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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.
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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*106 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.
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Indici di rifrazione:
Mezzo
n
Aria
1,000294
H2
1,000139
CO2
1,000449
Acqua
1,33
Alcool etilico
1,36
Cloruro di sodio
1,53
Diamante
2,42
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Legge di Stefan-Boltzmann:
W = ε σ A T4
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 Wm2K-4 è la costante di Stefan-Boltzmann
A – l’area del corpo
T – temperatura del corpo
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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
A = 1.7 m2
infrarosso
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Lo spettro elettromagnetico
LUNGHEZZA D’ONDA (m)
1fm
1m
1pm
10-14
102
10-12
RAGGI
GAMMA
B
B
B
1nm
10-10
1μm
10-8
RAGGI X ULTRAVIOLETTO
B
B
10-6
1mm
10-4
10-2
1
INFRA-
MICRO-
ONDE
ROSSO
ONDE
RADIO
B
ENERGIA
VISIBILE
B
B
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Onde hertziane 50 ≤ f ≤ 1000 Hz , 109 ≥ λ ≥ 106 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 103 ≤ f ≤ 109 Hz , 106 ≥ λ ≥ 0.3 m
Le onde radio sono utilizzate in prevalenza nelle trasmissioni radio ed, in
particolare, per la telefonia cellulare.
Microonde 109 ≤ f ≤ 3·1011 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.
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Infrarosso 3·1011 ≤ f ≤ 3.8·1014 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 3.8·1014 ≤ f ≤ 7.9·1014 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.
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Ultravioletto 7.9·1014 ≤ f ≤ 5·1017 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 O3. 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.
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Raggi X 5·1017 ≤ f ≤ 5 · 1019 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 · 1018 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.
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Colori e lunghezza d’onda
L’occhio umano è sensibile solo ad una piccola parte
dello spettro elettromagnetico: la luce VISIBILE
COLORE
violetto
azzurro
verde
giallo
arancione
rosso
LUNGHEZZA
D’ONDA (nm)
380-430
430-470
470-520
520-590
590-610
610-750
B
B
B
B
B
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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
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Perché il cielo è blu?
Diffusione Rayleigh:
L’intensità della radiazione
diffusa
è
inversamente
proporzionale con λ4.
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Le particelle nell’atmosfera
diffondono di più la
radiazione blu.
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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.
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COLORI
PRIMARI
rosso
verde
rosso + blu magenta
rosso + verde giallo
blu + verde ciano
rosso + blu + verde bianco
blu
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Che colore ha il Sole?
a) Bianco
b) Giallo
c) Rosso-arancione
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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
sole a
mezzogiorno
cammino lungo
sole al tramonto
atmosfera
La diffusione della radiazione blu e verde è molto intensa; risulta
una luce di colore rosso-arancio.
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L’atmosfera terrestre:
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Composizione dell’atmosfera:
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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 = p0·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.
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Variazione della pressione con la quota
Superfici
isobariche (x100 Pa)
h (km)
Pressione (hPa)
Quota
(m)
1000
120
850
1460
700
3000
500
5600
300
9120
200
11800
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Radiazione e le piante
La vita sulla Terra è basata
su scambi di:
- Energia: irraggiamento,
convezione, conduzione ed
evaporazione
- Materia: elementi nutritivi,
CO2, O2
tra gli organismi viventi
(piante) e l’ambiente fisico.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 re-
irradiando parte dell’energia assorbita.
