INTERAZIONE ELETTROMAGNETICA

� Meccanismi di interazione in aria chiara

Riconducibili a fenomeni di assorbimento, emissione e diffusione di energia elettromagnetica selettivi in frequenza, legati a transizioni fra diversi livelli energetici molecolari e atomici dei gas atmosferici, a fenomeni non risonanti e alla rifrazione

� Meccanismi di interazione con particelle diffondenti (scatteringRayleigh, Mie, Raman)

ASSORBIMENTO ED EMISSIONE DEI GAS ATMOSFERICI

� Per riassumere l’interazione dell’energia incidente con le molecole del mezzo gassoso si può definire un coefficiente di assorbimento atmosferico

� L’energia trasferita alla molecola porta quest’ultima a un livello energetico eccitato. La molecola può poi tornare a un livello energetico inferiore e ri-emettere energia sotto forma di onda elettromagnetica� Se si assume l’ipotesi di equilibrio termodinamico locale così da � Se si assume l’ipotesi di equilibrio termodinamico locale così da caratterizzare ogni punto con un valore di temperatura, allora il bilanciamento tra l’energia assorbita e quella emessa da ogni elemento di volume conduce alla legge di Kirchhoff, che impone l’uguaglianza del coefficiente di emissione con quello di assorbimento

� I livelli energetici di una molecola gassosa sono definiti e discreti, quindi l’interazione avviene a frequenze specifiche e si manifesta come uno spettro a righe

Oltre all’energia cinetica, l’unica non quantizzata, l’energia totale posseduta da una molecola isolata di gas può essere espressa come la sovrapposizione di 3 ulteriori tipi di energie derivanti da meccanismi diversi: elettronici, vibrazionali, rotazionali.

Elettronici: i livelli energetici elettronici risultano dal trasferimento di elettroni fra differenti orbitali

MECCANISMI DI ASSORBIMENTO

trasferimento di elettroni fra differenti orbitali

Vibrazionali: derivano da modi di vibrazione della molecola

Rotazionali: corrispondono a rotazioni della molecola attorno a diversi assi di simmetria, caratteristici di molecole con momento di dipolo permanente (fra i principali componenti atmosferici solo il vapor d’acqua ha un momento di dipolo elettrico permanente)

Il legame fra la frequenza fml della radiazione elettromagnetica ed il salto energetico associato all’interazione (assorbimento o emissione) è stabilito dalla formula di Bohr:

h

EEf lm

lm

−=h = 6.63 10-34 Js costante di Planck

Em ed El energie associate ai livelli energetici m e l

Le righe spettrali non sono in realtà infinitamente strette, ma risultano allargate in bande spettrali a campana a causa di tre meccanismi principali:� Tempo di vita media finito dello stato energetico metastabile� Collisioni tra molecole, favorite dalla pressione� Agitazione termica delle molecole stesse

Le frequenze corrispondenti ai salti energetici dovuti a meccanismi rotazionali cadono nello spettro delle microonde e del lontano infrarosso

MICROONDE

Le linee spettrali più basse del vapor d’acqua si presentano a 22.235 e 183.31 GHz

Nello spettro delle microonde fra 20 e 200 GHz, l’assorbimento è dominato dall’interazione delle onde elettromagnetiche con le molecole di vapor d’acqua e di ossigeno presenti nella bassa atmosfera

La molecola di ossigeno possiede un momento di dipolo magnetico permanente, dovuto allo spin elettronico, che produce un largo numero di linee spettrali localizzate nell’intervallo fra 50 e 70 GHz (complesso dell’ossigeno a 60 GHz) e una linea a 118.75 GHz

Nell’alta atmosfera le molecole dei costituenti minori giocano un ruolo più evidente, con una firma spettrale molto ricca di linee a frequenze superiori. I costituenti atmosferici più importanti in funzione delle varie interazioni sono:

� Anidride carbonica: 15 µm, 4.3 µm, 2.7 µm

� Vapor d’acqua: 6.2 µm, 3.2 µm, 2.7 µm, 1.87 µm, 1.38 µm

� Ozono:14.2 µm, 9.6 µm, 4.8 µm

IR-VIS-UV

� Ozono:14.2 µm, 9.6 µm, 4.8 µm

Le linee spettrali nel visibile e nell’ultravioletto corrispondono a transizioni elettroniche. Nella zona del visibile l’assorbimento atmosferico è dovuto principalmente all’ozono

In ogni regione dello spettro di frequenze al di fuori delle bande spettrali, che corrispondono a un assorbimento risonante, si può presentare anche un assorbimento continuo, non risonante, dovuto al decadimento lento delle code di linee spettrali centrate su frequenze lontane

Metano

Ossido di Carbonio

Ossido di Azoto

Azoto : Ruolo di diluizione dell’ossigeno atmosferico; l’infiammabilità dell’aria è infatti determinata dalla proporzione tra azoto e ossigeno nell’atmosfera. Un abbassamento rilevante della concentrazione di azoto atmosferico significherebbe incendi più devastanti, più frequenti e di carattere più esplosivo.

Ozono stratosferico : assorbe i raggi UV dannosi per le specie viventi.

Anidride carbonica : molecola generata dalla respirazione degli animali, dalla putrefazione organica e dalla combustione di combustibili di origine fossile (carbone e petrolio); è responsabile dell’effetto serra. Tende infatti ad assorbire le radiazioni nella porzione dell’infrarosso e ad intrappolarle nell’atmosfera , provocandone il riscaldamento

Ozono troposferico : inquinante secondario generato per effetto dell’interazione fra irraggiamento solare ed alcuni inquinanti primari come gli ossidi di azoto (prodotti da traffico veicolare, impianti di combustione delle industrie, centrali termoelettriche, inceneritori di rifiuti) e i composti organici volatili come ad esempio il benzene (generati prevalentemente dal traffico veicolare).

Vapor d’acqua : è trasparente rispetto alla radiazione solare in arrivo, ma assorbe la radiazione emessa dalla Terra contribuendo all’effetto serra. Variazioni con la quota. dipende fortemente dalla zona geografica, dai cicli giornalieri, dalle stagioni

RIFRATTIVITÀ ATMOSFERICA

Per un’analisi completa della propagazione dell’onda elettromagnetica in atmosfera occorre tener conto della variabilità della costante dielettrica. In particolare la presenza dei gas rende la costante dielettrica maggiore, sebbene di poco, di quella del vuoto

Spesso invece che alla costante dielettrica si fa riferimento all’indice di rifrazione nall’indice di rifrazione n

rn ε=

Tipicamente n, al livello del mare, assume valori intorno a 1.0003. Nella pratica, per ragioni di comodità numerica, al posto di n si usa la rifrattività N, definita come

610)1( ⋅−= nN

Un’equazione pratica approssimata per calcolare la rifrattività di una miscela di ossigeno, vapor d’acqua, e anidride carbonica, per frequenze minori di 200 GHz è la seguente (Bean and Dutton, 1966)

251073.36.77

T

e

T

PN ⋅+=

Dove P è la pressione totale atmosferica in mb, T la temperatura assoluta in K ed e la pressione parziale del vapor d’acqua in mbassoluta in K ed e la pressione parziale del vapor d’acqua in mb

In condizioni medie P, T ed e decrescono con la quota, così da produrre una rifrattività N anch’essa decrescente. La propagazione di un fronte d’onda viaggiante in direzione non verticale subisce allora un incurvamento verso il basso (legge di Snell), che può essere tenuto in conto considerando ancora una propagazione rettilinea del fronte d’onda, con l’introduzione di un raggio terrestre equivalente incrementato attraverso un coefficiente moltiplicativo pari a 4/3 (caso standard)

In alcune situazioni di stabilità meteorologica e in presenza di accumulo di vapor d’acqua, può accadere che l’indice di rifrazione decresca con la quota inizialmente con un gradiente molto maggiore rispetto alle condizioni standard, per cui la curvatura del raggio può risultare maggiore di quella terrestre e tale da far tornare l’onda sulla superficie. In questo caso si verificano fenomeni di intrappolamento dell’onda in prossimità della superficie.

L’EFFETTO CONDOTTO

Se tale situazione è presente su estensioni dell’ordine delle centinaia o migliaia di km è possibile una propagazione del segnale con bassa attenuazione fino a distanza altrimenti non raggiungibili (effetto condotto)

superficie.

Fluttuazione rapide dell’indice di rifrazione, che si verificano su scale non grandi rispetto alle dimensioni del fronte d’onda, producono variazione locali del fronte d’onda stesso. L’ampiezza di un segnale che si sia propagato attraverso un’atmosfera così caratterizzata presenta allora una variazione aleatoria sovrapposta al valor medio, dando luogo al cosiddetto fenomeno della scintillazione

SCINTILLAZIONE

della scintillazione

Gli spostamenti in verticale sono definiti moti convettivi mentre quelli in orizzontale moti di avvezione (l’avvezione è il trasporto di aria ad opera di venti orizzontali)

PROBLEMA DIRETTO E PROBLEMA INVERSO

Ipotesi di partenza

B (misurabile) è sensibile a AProblema diretto

Problema

Voglio conoscere A (difficile o scomodo da misurare)

Problema diretto

A BDevo cioè determinare la funzione F tale che: F(A) = B

Problema inverso

B ADevo cioè determinare la funzione F tale che: F-1(B) = A

MODELLO DIRETTO PER RADIOMETRIA A MICROONDE DA TERR A