ACCENNI DI SPETTROSCOPIA INFRAROSSA

Molte volte per capire le complesse dinamiche atmosferiche bisogna prima capire i singoli processi che le generano, per questo oggi parlerò di come funziona la radiazione solare e terrestre, in particolar modo quella infrarossa.
Sappiamo gia che un corpo che si trova al di sopra di 0 gradi Kelvin (-273,15°C) emette fotoni con una certa energia o lunghezza d’onda, un corpo molto freddo emetterà onde radio, mentre diventando più caldo emetterà microonde, infrarossi ( lunghezza d’onda da 1mm a 700nm), poi riscaldandolo sempre di più emetterà luce visibile, ultravioletto, raggi X e raggi gamma. Man mano che un corpo si scalda la radiazione che emette avrà una lunghezza d’onda sempre minore, cioè una energia dei fotoni emessa più alta, per questo un fotone emesso con lunghezza d’onda a 400nm sarà più “energico” di uno emesso a 1 mm in accordo con la legge di Wien.
Ogni atomo o molecola dell’universo conosciuto è in grado di assorbire ed emettere almeno fino alla lunghezza d’onda dell’infrarosso, mentre a seconda delle proprietà delle molecole e dei legami che le legano e della temperatura, solo alcuni materiali possono assorbire ed emettere le lunghezze d’onda che vanno dalla luce visibile ai raggi gamma (esempio ozono O3) In particolar modo l’assorbimento dell’infrarosso si basa su due parametri:
Frequenza:il numero di bande, ossia delle lunghezze d’onda sempre all’interno dello spettro dell’infrarosso, dipendono da massa molecolare ( maggiore è la massa più bande vengono assorbite) e natura dei legami atomici ( più una molecola è poliatomica più bande sarà in grado di assorbire)
Intensità: controllata da un unico fattore cioè il Momento Dipolare ( maggiore è il momento maggiore è l’intensità dell’assorbimento)

IL SISTEMA TERRA-SOLE

Approssimando il fatto che la Terra produce (per decadimento radioattivo di alcune rocce) una quantità di energia insufficiente, possiamo affermare che l’attuale temperatura media del pianeta di 288 K cioè 15°C è dovuta quasi interamente al Sole. La superficie solare ha una temperatura media di quasi 6000°C il che basta per permettere al sole di emettere radiazione elettromagnetica in tutte le lunghezze d’onda, dalle onde radio ai raggi gamma, mentre la temperatura del nostro pianeta ci permette di emettere solamente fino all’infrarosso, perché per emettere luce visibile bisogna raggiungere temperature di diverse centinaia di gradi a seconda dei materiali. L’interfaccia che separa il suolo terrestre dallo spazio e dalla radiazione solare è ovviamente l’atmosfera che nei confronti dello spettro solare ha due caratteristiche:
1) Poiché si trova allo stato gassoso non riesce ad assorbire lo spettro della luce visibile, ne raggi UV, X e Gamma a meno che non si parli di molecole particolari come l’ozono O3 il quale ha una conformazione che gli consente di assorbire raggi UV.
2) Riesce ad assorbire l’infrarosso che riceve dalle due fonti: Sole e Terra, ma proprio perché si trova allo stato gassoso non riesce ad aumentare la propria temperatura assorbendo questo infrarosso.
Infatti Niels Bohr gia nel 1913 aveva scoperto che una molecola allo stato gassoso assorbe e riemette infrarosso in uguali quantità in accordo con la legge di Stefan-Boltzmann e con la legge di conservazione dell’energia, ma non riesce a convertirla in energia termica e quindi in calore. Semplicemente quello che accade è che una molecola allo stato gassoso assorbe fotoni con una certa energia che corrisponde ad una banda dell’infrarosso e fa passare un suo elettrone da uno stato di riposo a uno stato eccitato. Continua ad assorbire fotoni finchè tutti gli elettroni sono eccitati, dopodiché non riesce più ad assorbire fotoni finchè gli elettroni non tornano al loro stato di riposo e vengono emessi tanti fotoni quanti ne erano stati assorbiti in tutte le direzioni in modo casuale e nella stessa banda, cioè con la stessa energia( il tutto avviene ovviamente alla velocità della luce) Tutto questo è facilmente verificabile ad esempio quando acquistiamo una stufa ad ! infrarossi, la prima cosa che ci viene detta è che la stufa non scalda l’aria ma bensì gli oggetti solidi, i quali a causa delle loro caratteristiche oltre ad assorbire la radiazione infrarossa come tutti gli oggetti, la convertono in energia termica a differenza dei gas e quindi in movimento molecolare, il quale sappiamo bene che può essere trasmesso anche da un solido a un gas e quindi causare il riscaldamento dell’aria ( per conduzione) ed è cosi che la nostra atmosfera trova l’energia per mantenersi allo stato gassoso, sottraendo per conduzione unicamente energia al suolo e ai mari.

SISTEMA ATMOSFERA-SUOLO

Quindi gia possiamo intuire la differenza tra un pianeta con e un pianeta senza atmosfera, quello con l’atmosfera deve cedere una buona parte della propria energia all’atmosfera per mantenerla allo stato gassoso, mentre quello senza non spreca nemmeno una radiazione che riceve e quindi avrà T superficiale media superiore a quella del pianeta con atmosfera. Tuttavia nel vuoto dello spazio la Terra non può perdere la propria energia per conduzione ma solo per irraggiamento di onde radio,microonde e infrarosso. In questo caso il pianeta con atmosfera avrà un arma in più, i gas che compongono l’atmosfera hanno assorbito infrarossi e li riemettono in tutte le direzioni, anche verso il suolo, cercando di contenere il raffreddamento del pianeta. Per riassumere il pianeta immaginario con l’atmosfera riceve la stessa energia del pianeta senza atmosfera, ma poiché deve riscaldare più roba (atmosfera) ha una temperatura media inferiore del pianeta senza atmosfera che però viceversa non ha ostacoli nel raffreddamento e quindi si raffredda molto prima. In sostanza il primo pianeta ha una T più fredda del secondo ma con meno escursione termica sempre del secondo. Migliorare l’assorbimento dell’infrarosso da parte dell’atmosfera non fa altro che ridurre la radiazione infrarossa che giunge al suolo.

OBIEZIONI CHE SI POSSO FARE E RISPOSTE

Quella descritta sopra è una visione semplicistica di come vanno le cose, quindi si possono fare delle obiezioni ad esempio:

Obiezione 1) Se fosse vero che un gas non riesce a scaldarsi assorbendo infrarosso com’è possibile che nello spazio esistano le nebulose cioè ammassi gassosi che si mantengono allo stato gassoso pur avendo come fonte di energia solamente l’infrarosso che ricevono dalle stelle lontane?

Risposta: le nebulose sono amassi di gas e polveri quindi in parte sono anche solide, in più essendo ammassi, significa che la vicinanza delle molecole gassose consente urti tra molecole sufficienti per raggiungere temperature tali da mantenere i gas al loro stato.

Obiezione 2) Se fosse vero quello scritto sopra allora la Luna che riceve in proporzione la stessa quantità di onde elettromagnetiche della Terra dal Sole dovrebbe avere una temperatura superiore, anche in virtù del fatto che ha un albedo minore della Terra e invece passa dai 120°C di giorno ai -150°C di notte con una temperatura media sotto lo 0.

Risposta: I modelli che si basano sulla legge di Kirchoff e legge di Stefan-Boltzmann prevedono temperature superficiali più fredde di 40°C sulla Luna rispetto alla realtà e di 33°C sulla Terra, perché calcolano una remissione immediata del calore assorbito da parte dei due corpi, e invece non tengono conto del fatto che qualunque corpo trattiene il calore per un certo periodo di tempo prima di cederlo.

Obiezione 3) Siccome la Terra emette solo infrarosso,migliorare l’assorbimento dell’infrarosso causa un aumento della temperatura superficiale perché la radiazione infrarossa uscente dal suolo terrestre è maggiore di quella che arriva dal sole (circa il 45% del totale della radiazione solare) perché il resto delle radiazioni devono prima essere convertite in infrarosso per uscire dalla Terra.

Risposta: l’obiezione è in parte giusta e in parte no, ossia è vero che la Terra emette più IR di quanto ne riceve dal sole, perché il resto della radiazione solare è convertita dalla Terra prima in calore e poi in infrarosso, ma c’è un parametro che non viene considerato ossia il tempo. Si può approssimare che la Terra venga riscaldata dal sole per 12 ore in cui raggiunge una temperatura media di circa 15°C ( 288 K ) e che si raffreddi per altrettante ore, durante le quali però non raggiunge affatto temperature prossime a 0 K (-273,15°C) come ci aspetteremmo se è vero che la radiazione assorbita è uguale a quella emessa, e allora perché se riceve abbastanza energia per passare da 0 a 288 K non ne emette altrettanta da passare da 288K a 0K ma solamente da 288 a 278K ( ad esempio)? Questo avviene anche sulla Luna dove non c’è atmosfera e dove la temperatura passa dai 120°C di giorno a -150°C di notte, quindi il fenomeno non può essere attribuito solo al! l’atmosfera ma al fatto che la radiazione viene appunto convertita in calore quando arriva al suolo e trattenuta, pertanto, se il periodo di irraggiamento è uguale a quello di raffreddamento, come nel caso di tutti pianeti del sistema solare, ci vorrà sempre meno tempo per riscaldare che per raffreddare il pianeta. Un esperimento interessante che può confermare questo è stato proposto da Alan Siddons:

http://hockeyschtick.blogspot.com/2010/06/why-conventional-greenhouse-theory.html

Quindi la Terra emette più IR di quanta ne riceve ma in un tempo più lungo, nell’arco di tempo di 24 ore, 12 di raffreddamento e 12 di riscaldamento, l’infrarosso emesso è sempre inferiore a quello assorbito. La conseguenza è palese, migliorare l’assorbimento di infrarosso nell’atmosfera ha l’effetto di rimandare più IR possibili verso il suolo e quindi riscaldamento del suolo, ma dall’altra una riemissione di IR verso lo spazio molto più intensa perché molto più intensa è la radiazione infrarossa che arriva dalla sorgente sole.

Gerrard 8

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16 pensieri su “ACCENNI DI SPETTROSCOPIA INFRAROSSA

  1. Bello.
    Ti volevo chiedere solo una cosa.
    Hai affermato che, nell’IR la tarra emette piu’ del sole.
    In passato ho cercato di recuperare lo spettro misurato e nelle stesse unita’ di misura ( possibilmente in W/m2 per unità di frequenza 8) ) di terra e di sole per sovrapporli … ma non ci sono mai riuscito…

    (chiaramente, lo spettro della terra, fatto “appena fuori atmosfera” , quello del sole alla distanza terra.sole… visto che i W/m2 calano col quadrato della distanza….)

    Ciao
    Luca

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  2. Non mi torna quando dici che una molecola gassosa eccitata dalla radiazione IR può emettere solo radiazione IR..

    Ti dimentichi del sistema di rilassamento vibrazionale.

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  3. Paolo :
    Non mi torna quando dici che una molecola gassosa eccitata dalla radiazione IR può emettere solo radiazione IR..
    Ti dimentichi del sistema di rilassamento vibrazionale.

    Magari dirò una sciocchezza, premesso che la terra è un sistema che tende all’equilibrio, questo rilassamento vibrazionale, che poi si verifica con un aumento dell’energia cinetica (quindi di calore), non potrebbe essere compensato da una espensione del gas stesso, visto che un gas espandendosi si raffredda?

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  4. @nitopi
    certo perchè la terra emette come un corpo a una temperatura molto innferiore a quella del sole, quindi è normale che i grafici nn siano sovrapponibili. se la terra non girasse la faccia illuminata emetterebbe uno spettro molto simile a quello solare che sta all’interfaccia spazio-atmosfera, ma anche qui l’emesso sarebbe meno del riceuto. il fatto che la terra giri consente al pianeta di nn raggiungere mai la temperatura massima che potrebbe raggiungere

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  5. @Paolo
    un gas emette e assorbe qualunque tipo di radiazione in base alla sua temperatura, quello che ho detto è che l’assorbimento di IR nn determina un aumento di T del gas. un gas aumenta la propria temperatura solo con un aumento dell’energia cinetica

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  6. Giovanni Micalizzi :
    Ragazzi nn so dove postarlo, mi scuso ma ritengo importantissimo che la Nasa ha ritoccato la media finale ancora a 59 e si parla ormai di possibile nuovo M…………..

    ciao a tutti
    scusa non era già stato ritoccato a 59?

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  7. L’articolo contiene numerose imprecisioni. Per citarne una tra le tante:

    “2) Riesce ad assorbire l’infrarosso che riceve dalle due fonti: Sole e Terra, ma proprio perché si trova allo stato gassoso non riesce ad aumentare la propria temperatura assorbendo questo infrarosso.”

    Dopodiche’ si procede a spiegare il processo di assorbimento ed emissione di fotoni, secondo il modello di bohr.

    Il fatto e’ che, in buona parte dell’atmosfera (non negli strati piu’ alti e rarefatti) vige l’Equilibrio Termodinamico Locale. Una delle conseguenze, detta in parole povere, e’ che una molecola, una volta entrata in uno stato eccitato per l’assorbimento di un fotone, subisce numerosi urti con le altre molecole prima di poter riemettere il fotone stesso. Di conseguenza l’energia del fotone assorbito viene ridistribuita e convertita in energia cinetica ed il gas si scalda assorbendo la radiazione infrarossa. Una referenza per verificare questa mia affermazione e’ ad esempio:

    ‘An introduction to radiative transfer: methods and applications in astrophysics” di Annamaneni Peraiah

    ma la stessa affermazione si trova in molti altri testi.

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  8. @Giovanni
    Non basta citare quella frase o parlare di equilibrio termodinamico locale per definire inesattezza quello che ho scritto, altrimenti io posso citare questo:
    http://www.giurfa.com/gh_experiments.pdf e dire che le tue sono inesattezze. non c’è conversione da parte dei gas da infrarosso e energia cinetica, ma solo da parte dei solidi e liquidi. Se mi sbaglio, ed è possibile mi devi far vedere un articolo che lo dimostri, altrimenti quelle restano solo chiacchere

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  9. “Se mi sbaglio, ed è possibile mi devi far vedere un articolo che lo dimostri, altrimenti quelle restano solo chiacchere”

    Vai alla pagina:

    http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kinetic/frecol.html#c1

    e fai i calcoli con i parametri medi per l’atmosfera (in fondo alla pagina). Vedrai che in media una molecola ha 1000 urti ogni ns, mentre i tempi di emissione sono circa di 1 ns o piu’ alti. Quindi una molecola subisce circa milla urti prima di poter emettere un fotone. Comunque penso ci sia poco da dimostrare. Un qualsiasi libro di radiative transfer o fisica dell’atmosfera ti puo’ confermare che quello che ho detto e’ corretto. Pero’ bisogna prendersi la briga di prendere il libro e studiarlo.

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  10. @Giovanni
    questo sito dimostra solamente come all’aumentare di T o di P aumentino le collisioni tra gli atomi, non dice che l’infrarosso viene convertito in energia cinetica e quindi in urti. io sto parlando di riscaldare un gas con l’infrarosso, poco importa se gli urti hanno frequenza maggiore del rilascio di fotoni. cerca su google: ” stufe ad infrarosso” tutti gli articoli che trovi dicono che non scaldano l’aria, ma i solidi, e che poi questi scaldano l’aria per conduzione

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  11. @gerrard8

    Le condizioni di equilibrio termodinamico locale implicano che una molecola nel suo stato eccitato, per l’assorbimento di un fotone (infrarosso o meno), subisca numerosi urti con le molecole circostanti prima di poter riemettere il fotone. Durante questi urti l’energia immagazzinata nello stato eccitato viene ridistribuita alle altre molecole, ad esempio trasmettendo energia ai modi vibrazionali, o cedendola come energia cinetica, ecc… Il risultato e’ che il gas si scalda.
    Consulta un qualsiasi libro di fisica atmosferica o radiative transfer per verificare che quello che dico e’ corretto.

      (Quote)  (Reply)

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