610 rosso 610-750
Perché gli oggetti appaiono colorati? Gli oggetti colorati contengono dei PIGMENTI che DIFFONDONO solo la luce di un particolare colore, assorbendo il resto. sorgente di luce luce diffusa
Perché il cielo è blu? Diffusione Rayleigh: L intensità della radiazione diffusa è inversamente proporzionale con λ 4.
Le particelle nell atmosfera diffondono di più la radiazione blu.
Perché blu e non viola? - c è meno viola nella luce che arriva dal sole; - l atmosfera assorbe di più la luce viola; - il nostro occhio è più sensibile alla luce blu rispetto a quella viola. Abbiamo tre tipi di recettori di colore nella nostra retina: rosso, verde, blu.
COLORI PRIMARI rosso verde blu rosso + blu magenta rosso + verde giallo blu + verde ciano rosso + blu + verde bianco
Che colore ha il Sole? a) Bianco b) Giallo c) Rosso-arancione
Perché il sole al tramonto è rosso? Quando il sole è basso sull orizzonte i suoi raggi devono attraversare uno spessore maggiore di atmosfera cammino breve cammino lungo sole al tramonto atmosfera sole a mezzogiorno La diffusione della radiazione blu e verde è molto intensa; risulta una luce di colore rosso-arancio.
L atmosfera terrestre:
Composizione dell atmosfera:
La densità diminuisce rapidamente con l'altezza: - 90% della massa dell'atmosfera è contenuta entro i primi 20 km - 99,9% entro i primi 50 km. Rispetto al raggio della Terra (circa 6400 km), 99,9% dell'atmosfera della terra è in un anello il cui spessore è 0,8% del raggio terrestre. p = p 0 e -gh/rt - La pressione a 20 km di altezza è 1/10 della pressione atmosferica. - La pressione a 50 km di altezza è 1/1000 della pressione atmosferica.
Variazione della pressione con la quota Pressione (hpa) h (km) Superfici isobariche (x100 Pa) Quota (m) 1000 120 850 1460 700 3000 500 5600 300 9120 200 11800
Radiazione e le piante La vita sulla Terra è basata su scambi di: - Energia: irraggiamento, convezione, conduzione ed evaporazione - Materia: elementi nutritivi, CO 2, O 2 tra gli organismi viventi (piante) e l ambiente fisico.
E principalmente attraverso i flussi energetici che il clima interagisce con le piante: la radiazione, la temperatura dell aria, la temperatura del terreno, la velocità del vento e l umidità sono tutti fattori ambientali che influiscono sugli scambi di energia, mentre la concentrazione di anidride carbonica, la concentrazione di ossigeno e l umidità influiscono sugli scambi di gas. Questi fattori climatici agiscono sempre simultaneamente e in modo variabile nel tempo. Le piante, a loro volta possono essere in grado di rispondere ai fattori ambientali in modo più o meno sensibile. Una manifestazione dello stato energetico delle piante è la loro temperatura, che rappresenta la risultante di tutti gli scambi energetici e di massa tra pianta e ambiente fisico.
La crescita delle colture è un esercizio di conversione energetica che ha alla base il processo fotosintetico. Una coltura cattura l energia contenuta nella radiazione solare in modo simile a un pannello fotovoltaico. L agricoltura in senso lato può essere definita come l attività umana volta ad incrementare l efficienza con la quale l energia proveniente dal sole è utilizzata dalla pianta per la produzione di zuccheri, utilizzati per la sintesi di carboidrati, proteine, lipidi ed altri composti.
Gli agro-ecosistemi catturano l energia solare durante periodi più o meno lunghi e la conservano come energia chimica sotto forma di carboidrati, proteine e lipidi, che rappresentano circa il 95% della sostanza secca delle piante. La massa vegetale che viene accumulata non potrà mai essere maggiore della quantità di energia intercettata dalla pianta e usata per formare energia chimica. In questo senso è possibile affermare che è l ambiente fisico che stabilisce le rese potenziali di una coltura. Le piante dipendono dall energia, dall acqua e dalle sostanze minerali per i propri processi metabolici e per l accrescimento. La quasi totalità dell energia utilizzata dagli organismi deriva dalla radiazione solare. La radiazione è perciò uno dei componenti principali dell ambiente fisico in cui le colture vivono, ossia del microclima: La sua energia è il fattore che determina la temperatura dell aria, del terreno, e delle piante, i venti, l evaporazione e la fotosintesi.
I motivi per cui la radiazione è importante per la vita delle piante sono: 1) Effetti termici. L irraggiamento è il modo principale mediante il quale viene scambiata l energia tra l ambiente aereo e le piante. La radiazione solare rappresenta il più importante input energetico per le piante: parte di questa energia è convertita in calore, determinando la temperatura dei tessuti e quindi la velocità dei processi metabolici, parte viene scambiata mediante la traspirazione, parte ancora viene re-irradiata. 2) Fotosintesi. Parte della radiazione solare viene assorbita ed utilizzata per la sintesi di legami chimici ad elevato contenuto energetico e di composti ridotti del carbonio. Questo processo rappresenta il principale input di energia libera per la biosfera.
3) Fotomorfogenesi. La quantità e la distribuzione spettrale della radiazione solare ha un effetto morfogenetico sulle piante, che si manifesta con cambiamenti quantitativi nella crescita (divisione ed espansione cellulare) e nella differenziazione di cellule ed organi (sviluppo). 4) Mutagenesi. La radiazione di breve lunghezza d onda, e quindi particolarmente ricca di energia (ultra violetto, raggi X, raggi gamma), può danneggiare le cellule principalmente in quanto modifica la struttura del materiale genetico rompendo i legami degli acidi nucleici e causando mutazioni. Le piante hanno in genere messo a punto adeguati meccanismi di difesa nei confronti della radiazione UV: la cuticola che copre i tessuti vegetali assorbe questa radiazione in modo particolarmente attivo impedendole di penetrare all interno delle cellule.
La radiazione e le foglie PAR: La radiazione fotosinteticamente attiva o photosynthetically active radiation (PAR), in inglese, definisce l'intervallo spettrale della radiazione solare con lunghezze d onda nell intervallo 400-700 nanometri, che gli organismi fotosintetici sono in grado di utilizzare nel processo di fotosintesi. Questa regione spettrale corrisponde più o meno alla luce visibile all'occhio umano. I fotoni con lunghezze d'onda più corte tendono ad essere così energetici che possono essere dannosi per le cellule e tessuti, ma sono principalmente filtrati dallo strato di ozono nella stratosfera. I fotoni a lunghezze d'onda più lunghe non trasportano energia sufficiente la fotosintesi.
Anche le foglie hanno un proprio spettro di riflessione, trasmissione ed assorbimento. Si può notare il forte assorbimento nella banda della PAR (verde escluso circa 500 nm, da qui il colore verde delle foglie). Una piccola frazione di questa energia viene utilizzata per la fotosintesi e fissata nelle molecole organiche che ne derivano, mentre la maggior parte aumenta la temperatura della foglia o viene usata per la traspirazione.
Si può notare anche il basso assorbimento nell IR vicino, tra 0,7 e circa 1,2 micrometri, che evita un sovra riscaldamento della foglia e che è responsabile del fatto che la radiazione solare che giunge alla base della pianta è percentualmente più ricca in questo intervallo di lunghezze d onda. Mediamente, la quantità di radiazione solare assorbita da una foglia può essere considerata pari a circa il 50%, tranne che nelle prime ore del mattino e nelle ultime della sera, quando, essendo la radiazione solare relativamente più ricca nella regione dell infrarosso, l assorbimento scende mediamente al 40% (Gates, 1980). L assorbimento medio può aumentare fino al 59% in giornate nuvolose rispetto giornate serene a causa del fatto che la distribuzione spettrale della luce in questo caso è interamente nelle lunghezze d onda dell ultravioletto e del visibile, dove le foglie hanno il massimo assorbimento.
Se si considera l intero spettro di radiazione solare, si può parlare di coefficiente di riflessione delle foglie, o albedo fogliare, che è mediamente pari al 0,30, con minime variazioni tra le specie. Solo le foglie aghiformi delle conifere, con un albedo di 0,12, si discostano significativamente da questo valore, che è quindi accompagnato dal coefficiente di assorbimento più elevato (0,88), rispetto a valori di 0,50 nelle specie a foglia larga. Per quanto riguarda invece la radiazione LW, le foglie sono caratterizzate da un ottimo assorbimento nell IR lontano, così che in questa banda le foglie si comportano come dei corpi neri con valori di assorbività ed emissività da 0.94 a 0.99 per la maggior parte delle specie. L elevata emissività in questa banda di lunghezze d onda è fondamentale per consentire alla foglia di abbassare la propria temperatura reirradiando parte dell energia assorbita.