Processi fisici di interazione radiazione-atmosfera e loro formalizzazione. Trasporto radiativo Boyan Petkov Istituto di Scienze dell'Atmosfera e del Clima, CNR Tutorial UV Bologna, 1-3 dicembre 2008 LO SPETTRO SOLARE La radiazione UV in arrivo sul nostro pianeta rappresenta solo il 7.5% della radiazione emessa dal Sole ma è molto importante per la composizione dell’atmosfera terrestre in quanto fornisce l’energia necessaria a scindere i legami chimici delle molecole presenti in atmosfera 2.0 UV 2 RADIAZIONE (W/m ) 2.5 1.5 1.0 0.5 0.0 200 400 600 800 1000 1200 LUNGHEZZA D'ONDA (nm) 1400 I processi che caratterizzano l’interazione tra la radiazione solare e l’atmosfera terrestre sono: L’assorbimento da parte di diversi costituenti atmosferici. La diffusione (scattering) da: Molecole (scattering di Rayleigh) Particelle di aerosol La riflessione al suolo (riflessioni dirette e multiple) Lo scattering e assorbimento da parte delle nubi Interazione con la materia – la legge di Lambert-Beer Nell’attraversare un mezzo interagente, processi di scattering ed assorbimento possono rimuovere parte della energia La variazione di intensita’ puo’ essere espressa dalla relazione dove n σ Kλ Iλ dI λ = − k a (λ ) I λ ds N k a (λ ) = K λ σ n ds concentrazione dei particelle/molecole aria sezione geometrica fattore di efficienza (adimensionale) σ a (λ ) = K λ σ sezione d’urto di scattering/assorbimento s − σ a (λ ) n ds Iλ (s) = I0,λ e 0 −τ a (λ , s ) = I0,λ e −τ a (λ , s ) è spessore ottico x= 2π r λ Al limite dell’ottica geometrica, la particella presenza una sezione di urto ottica doppia rispetto a quella geometrica se l’indice di rifrazione m e’ reale (scatterante pura) Distribuzione angolare della radiazione scatterata (diffusa) λ= 0.5 µm particelle di raggio 10-4 µm, 0.1 µm e 1 µm Quindi K 10-3, 1, 13 Interazione con la materia – l’effetto di aerosol e molecole Descritto dalla teoria di Mie (1905) per particelle sferiche E dell’indice complesso di rifrazione m = mr + imi Rayleigh (molecole d’aria) λ-3 < Kλ < λ-0.5 Mie Scattering Kλ quasi costante Ottica geometrica Kλ est. = Kλ scatt. + Kλ abs Refractive indices of aerosol particles at λ = 589 nm Substance m = n + ik n k Water 1.333 10-8 Ice 1.309 10-8 NaCl 1.544 0 H2SO4 1.426 0 NH4HSO4 1.473 0 (NH4)2SO4 1.521 0 SiO2 1.55 0 Black Carbon (soot) 1.96 0.66 Mineral dust ~1.53 ~0.006 I principali processi di assorbimento della radiazione solare UV I principali processi di assorbimento della radiazione solare visibile e IR Scattering di Rayleigh Può essere definito come lo scattering prodotto dalle molecole d’aria: contribuisce a produrre la maggior parte della radiazione solare diffusa 80 U V V IS IB IL E 60 50 40 30 20 90 TRASMITTANZA (%) DIFFUSIONE (%) 70 100 80 70 60 50 40 10 30 0 20 300 400 500 600 700 L U N G H E Z Z A D 'O N D A ( n m ) L’intensità dello scattering di Rayleigh diminuisce al crescere della lunghezza d’onda, in misura proporzionale all’inverso della quarta potenza della lunghezza d’onda: essendo più forte nel blu, esso determina il colore azzurro del cielo. U V V IS IB IL E 300 400 500 600 700 L U N G H E Z Z A D 'O N D A ( n m ) La trasmittanza dell’atmosfera nell’UV è limitata dallo scattering di Rayleigh in una misura compresa tra il 20% e il 70%. Equazione del trasporto radiativo Mettendo insieme le relazioni (derivate dalla legge di Lambert) per i processi di rimozione (scattering, assorbimento) della radiazione dal pennellino di radiazione e quelli di emissione (intesa qui come qualsiasi processo contribuisca ad accrescere l’energia radiante contenuta dal pennellino) Omettendo i suffissi per semplicita’ possiamo scrivere immediatamente la soluzione di tale equazione dove E’ lo spessore OTTICO del materiale tra i punti s ed s’ Il significato fisico della soluzione appena scritta e’ chiaro: Essa esprime il fatto che in ogni punto, l’intensita’ di radiazione in una data direzione risulta dalla emissione occorsa in tutti i punti prima di s’, ridotto del fattore e(τ(s,s’)) che da’ conto dell’assorbimento prodotto dalla stessa materia attraversata