Progetto “Effetti termici delle radiazione ed effetto serra”

Progetto “Effetti termici delle radiazione ed effetto serra”
IRRAGGIAMENTO
L’irraggiamento è il meccanismo con cui si trasferisce energia sottoforma di onde elettromagnetiche
(energia radiante).
I corpi possono assorbire energia radiante aumentando la propria energia interna. Tutti i corpi che hanno
una temperatura maggiore dello zero assoluto (-273 °C) emettono energia radiante con una diminuzione
della loro energia interna.
L’energia irraggiata nell’unità di tempo da un corpo è direttamente proporzionale alla superficie del
corpo e alla quarta potenza della sua temperatura assoluta.
Con il radiometro abbiamo misurato l’intensità relativa della radiazione infrarossa (“termica”) emessa
da diversi oggetti (piastra calda, mani, etc.); abbiamo verificato che un corpo, ad una data temperatura,
emette radiazioni, evidenziando il fatto che all’aumentare della temperatura aumenta anche la radiazione
emessa; infatti mettendo il radiometro sulla piastra riscaldata dalla fiamma del becco bunsen abbiamo
ottenuto un’intensità della radiazione in continuo aumento.
Per le caratteristiche dei processi di emissione e di assorbimento, un corpo è in grado di emettere
radiazioni della stessa lunghezza d'onda di quelle che può assorbire.
Un corpo solido emette radiazioni di “colori” diversi, cioè di lunghezze d’onda diverse in base alla
temperatura a cui si trova; le diverse componenti non hanno uguale intensità: la potenza emessa presenta
un massimo in corrispondenza ad una data lunghezza d'onda, il cui valore dipende dalla temperatura.
Un pezzo di ferro riscaldato fino a 500-600 K (circa 200-300 °C) emette radiazioni non visibili costituite
da raggi infrarossi, che avvertiamo perché a tali raggi sono sensibili i recettori termici della pelle, infatti
a questa temperatura la maggior parte dello spettro è nell'infrarosso e l'irraggiamento nel visibile è molto
basso.
Le radiazioni visibili incominciano ad essere percepibili quando la temperatura raggiunge i 700 - 800 K
(400-500°C): la sensazione visiva è un debole colore rosso bruno. La sensazione termica è molto più
intensa (in effetti a queste temperature il massimo dello spettro è intorno ai 4m).
Tra i 900 ed i 1000 K (600-700 °C) l'irraggiamento nel visibile è più elevato e la radiazione viene
percepita come una luce di colore rosso cupo, piuttosto intensa. La radiazione infrarossa è cresciuta di
intensità in modo assai più marcato.
A temperature più alte il ferro diventa rosso brillante e poi rosso arancio. Le sensazioni termiche sono
ancora più intense.
Intorno ai 1400 K (1100 °C) il colore è bianco-giallo: è lo stadio tipico dell’incandescenza. Da notare
che la quantità di energia infrarossa emessa è sempre molto maggiore di quella visibile.
Un’esperienza qualitativa su una lampadina a filamento
Abbiamo svolto un’esperienza simile a quella del ferro riscaldato alimentando una lampadina al
tungsteno da 12 V con pile di diverso voltaggio. Abbiamo osservato un cambiamento di colore della
luce emessa al variare della temperatura del filamento. Abbiamo analizzato tre casi:
- la lampadina è sottoalimentata (4,5 V): la temperatura del filamento è tale da provocare una debole
emissione di luce rossastra. Dopo un po’ di tempo però si può riconoscere che il bulbo di vetro e la
ghiera sono caldi.
- la lampadina è sottoalimentata (9 V): la luce è più intensa e il colore del filamento è rosso-arancio.
Ghiera e bulbo si scaldano più rapidamente.
- la lampadina è sovralimentata (13,5 V): il filamento emette una intensa luce bianca.
Cerchiamo di dare una spiegazione: nel sistema entra energia elettrica che si trasforma in energia
interna del filamento provocando un aumento della sua temperatura. Questo processo produce
l’emissione di radiazione di diverse frequenze. La potenza della radiazione emessa è dovuta soprattutto
alla radiazione infrarossa: il rapporto fra energia radiante visibile e energia elettrica è piuttosto basso. Se
la lampadina è alimentata in modo corretto in pochi millisecondi tutta l’energia elettrica erogata dal
generatore si trasforma in energia radiante emessa dal filamento.
Con l’emissione di radiazione iniziano però anche altri processi, più lenti, che coinvolgono scambi di
calore: una parte dell’energia infrarossa viene assorbita dal bulbo durante l’attraversamento del vetro; il
vetro aumenta la sua temperatura (infatti ci si scotta se si cerca di svitare una lampadina accesa) e inizia
a irraggiare a sua volta; lo spettro di emissione del vetro è esclusivamente infrarosso, dal momento che
S.Pigorini, marzo 2010
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la sua temperatura non supera i 150°C. Inoltre il vetro, essendo a contatto con l’aria, inizia a fornirle
calore. Il filamento e il bulbo sono a contatto con la ghiera e con il materiale isolante che questa
contiene: per conduzione, del calore passa dal filamento e dal bulbo nella ghiera, e da questa al portalampada e prende la via per disperdersi nell’aria e nei materiali del lampadario. Tutta l’energia radiante,
assorbita dalle pareti della stanza e dagli oggetti illuminati, si trasformerà in energia interna di questi, a
sua volta ceduta in gran parte all’aria.
OSSERVAZIONE: Irraggiare energia è un destino cui non può sfuggire nessun sistema che, per
qualunque motivo, si trovi ad avere una temperatura diversa dallo zero assoluto. Per lo stesso
motivo ogni sistema che si trovi in un ambiente che non sia allo zero assoluto è destinato ad
assorbire energia radiante.
Spettri di emissione di sistemi gassosi e delle stelle
I corpi gassosi emettono radiazioni aventi solo certe lunghezze d’onda. Ogni sostanza pura allo stato
gassoso emette, ad una data temperatura, un suo spettro caratteristico; ne è un esempio il “saggio alla
fiamma” che si effettua in laboratorio di chimica.
Lo spettro di emissione di una miscela di gas contiene tutte le righe dei gas componenti. Per questo lo
spettro di emissione delle stelle risulta essere uno spettro continuo e la dipendenza dalla temperatura è
molto simile a quello di un corpo ”ideale” nero.
Questo fatto consente di utilizzare il valore della lunghezza d'onda del massimo dello spettro di
emissione per risalire alla temperatura della
superficie di una stella.
Per esempio lo spettro della luce solare, con
un picco nel visibile 500 nm (giallo), rivela
che la superficie della stella si trova a circa
6000 K.
La radiazione emessa da un corpo a 300 K
(circa la temperatura ambiente) ha un
massimo corrispondente a λ = 104 nm, ossia
nel lontano infrarosso (vedi fig. 6
Cosa vuol dire trasparente?
Quando un materiale assorbe energia radiante, si ha un aumento dell’energia interna e della sua
temperatura; cioè la radiazione produce effetti termici quando viene “catturata” dal materiale.
Un oggetto è trasparente se una parte dell’energia entrante passa attraverso ad esso senza produrre effetti
termici.
Quando abbiamo messo la lastra di vetro
(e poi di plastica) sopra la piastra
riscaldata abbiamo notato che il vetro (o
la plastica) si scaldava e che il
radiometro segnava una diminuzione
della radiazione. Abbiamo spiegato
questo risultato dicendo che la
radiazione infrarossa emessa dalla
piastra non passa attraverso il vetro (o la
plastica), ma è assorbita e riflessa da
questi materiali. La luce visibile invece
passa attraverso il vetro, infatti si può
vedere la piastra anche dietro la lastra.
Nei materiali (in particolare vetro e plastica trasparente) la trasparenza dipende dalla lunghezza d’onda
della radiazione. Il vetro è trasparente per radiazioni aventi lunghezza d’onda tra circa 400 nm (vicino
ultravioletto) e 3500 nm (vicino infrarosso). Il vetro è quindi trasparente alla radiazione solare visibile e
nel vicino infrarosso mentre è opaco alla radiazione emessa da una sorgente ad una temperatura
inferiore a 300 °C, cioè nell’infrarosso.
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MODELLINO DI SERRA
Nel caso di scatola aperta gli elementi chiave da considerare sono i seguenti:
- La radiazione solare che entra nella scatola è assorbita dalla piastra nera e ne produce un aumento di
temperatura.
- La piastra nera emette radiazione infrarossa che esce dalla scatola. Inoltre, del calore passa dalla
piastra all’aria in contatto con essa e al fondo della scatola. La convezione produce un continuo scambio
di aria fra l’interno e l’esterno della scatola.
- La piastra raggiunge una temperatura di equilibrio quando il flusso di radiazione solare assorbita è
uguale al flusso di radiazione infrarossa emessa e calore ceduto. Questa temperatura è più elevata della
temperatura dell’aria nell’ambiente.
Nel caso di scatola chiusa con il coperchio:
- La radiazione entrante è quasi uguale a quella del caso precedente (ad eccezione della radiazione
ultravioletta e del lontano infrarosso che vengono “bloccate” dal coperchio). Questa radiazione è
assorbita dalla piastra nera e produce un aumento della temperatura.
- La piastra emette radiazione infrarossa che non passa attraverso il coperchio di vetro, perché questo la
assorbe e parzialmente la riflette. L’aria nella scatola riceve calore dalla piastra, ma il coperchio
impedisce uno scambio di aria con l’esterno.
- Aumenta la temperatura del coperchio che emette radiazione infrarossa e cede calore all’aria in
contatto con esso. Si raggiunge una temperatura di equilibrio del coperchio quando il flusso di “energia
entrante” è uguale al flusso di energia uscente (radiazione infrarossa emessa dal coperchio e calore
ceduto).
- Il coperchio emette radiazione verso l’esterno e verso l’interno della scatola.
- La temperatura di equilibrio della piastra è maggiore di quella del caso precedente poiché nella
condizione di equilibrio la piastra deve emettere una quantità di energia in grado di bilanciare non solo
l’energia che riceve dal Sole, ma anche quella che riceve dal coperchio. Il bilancio dell’energia in
entrata e in uscita dalla scatola è mostrato in Figura.
Nella figura, la dimensione delle frecce è qualitativamente legata al valore del flusso di energia che
rappresentano. I differenti flussi sono:
RSUN : radiazione solare entrante nella scatola; RENV: radiazione proveniente dall’ambiente;
RL : radiazione emessa dal coperchio;
RP : radiazione emessa dalla piastra;
QP : flusso di calore dalla piastra al coperchio attraverso l’aria all’interno della scatola;
QL : flusso di calore dal coperchio all’aria dell’esterno
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Bilancio energetico della Terra, effetto serra della Terra e riscaldamento globale.
Per costruire un modello dell’effetto serra terrestre, si può immaginare una relazione tra gli elementi del
sistema atmosfera-Terra e quelli del modellino di serra:
- La superficie della Terra gioca lo stesso ruolo della piastra nera: assorbe la radiazione incidente ed
emette radiazione infrarossa in base alla sua temperatura.
- L’atmosfera gioca lo stesso ruolo del coperchio, è trasparente per la maggior parte della radiazione
solare, ma assorbe la radiazione del lontano infrarosso emessa dalla Terra.
Questo assorbimento è dovuto principalmente al vapore acqueo, alle nuvole e al CO2, con un più
piccolo contributo (del 5%) dei gas O3, N2O e CH4 e un contributo ancora più piccolo di altri gas
antropogenici, come i clorofluorocarburi del tipo per esempio del CFCl3. Tutti questi gas, responsabili
dell’assorbimento della radiazione del lontano infrarosso, sono chiamati “gas serra”.
Questi gas emettono radiazione infrarossa verso la Terra e verso lo spazio esterno. Questo effetto ha
garantito sulla superficie della Terra una temperatura di equilibrio compatibile con la vita. La situazione
è rappresentata nella Figura.
In questo caso, i vari flussi sono i seguenti:
RSUN : radiazione solare;
R’SUN : radiazione solare riflessa dall’atmosfera e dalla superficie della Terra;
R’’SUN : radiazione solare assorbita dalla Terra (circa 2/3) e dall’atmosfera, in particolare dalle nuvole
(circa 1/3);
RE : radiazione emessa dalla Terra: molta di questa energia è assorbita dai gas serra e dalle nuvole
(R’’E); la restante parte supera l’atmosfera ed esce nello spazio (R’E);
QE : rappresenta due contributi: il calore ceduto dalla superficie della Terra all’aria, e l’energia termica
liberata durante la formazione di nuvole, ossia durante la condensazione del vapore prodotto sulla
superficie terrestre (oceani);
RAd : radiazione emessa dall’atmosfera e assorbita dalla Terra;
RAu : radiazione emessa dall’atmosfera verso lo spazio.
Un aumento della concentrazione di CO2 e degli altri gas serra nell’atmosfera provoca un aumento
dell’assorbimento (R’’E) e della emissione di radiazione infrarossa (RA). Conseguentemente si ha un
incremento della temperatura di equilibrio della Terra.
È importante evidenziare il fatto che l’effetto serra ha un ruolo fondamentale nel mantenere la
temperatura della superficie della Terra adatta alla vita. È l’incremento di tale effetto che è
potenzialmente pericoloso.
Bibliografia
U. Besson, A. De Ambrosis, L. Borghi, e P. Mascheretti, Effetti termici della radiazione ed effetto
serra, Dipartimento di Fisica “A. Volta”, Università di Pavia
F. Herrmann, Der Karlsruher Physikkurs (traduzione italiana), www.scuoladecs.ti.ch
S.Pigorini, marzo 2010