02 – La radiazione elettromagnetica Scuola di Scienze e Tecnologie L-32 / L-34 – Scienze geologiche, dell’ambiente e della natura Corso di “Geografia fisica” Modulo “Fisica dell’atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci 02 – La radiazione elettromagnetica

c = 299’792’458 m/s, un po’ più di 1 miliardo di Km/h La radiazione elettromagnetica (REM) La radiazione elettromagnetica (REM) è la forma di energia responsabile della propagazione di onde elettromagnetiche. Si tratta di un fenomeno ondulatorio dato dalla propagazione in fase di un campo elettrico e di un campo magnetico, oscillanti in piani ortogonali tra loro e rispetto alla direzione di propagazione. Pur essendo un fenomeno ondulatorio, la radiazione elettromagnetica ha anche una natura quantizzata, che le consente di essere descritta come un flusso di fotoni, che nel vuoto viaggiano alla velocità della luce (c). c = 299’792’458 m/s, un po’ più di 1 miliardo di Km/h Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

La radiazione elettromagnetica (REM) Ogni corpo fisico emette REM distribuita in uno spettro di frequenze che dipende dalla temperatura dell’emettitore. All’aumentare della temperatura, infatti, aumenta la quantità di energia dell’onda (intensità). Partendo dalla Legge di Stefan e dalla Legge di Planck, è poi possibile dedurre che la lunghezza dell’onda di picco emessa da un corpo è proporzionale alla quarta potenza dell’inverso della sua temperatura: λ = 1 / T4 Dato che la REM viaggia a velocità costante (c), frequenza (f) e lunghezza d’onda (λ ) sono in relazione inversa. Anche l’energia del fotone dipende dalla temperatura del corpo emettitore, dato che cresce al crescere della frequenza (e quindi della temperatura) Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Lo spettro della REM Lo spettro di frequenze della radiazione elettromagnetica è convenzionalmente suddiviso in “campi”, dai raggi gamma (altissime frequenze) alle onde radio (bassissime frequenze) Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Interazioni della REM con la materia La REM, incontrando la materia, può essere: TRASMESSA (corpo trasparente) RIFLESSA (corpo “chiaro”) ASSORBITA (corpo “scuro”) Per la legge della conservazione dell’energia: I = T + R + A R T I A Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Materia e REM Per ciascun corpo (solido, liquido o gassoso) le percentuali di REM che vengono trasmesse, riflesse e assorbite variano al variare della lunghezza d’onda della REM incidente in funzione delle sue caratteristiche fisiche, chimiche e strutturali. Ciascun materiale ha quindi tre sue tipiche «firme spettrali» (una relativa allo spettro della trasmittanza, una a quello della riflettanza (la più comunemente usata a scopi pratici) e una terza a quello dell’assorbanza. Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Trasmittanza dell’atmosfera La REM proveniente dal Sole viaggia indisturbata ne vuoto cosmico, ma attraversando l’atmosfera interagisce con i materiali che la compongono. Di conseguenza, lo spettro della REM che raggiunge la superficie terrestre è diverso rispetto a quello originale di emissione, dato che una parte della REM viene assorbita o riflessa. In particolare, si possono notare intervalli spettrali in cui la trasmittanza dell’atmosfera è molto buona (finestre) e picchi di assorbimento/riflessione legati ai singoli componenti dell’atmosfera. Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci

Assorbimento e riemissione della REM La radiazione assorbita da un materiale ne provoca alterazioni a livello atomico, molecolare e strutturale che comportano un incremento dell'energia interna. Questa energia assorbita si riflette nel riscaldamento del corpo (proporzionale alla sua assorbanza nello spettro della REM incidente) che, quindi, dovrà ri-emettere REM di intensità e frequenze compatibili con la sua nuova temperatura. Il Sole, che ha una temperatura intorno ai 6’000 °K, ha il suo picco di emissione nel campo della luce visibile. La Terra, che ha invece una temperatura media di neppure 300°K, ri-emetterà nelle lunghezza d'onda dell‘infrarosso termico . Geografia fisica - Modulo “Fisica dell’Atmosfera e dell’Idrosfera” Prof. Carlo Bisci