Che cosa vedete. Come si forma l’immagine Che cosa vedete? Come si forma l’immagine? Da dove vengono i fotoni misurati? http://modis.gsfc.nasa.gov/gallery/# http://visibleearth.nasa.gov/view_set.php?categoryId=2251&order=newest&sequence=vis

ssss

Concetto d'onda trasversale Ampiezza Frequenza, Lunghezza d'onda Fase, Polarizzazione

Frequenza/energia

I parametri di Stokes Dato il campo elettrico della radiazione e.m.: I parametri di Stokes sono:

Esprimendo l’intensità: Ottengo i parametri di Stokes dalle seguenti “misure”:

______________________________________ QUANTITA’ SIMBOLO UNITA’ DEFINIZIONI UTILI DI RADIAZIONE DA ENERGIA A RADIANZA ______________________________________ QUANTITA’ SIMBOLO UNITA’ Energia Q J Potenza dQ/dt J/s = W Flusso dQ/dt/dA W/m2 Irradianza dQ/dt/dA/dl W/m2/μm monocromatica Radianza dQ/dt/dA/dl/dW W/m2/μm/sr

Useful range for earth atmosphere remote sensing

Measuring and intepreting the effect of a radiation-matter interaction assumes that: - you know the e.m. radiation properties before and after the interaction. - You know the physical nature of the interaction and how it is linked to variable you would like to estimate.

Radiometri, interferometri, Polarimetri. Radar, Lidar, Altimetro, Scatterometro, SAR.

CLOUDSAT-CLOUD RADAR

Sorgenti naturali di radiazione IL SOLE EMISSIONE TERMICA

http://coolcosmos. ipac. caltech http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/image_galleries/our_ir_world_gallery.html

METEOSAT 2° Generation 18/4/2008 06:00 UTC INFRAROSSO VISIBILE www.eumetsat.int

Legge del corpo nero Any volume of matter at absolute temperature > 0 K emits radiation as a function of: its temperature and wavelength (Planck Law in Local Thermodynamic Equilibrium conditions) its composition (dielectric properties -> emissivity) (Kirchoff Law)

Sorgenti naturali di radiazione IL SOLE EMISSIONE TERMICA

Legge del corpo nero

APPROSSIMAZIONI DELLA FUNZIONE DI PLANCK

e.m. Interaction processes Absorption (Molecular + associated with scattering and reflection) Thermal emission Scattering* Reflection* Stimulated emissions * Polarizing processes

Molecular absorption It depends from: The characteristics of the molecules (i.e. composition of the atmosphere) The wavelength Temperature and pressure of the gas.

Molecular absorption To be computed needs for each molecule (including isotopes): Position (wavelength) and intensity of the absorption line (line atlas> HITRAN, GHEISA) Functional form of the shape of the absorption line (Gaussian, Lorentz, Voigt) Functional form for the continuum Temperature, pressure and concentration for each molecule considered. The radiative transfer representation of the process is through an extinction coefficient (cross section).

Atmospheric absorption H2O, O2, O3 O2 H2O, N2 Absorption Coefficient Center frequency Frequency Line Shape Gas strength factor abundance

Spettro e.m.

ASSORBIMENTO origine dell'assorbimento linea forma della linea e processi di allargamento della linea bande continuo uso delle finestre atmosferiche, confronto tra variabilita' spettrale della diffusione e dell'assorbimento

Energy levels of a molecule Electronic energy levels; Hydrogen atom

Line broadening Natural broadening Depends on the lifetime of the excited energy level 2) Doppler broadening Depends on the velocity of the molecule, in thermal equilibrium condition, the velocity distribution depends on the temperature. 3) Pressure broadening Depends on the collisions with other molecules, in equilibrium conditions on the pressure.

The continuum The so-called continuum absorption is caused by the far wings of strong absorption lines, e.g. H2O lines.

Proprieta’ fisiche delle singole molecole e Aerosols (composizione) (p,T) Proprieta’ ottiche delle singole molecole e Aerosols (λ,Ω) Proprieta’ ottiche del volume (λ,Ω) Proprieta’ ottiche della superficie/boundaries (λ,Ω) Equazione del trasporto radiativo (λ,Ω) Soluzione (∫ ∫ …dλdΩ)

Proprieta’ fisiche delle singole molecole e Aerosols (composizione) Processi radiativi d’interazione Proprieta’ ottiche delle singole molecole e Aerosols (λ,Ω) Calcolo delle proprieta’ ottiche di volume: Spessore ottico, albedo di singolo scattering, proprieta’ angolari dello scattering (per es: g o matrice di diffusione) o T,R,A Proprieta’ ottiche del volume (λ,Ω) Risoluzione numerica dell’eq. Del trasporto radiativo Equazione del trasporto radiativo (λ,Ω) Risoluzione numerica di eventuali integrazioni angolari e spettrali Soluzione (∫ ∫ …dλdΩ)

Scale di frequenza Variabilita’ della funzione di Planck: Calcolo dei flussi, cooling heating rates (500 cm-1) Contorno delle bande (50 cm-1) Spaziatura tra linee rotazionali (1-5 cm-1) Caratteristiche della linea. Radiazione mocromatica (validita’ Legge di Beer). ~1/5 line width. 2x10-2 (bassa atmosfera) a 2x10-4 (Doppler width, alta atmosfera)

Soluzioni numeriche per il calcolo dell’assorbimento molecolare Line-by-line Band models Emissivity models

Band models I modelli di banda sono utilizzati per rappresentare la complessita’ degli spettri dati dalle singoli linee Random models Correlated k-band models etc..(see Goody & Yung 1989)

Correlated k-band model

Scattering

RIFLESSIONE - leggi di ottica geometrica che regolano il passaggio di radiazione tra mezzi con indice di rifrazione differente - Formule di Fresnel per luce polarizzata - casi limite: riflettore speculare, riflettore - modellizzazione di superficie corrugate - applicazioni possibili: vento alla superficie, oil spills, tipo di vegetazione - varie combinazioni flussi radianze del concetto di riflettanza.

Definizioni S: sorgente O: osservatore P: puntuale D: diffusa

Surface reflectance - BRDF

Tipi di riflessione

Calcolo delle proprieta’ di riflettanza: BRDF Geometria e composizione (indice di rifrazione complesso) degli elementi di superficie Ottica geometrica Θo=cost

Surface emissivity - Oceans Directional wind roughened surface: Sea-water permittivity Fresnel equations (I, Q, U, V) Large-scale waves Gravity-capillary, capillary waves (> 2m/s) Whitecaps (> 7 m/s) Foam (> 10-12 m/s)

EMISSIONE TERMICA CORPO GRIGIO LEGGE DI KIRCHOFF BRIGHTNESS TEMPERATURE

Thermal Emission Any volume of matter at absolute temperature > 0 K emits radiation as a function of: its temperature and wavelength (Planck Law in Local Thermodynamic Equilibrium conditions) its composition (dielectric properties -> emissivity) (Kirchoff Law)

http://www.icess.ucsb.edu/modis/EMIS/html/em.html

Source Function (SF) in Non-Local Thermodynamic Equilibrium (LTE) In generale la SF e’ una funzione della popolazione dei livelli coinvolti in ogni transizione In LTE la popolazione dei livelli dipende solo dalla temperatura e quindi la SF e’ la funzione di Planck In generale la popolazione dei livelli di una molecola dipende dal campo di radiazione in cui la molecola si trova In LTE le collisioni sono cosi’ frequenti da portare molto velocemente la popolazione di un livello alla distribuzione di Boltzmann corrispondente alla Temperatura cinetica del gas In Non-LTE le collisioni termiche sono meno importanti e quindi gli stati eccitati non si deattivano per urto ma per altri fenomeni. Cosi’ la popolazione dei livelli NON ha relazione con la Temperatura cinetica Il problema di trovare la SF in Non-LTE si trasferisce nel problema di trovare la popolazione dei livelli energetici coinvolti nell’interazione radiazione materia

GRANDEZZE OTTICHE MACROSCOPICHE DELLO STRATO: RIFLETTANZA ASSORBANZA EMISSIVITA' TRANSMITTANZA LORO INTERRELAZIONE Relazione tra parametri ottici e parametri macroscopici dello strato

EQUAZIONE DEL TRASPORTO RADIATIVO GENERALE - CONCETTI DI SPESSORE OTTICO, TRASMITTANZA E RELAZIONE CON PROPRIETA' OTTICHE MICROSCOPICHE - CONCETTO DI -SOURCE FUNCTION' EQUAZIONE DEL TRASPORTO RADIATIVO PER ATMOSFERA PIANA E PARALLELA NON-SCATTERANTE (CASO DELL'IR) - Concetto di weighting functio A DUE STRATI UNO ASSORBENTE ED UNO SCATTERANTE (CASO DEL VIS-UV)

Fo Strato assorbente τgas γ τa Strato ω diffondente P θv θ¤ Superficie 1 6 Strato assorbente τgas 2 5 γ τa ω P Strato diffondente θv θ¤ 3 4 Superficie ρ

Fo Rsr Rs Rad Rar T1 T2 Ta Ta T0 θ¤ θv θv T3 Superficie ρs