Зрачење

1. Зрачење

2. Зрачење • Сунце као примарни извор енергије на Земљи • Спектар Сунчевог зрачења • Штефан-Болцманов, Винов и Кирхофов закон. • Радијациони биланс на површини Земље и одређивање температуре њене површине • Озонски омотач и његово осиромашење • CO2, метан, H2O и ефекат стаклене баште

3. “Прозрачност атмосфере” • Атмосфера – наш прозор у космос – у прошлост – “будућност” • Електромагнетни таласи

4. Електромагнетно зрачење • Isaac Newton – честична природа светлости - зраци • Thomas Young - таласна природа светлости • James Maxwell - електромагнетна теорија – таласна природа • Albert Einstein - фотони– честична природа

5. James Clerk Maxwell • Електрицитет и магенетизам, из почетка нису били повезани • 1865. James Clerk Maxwell конструисао математичку теорију која је показала да постоји тесна веза између електричних и магнетних феномена

6. Линије електричног поља почињу на позитивним наелектрисањима а завршавају на негативним • Наелектрисана тела стварајуоко себeелектрично поље • Mагнетне линије су увек затворене – немају ни почетак а ни крај • Maгнетно пољествара струја (наелектрисања у кретању)-Ампер • Променљиво магнетно поље индукује ЕМС а тиме и електрично поље (Фарадеј) • Eлектричнопоље бива створено од стране променљивог магнетног поља Питање: пошто постоји некаква симетријаизмеђу електричног и магнетног поља, т.ј. да ли магнетно пољеможe да се добије променљивим електричним пољем??? • Магнетно поље може да се створи и променљивим електричним пољем. Maxwell: ДА!!!

7. Максвелова предвиђања • Користио је познате чињенице и на основу одговарајућег математичког апарата доказао да електрично и магнетно поље имају симетричне улоге у природи • Изнео је хипотезу да промена електричног поља може да изазове стварање магнетног поља • Израчунао је да је брзина тако насталих таласа у вакууму 3x108 m/s • Такође је закључио да видљива светлост и други електромагнетни таласи се састоје од променљивог магнетног и електричног поља, при чему измене једног поља индукују друго и обрнуто • Херц је доказао ове тврдње

8. Два проводника повезана на извор наизменичне струје, наелектрисања осцилују између проводника (a) • Са временом, расподела наелектрисања у проводницима се мења, поље опада а поље које је произведено у t = 0 се помера даље од проводника (b) • Наелектрисања мењају места а поље мења смер (c) • Процес се наставља (d)

9. Оријентација поља у ЕМ таласу ЕМ талас који се креће у смеру x осе: E и B су нормални један у односу на други и у фази. Смер пропагације се одређује правилом десне руке(E , B). Када је електрично поље антене (дипола) усмерено наниже, магнетно поље је усмерено од нас ка равни слике. Ова два поља су увек под правим углом једно у односу на друго.

10. Eлектромагнетни таласи B

12. Спектар ЕМ таласа(Седам облика/типова) • - комуникација • – кување и комуникација • - “таласи топлоте” • – региструје је око • – изазива опекотине на кожи • – пролази кроз ткива • – има највећу енергију • Радио таласи • Микроталаси • Инфрацрвени • Видљива светлост • Ултраљубичаста • X-зрачење • Гама зрачење

13. Видљиви део спектра ЕМ таласа

14. ln = c

15. СпектарEлектрoмагнетног зрачења

18. Атмосферска апсорпција

19. Оптички део спектра: СВЕТЛОСТ Краће таласне дужине већа енергија Видљива светлост Термално зрачење UV зрачење изазива опекотине

20. Топлотно/термално зрачење • Топлота коју осећамо од сунца је његово термално зрачење • Путујући кроз вакуум од Сунца до земље јој треба око 8 минута • Ефекат осећамо иако не можемо да видимо зрачење. • Осећа се од свих загрејаних тела

21. Како настаје термално зрачење? • Сва тела чија је температура изнад апсолутне нуле емитују термално зрачење • Топлији објекти зраче више енергије, њена количина расте као ~ T4 • Ми непрекидно емитујемо термално зрачење. • Такође и непрекидно апсорбујемо ово зрачење емитовано од других људи или објеката око нас • Када би ми само емитовали зрачење охладили би се до апсолутне нуле!

22. Радио таласи • Користе се у радио и ТВ комуникационим системима • Микроталаси (како су откривени?) • Таласна дужина од 1 mm до 30 cm • Користе се у радарским системима, микроталасним пећима, ...

23. Инфрацрвени таласи – термално зрачење • далека ИЦ област (1mm-10mm) • средња ИЦ област (10mm-2,5mm) • блиска ИЦ област (2500 nm-750 nm)

24. Инфрацрвени таласи – термално зрачење • Видљива светлост • Део спектра који може да детектује људско око • Најосетљивије је на фреквенцији око 560 nm (жуто-зелена боја)

25. УВ • Од 400 nm до 0.6 nm • Сунце је важан извор УВ зрачења • Већина УВ зрачења са Сунца се апсорбује од стране стратосферског озона

26. Типови UV зрачења ТипТаласна Карактеристике дужина UVA 315-400nm - не зауставља га озон - изазива рак коже UVB 280-315nm - делимично га зауставља озноски слој - изазива опекотине, рак коже UVC 100-280nm - зауставља га озонски омотач - изазива опекотине и рак коже

27. Расподела озона са висином и степен продирања УВ зрачења до Земље • На површину Земље стиже (у природним условима) • 94% UVA • 6% UVB • 0% UVC

28. Гама зраци • Емитују их радиоактивна језгра • Продорно зрачење и може да изазове озбиљна оштећења у случају да га апсорбује ткиво • X-зраци • Настају приликом убрзавања високоенергетских електрона који ударају у металну мету • Значајан дијагностички алат у медицини

29. 1. Настанак X-зрака – континуално зрачење.

30. 2. Настанак X-зрака – карактеристично зрачење

31. Посматрање објекта уз употребу различитих делова спектра о посматраном објекту даје различите информације

32. Како видимо тела различитих величина

33. Слика Сунца у области x-зрачења. Сунце у видљивом делу спектра.

34. Слика истог цвета у ВИС у УВ области.

35. Milky Way у различитим областима таласних дужина 75 cm радио H2радио ИЦ ВИС x-зрачење Гама област

37. Астрономи • слој кроз који виримо у космос • Метеоролози, климатолози и географи • најнижи слојеви атмосфере • временска прогноза • истраживање климатских промена • испитивање утицаја климе и метеоролошких услова на људско друштво

38. Климатски услови на земљи • На климу на Земљи утичу следећи фактори • зрачење које долази са Сунца • оно у највећој мери одређује температуру наше планете • сферни облик Земље и оријентација њене осе ротације • ефекат стаклене баште (водена пара, угљен диоксид, ...) • разни физички, хемијски и биолошки процеси који се одвијају у биосфери и у њеној близини • глобални баланс енергије • глобално кружење воде – циклус • уљенични циклус и други биохемијски циклуси • ротација Земље око њене осе • битно утиче на глобално кретање водених и ваздушних маса на великој временској скали услед различитих температура у разним деловима • распоред континената и океана

39. Сунце - Земља • Земља добија енергију са Сунца у форми зрачења • Већина те енергије је у ВИС и у блиској ИЦ • ВИС греје углавном површину Земље а не и атмосферу • ИЦ зрачење које оде у космос је емитовано из атмосфере а не са Земље • ИЦ које се емитује са Земље не иде директно у космос – апсорбује га атмосфера

40. Исходи интеракције зрачења са материјом • Рефлексија • Нема промене таласне дужине • Преламање • Промена упадног угла зрачења при проласку кроз другу средину • Апсорпција • Након тога се поново израчи али са другом таласном дужином – зависи од T Упадно зрачење Одлазеће зрачење

41. Зрачење црног тела • Питања од значаја за климу на Земљи • на који начин Сунце емитује светлост и друге облике зрачења • како се ЕМ зрачење рефлектује, апсорбује, трансмитује, емитује и заробљава од стране атмосфере Земље и њене површине • карактеристике Сунца • полупречник – 1.4 милиона км • растојање од Земље – 1,5 х 108 км • старост ~ 4,5 милијарди година • луминозност – 3,9х1026 W (Ват) • соларна константа – 1380 W/м2

42. Црна тела • ... су тела која су идеалнo зраче када су топла • ...идеално апсорбују када су хладна • Примери црних тела: • ужарена нит у сијалици • пећ • звезде (нису идеална црна тела) • Земља?

43. Укупна енергија коју по јединици нормалне површине и у јединици времена (интензитет) коју израчи црно тело је дата Штефан Болцмановим законом

44. Винов закон (померања) b – Винова константа • “Топлија тела зраче интензивније на краћим таласним дужинама.” • Температуре звезда су између 3000K и 50,000K.

45. Боје тела према температури • црвенкастанајхладније звезде • наранџаста • жућкаста • бела • плавкастанајтоплије звезде

46. Штефан-Болцманов закон – тело температуре T зрачи сваке секунде количину енергије I= DE/DSDt=sT4 по квадратном метру (ово се односи на зрачење по свим таласним дужинама, односно фреквенцијама) Луминозност – количина енергије коју тело израчи у секунди (снага) s = 5.7 x 10-8 W/(m2 K4 s)

47. Планков закон • Штефан-Болцманов закон - зрачење по свим таласним дужинама, односно фреквенцијама • Планков закон – описује зрачење по фреквенцијама, односно таласним дужинама • h-Планкова константа • ln=c

48. Емисиони спектар црног тела на 5800 К (температура површине Сунца) и 2800 К (температаура влакна сијалице). • Сунце емитује већину зрачења у ВИС, док сијалица емитује углавном у ИЦ. • Укупна израчена енергија (површина испод криве) је пропорционална четвртом степену апсолутне температуре (Штефан-Болцманов закон) • ако се Т повећа 2 пута, израчена енергија се повећа 16 пута! • Таласна дужина на којој крива спектра достиже максимум је дата Виновим законом и обрнуто је пропорционална температури • мерењем те таласне дужине можемо да одредимо колика је температура површине објекта који зрачи.

49. Спектар зрачења са Сунца • потиче од енергије фузије углавном водоника у хелијум • највећи део зрачења са Сунца је у видљивом делу спектра. • трака зрачења од 400 до 700 нм представља 43% укупног зрачења које са Сунца стиже до Земље (горњих слојева њене атмосфере!). • таласне дужине краће од видљивог дела спектра (мање од 400 нм-УВ зрачење) обухватају око 7-8% укупног зрачења

50. Поређење зрачења на врху атмосфере и на површини Земље