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Mancando sul Blog un Indice abbiamo pensato di fare cosa gradita creandolo noi. L'Indice viene da me aggiornato per ogni nuovo post pubblicato. Per avere inoltre una visione panoramica comoda del blog nel suo insieme, con una breve descrizione dei post, avete altri due preziosi aiuti:  la "Presentazione" e "l'Anniversario Annuale" ogni 5 di marzo. Attenzione: è in corso la migrazione di tutti i post, con molta calma, nel nuovo  blog wordpress , dove trovate già anche nuovi post prodotti.  69)  "In a nutshell" about Sun - 2c.Ciclo del Sole: Vento solare e Raggi cosmici, Amici o Nemici? ciclo 24/25, ciclo solare, massimo solare, minimo solare, plasma, raggi cosmici, Scuola, vento solare 02/09/2019 LINK 68)  "In a nutshell" about Sun - 2b.Macchie solari: cosa c'è sotto? Meteo del Sole - nuvole, uragani, piogge, fulmini anelli coronali, macchie solari, plasma, Scuola, Sole, tachocline, t

Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 4/7-B: gli IR - gas serra, bilancio termico e astronomia infrarossa
































Parte B, seconda parte del post sui raggi IR, dove proseguo l'interessante argomento degli infrarossi toccando dei punti importanti e molto sentiti anche in questo secolo:

- IR, gas serra e bilancio termico del pianeta
- Quali raggi solari entrano in atmosfera?
- Effetto serra e bilancio termico energetico
- 8 immagini per chiarirlo
- Perché il cielo ci appare di colore azzurro?
- Equilibrio come una macchina sotto il Sole
- Vapor acqueo e gas serra: come orchestrano l'effetto serra?
- Gas serra come una coperta termica
- Come si comportano i gas serra?
- Astronomia IR
- 2 interessanti curiosità sulla nostra atmosfera e i telescopi FIR
- SCUOLA: sperimentare
- "Finestre atmosferiche" per le osservazioni
- Satelliti e Telescopi terrestri IR
- Applicazioni / dove vengono usati


A questo link, onda EMR, riferito alla parte A di questo capitolo sugli IR, trovate un breve riassunto di cosa sia un'onda elettromagnetica.


Per comodità ricordo le frequenze Nir, Mir e Fir:

- NIR 0,75-1,5µm 
- MIR 1,5-3µm 
"infrarosso riflesso" fino alla lunghezza d'onda di 3 micron, poiché la radiazione è sostanzialmente dovuta alla riflessione della radiazione solare e non contiene quindi informazioni sulle proprietà termiche delle superfici
- FIR 3-15µmcon una fascia evidenziata ottimale per l'uomo da 6 a 10µm
"infrarosso termico" o "infrarosso emesso" da 7 micron a 15 micron circa, poiché deriva dalla emissione delle superfici a causa della loro temperatura assoluta.











Gli intervalli spettrali da 3 a 5 micron e da 8 a 15 micron circa corrispondono, con il visibile, alle "finestre" atmosferiche più comuni
- FIR "estremo" 15-1.000µm






- Infrarossi, Gas Serra e Bilancio termico del pianeta

credits Prof. Vittorio degli Esposti - Alma Mater Studiorum - Facoltà Ingegneria Bologna
















L'atmosfera lascia passare
- solo una minima parte degli UV (UV-A e poco UV-B)
- la radiazione visibile
- una larga parte degli IR e
- le onde radio

.....proteggendoci quindi da raggi letali per il nostro delicato ambiente e per l'essere umano (sono la magnetosfera e la fascia dell'ozono che ci proteggono).
Per osservare i raggi gamma, X ed UV emesse dal Sole o dagli altri oggetti astronomici dobbiamo andare nello spazio.



Tornando al Sole, ragionate sul fatto che la Terra è
costantemente bombardata da enormi quantità di radiazioni, principalmente dal Sole...

credits Terry Virts astronaut

























...ma questa energia che arriva a noi è solo 1/miliardesimo dell’energia emessa dalla nostra stella, e questa ridottissima quantità è definita "costante solare" proprio perché 
non si ferma mai, non cessa mai di investire il nostro pianeta, non da tregua!


Per fortuna noi abbiamo delle difese naturali contro questa colossale prepotenza cosmica solare, che se dipendesse solo da questo il nostro pianeta sarebbe ridotto ad una distesa arida, bollente e tossica (come Mercurio oppure Venere), ma come detto abbiamo la magnetosfera, la ionosfera e la fascia dell'ozono oltre ai gas serra che formano uno strato protettivo.

- Quali raggi solari entrano in atmosfera?

Nella nostra atmosfera entrano principalmente onde corte, che una volta riflesse si trasformano in onde lunghe.
Quasi tutta la radiazione EM proveniente dal Sole (circa il 99%) è composta in larga misura da:
- raggi visibili (la luce)
- un’apprezzabile quantità di radiazioni nell'IR (quelli che danno la sensazione di calore)
- una piccolissima frazione di raggi UV (UVA e ancor meno UVB)



Ecco più chiaramente le percentuali; oltre alla luce visibile, gli IR sono preponderanti.










I responsabili di questa filtratura che seleziona le EMR che possono entrare liberamente, quelle che vengono catturate e quelle che sono riflesse, sono
i famosi Gas Serra, i quali formano una membrana semi trasparente (fascia di Ozono) che "intrappola" i raggi del Sole, e costituiscono in pratica i "regolatori" della temperatura terrestre.




Solo per rendersi conto di quanto volume occupi l'ozono, tenete presente, come ben evidenziato qui a fianco, che se una colonna di ozono fosse compressa a 0°C (32°F) e ad 1 pressione atmosferica, quindi a livello del mare, occuperebbe uno strato di  appena 3 mm di spessore!!

Stiamo quindi parlando di uno strato incredibilmente sottile, che tuttavia è in grado di assolvere ad una fondamentale funzione cruciale per il nostro pianeta.





Vi ricordate quali sono i Gas Serra principali?




- vapor acqueo H2O
- anidride carbonica CO(detto anche biossido o diossido di Carbonio)
- protossido di azoto N2O
- metano CH4
- esafluoruro di zolfo SF6

Poi, di origine esclusivamente industriale
-- Alocarburi 
-- clorofluorocarburi (CFC)
-- idroclorofluorocarburi (HCFC)
-- idrofluorocarburi (HFC)

- L'Ozono (10-50 km di quota) si comporta come un gas-serra, oltre ad avere la funzione di proteggere la Terra dagli effetti devastanti dei raggi UV (UV-C e UV-B) provenienti dal Sole.

Anidride carbonica, vapor acqueo e metano (CO2, H2O e CH4)
collaborano insieme per intrappolare la radiazione IR del Sole, riflettendola verso la superficie terrestre e impedendo forti escursioni termiche del ritmo giorno-notte 
(cosa che invece succede nei pianeti o nelle lune dove non è presente atmosfera o dove l'atmosfera ha diverse composizioni chimiche).

I gas serra risultano "trasparenti" alla radiazione solare entrante ad onda corta (cioè UVA, Vis, NIR e MIR li attraversano senza problemi),

mentre 

riflettono, diffondono oppure assorbono e riemettono la radiazione IR, cioè risultano "opachi" alla radiazione ad onda lunga (circa 15 micron, i nostri FIR) sia entrante sia riemessa dalla superficie del pianeta riscaldata dai raggi solari diretti.






- "Effetto Serra e Bilancio Termico Energetico" 


Dobbiamo approfondire questo argomento perché i raggi IR costituiscono un elemento chiave nel riscaldamento del pianeta.










Ogni giorno su tutta la Terra si auto-regola un delicato
equilibrio di bilanciamento
che interessa la radiazione che il pianeta riceve dallo spazio e la radiazione riflessa nello spazio. Questo processo crea una 2^ fonte di radiazioni che riscalda la superficie:
- 1^ fonte: radiazione visibile dal Sole
- 2^ fonte: radiazione FIR dall’atmosfera e dalla superficie
che fa sì che la Terra sia più calda di quanto sarebbe altrimenti.

Capirete quindi come sono i raggi infrarossi lontani o FIR quelli che provocano il surriscaldamento globale del pianeta, con la complicità dei gas serra.


Siccome è piuttosto complesso tutto questo movimento di raggi che 
- vengono riflessi subito
- entrano ma che sono riflessi in atmosfera
- arrivano in superficie e vengono riflessi
- vengono assorbiti e ri-emessi
- Vediamo di riassumerli con 8 immagini che ci aiutino a chiarire.


1^ immagine
Parte di sinistra: 
alcune radiazioni solari sono riflesse dalla Terra e dall'atmosfera 

Parte di destra:
l'accumulo di gas serra negli strati medi dell'atmosfera (l'ozono si trova in stratosfera) favorisce l'intrappolamento dell'energia riflessa (Fir) e delle radizioni solari determinando un aumento della temperatura della superficie terrestre.

I gas serra lasciano passare l'energia solare ad onde corte (IR, Visibile, parte degli UV) e 
intrappolano-intercettano parte del calore creato dai raggi FIR del Sole e la radiazione FIR riflessa dalla stessa Terra verso l'atmosfera (onde lunghe).




















2^ immagine
Aiutiamoci anche con uno schema semplice in inglese, energia riflessa, assorbita, dispersa, e assorbita/riemessa dai gas serra: questi ultimi consentono all'energia ad onde lunghe dei FIR - raggi infrarossi lontani, di riscaldare la Troposfera e la superficie mantenendo una temperatura media molto più alta e mite.


























3^ immagine
Ecco un altro schema semplice che riassume questo scambio notevole di energia entrante, riflessa, assorbita ed uscente. Quella che riguarda in particolare i FIR (raggi infrarossi lontani) la vedete nella componente in rosso "radiazione che torna alla terra per l'effetto serra".
- In alto a sinistra "radiazione solare"

- in alto a destra "radiazione dispersa nello spazio"
- in basso a sinistra "radiazione riflessa dalla Terra"
- in centro "gas serra"


4^ immagine
In condizioni normali il 70% circa della radiazione FIR proveniente dal surriscaldamento della superficie è assorbita dai gas serra che la riflettono nuovamente verso la superficie terrestre.

Il 30% circa della radiazione IR si perde invece nello spazio.



Tuttavia se la quantità di gas serra in atmosfera aumenta, diventa maggiore il surriscaldamento del pianeta di conseguenza.






5^ immagine
Vediamo però in quali quantità avvengono questi scambi.
Del 100% di energia in arrivo dal Sole

energia assorbita (trattenuta) in atmosfera: 23%
energia riflessa subito nello spazio: 29%
energia assorbita dalla superficie: 48%


6^ immagine
Energia che arriva in superficie, dicevamo 48%
energia assorbita e riemessa dalla Superficie
- per evaporazione 25%
- per convezione 5%
- fir radiazione netta termica 17%


7^ immagine
Qui sotto già si comincia a capire la complessità:
c'è l'energia solare entrante, in giallo
- riflessa nello spazio il 29% (23% da nubi e atmosfera, 7% dalla superficie)
- assorbita in atmosfera il 23%
- assorbita dalla superficie il nostro 48%

e c'è l'energia assorbita e riemessa
- dalla superficie il 117% (con una riflessione di nuovo verso terra del 100% grazie ai gas serra, la maggior parte dei raggi Fir riemessi surriscaldano l'atmosfera e la superficie del pianeta)
- per convezione il 5%
- per evaporazione il 25%
- una fetta del 71% riemessa da atmosfera (50%), nuvole (9%), e parte riemessa dalla superficie, che riesce a sfuggire verso lo spazio attraverso una finestra atmosferica (12%)

Se ora facciamo il punto in base a questo schema, potete notare che 100% dell'energia che arriva dal Sole si compensa con 29% + 71% = 100% dell'energia che viene riflessa nello spazio. 
Il sistema atmosfera-Terra si bilancia ma i gas serra consentono di trattenere all'interno dell'atmosfera il calore che la terra stessa ha assorbito, surriscaldando la superficie.







Dall'immagine soprastante possiamo capire quindi che 
è la superficie terrestre a scaldare 
> dal basso 

> per irraggiamento 
l'atmosfera.

L'aria (l'atmosfera e i gas serra) è infatti trasparente come abbiamo visto alle onde corte (spettro del visibile), di cui assorbe il 18%, mentre intercetta ben il 96% della radiazione IR irradiata dalla superficie terrestre (FIR), mantenendo la temperatura costante e compatibile con la vita.



8^ immagine
Ecco un'altra immagine dove ritroviamo il 100% che entra ed esce (8+17+6+9+40+20 = 100).
Il bilanciamento è un processo naturale quotidiano dove:
- energia che entra viene riflessa subito da atmosfera e nubi e superficie
- energia che entra viene assorbita dall'atmosfera (gas serra), dalle nubi e dalla superficie
- energia Fir emessa dalla terra surriscaldata esce e viene assorbita in atmosfera dai gas serra, che poi la trattengono e ri-emettono verso la superficie
- energia Fir emessa dai gas serra, dall'atmosfera e dalle nubi viene riemessa nello spazio


























Quindi il bilanciamento consiste nel fatto che per equilibrare l’energia solare in entrata assorbita, la Terra deve, in media, emettere la stessa quantità di radiazione nello spazio.

Poiché la Terra è più fredda del Sole, emette radiazioni a lunghezze d’onda molto più lunghe (nella parte FIR dello spettro).
Mentre si riscaldano, gli oceani, la terra e l’atmosfera rilasciano calore sotto forma di radiazione termica FIR, e questo 2° flusso di raggi passa dall’atmosfera e si diffonde nello spazio.
I gas serra nell’atmosfera terrestre, infatti, assorbono parte di questa radiazione IR, e la emettono nuovamente in tutte le direzioni, sia verso l'esterno sia verso il basso, la superficie.

La radiazione FIR reimmessa di nuovo verso il basso, verso la superficie terrestre, consente di mantenere una temperatura globale media di circa 15° C (59° F), secondo la NASA.

È questo equilibrio delle radiazioni in entrata e in uscita che rende la Terra abitabile.

Di certo la presenza di questi gas nell’atmosfera fa sì che la temperatura superficiale della Terra sia attualmente circa 35 °C più alta di quella che si avrebbe in loro assenza.


Senza questi gas la temperatura superficiale sarebbe di - 18 °C !

Come perfettamente riassunto in questa bellissima scheda























La legge di Stefan-Boltzman spiega che se l’energia in entrata e quella in uscita non sono bilanciate, un pianeta si raffredda o riscalda.
Senza questo equilibrio atmosferico, la Terra sarebbe fredda e senza vita come la sua Luna, o ardente come Venere.

La Luna, che non ha quasi atmosfera, è a circa -153° C (-243 F) sul suo lato oscuro.
Venere, d’altra parte, ha un’atmosfera molto densa che intrappola la radiazione solare; la temperatura media di Venere è di circa +462°C (+864°F).




Perchè il cielo ci appare di colore azzurro? 

Le onde corte del Sole che arrivano sulla Terra sono di colore azzurro (lunghezza d'onda più corta che attraversa la superficie) e nel momento in cui entrano nell’atmosfera e colpiscono le molecole di gas del pulviscolo, vengono rifratte e diffuse in ogni direzione, per cui dovunque noi guardiamo, i nostri occhi rilevano solo quel tipo di lunghezza d'onda (blu) 
Al contrario la luce rossa, arancione e gialla sono onde più lunghe e proseguono in direzione rettilinea nell’atmosfera senza essere influenzate dalle molecole di gas che sono più piccole.




- Equilibrio come una macchina sotto il Sole

Ora il complesso quadro del bilancio termico del nostro pianeta è forse un po' più chiaro, ma per aggiungere chiarezza e capire come funziona, aiuta molto l'immagine della Terra come una macchina chiusa sotto il sole:

i raggi a onde corte del sole (raggi UVA, Visibile e IR) entrano dai finestrini e una volta riflessi, sotto forma di onde lunghe (FIR) non riescono più ad uscire perché è tutto fisicamente chiuso, per cui restano all’interno surriscaldando l’ambiente (che può arrivare fino a 60-70° C).

In particolare gli UV-A entrano senza problemi e vengono assorbiti all'interno dalle superfici (gli UV-B, più dannosi per noi, fortunatamente non passano).


Gli IR più deboli, quindi i FIR, hanno difficoltà a passare attraverso il vetro e restano quindi intrappolati all’interno del materiale, riscaldando la macchina (e altrettanto la serra).

Gli IR più energetici invece, superati i vetri hanno riscaldato le varie superfici che poi riemettono FIR i quali, non potendo più uscire, contribuiscono a riscaldare ulteriormente l'ambiente.

= effetto serra.



















Capite quindi che i gas nell’atmosfera possono riflettere o intrappolare l’energia termica, proprio come succede in una macchina al sole o in una serra per le piante.

Carrozzeria e finestrini fanno da schermo esattamente come l'atmosfera terrestre, infatti l'involucro che si crea attorno alla Terra produce l'effetto serra in quanto fa passare alcuni raggi verso il pianeta, ma non lascia disperdere il calore emesso dalla Terra riscaldata.

Chiaramente la situazione cambia in base al tempo meteorologico, infatti in caso di:
- cielo limpido: arrivano a destinazione circa l’ 80% dei raggi luminosi, il restante 20% viene riflesso o assorbito dal pulviscolo.
- cielo poco nuvoloso: giungerà sulla Terra circa il 45% della radiazione, le nuvole possono riflettere e assorbire parte della radiazione, dal 30% al 60 % contando anche la presenza del pulviscolo.
- cielo molto nuvoloso: 0% di radiazione, le nubi possono essere così dense da riflettere e assorbire totalmente l’energia solare.





Il colore poi della carrozzeria produce effetti diversi sui raggi che incidono:

- macchina bianca (maggiore capacità riflettente, detta "albèdo")













= circa il 30% della radiazione che colpisce l’atmosfera terrestre, viene immediatamente riflessa
nello spazio da nubi, ghiaccio, neve, sabbia e altre superfici riflettenti, in queste interessanti percentuali:
--- il ghiaccio l’85%
--- la neve 45%
--- il deserto sabbioso 30%
--- il terreno erboso 20%
--- l’acqua 2% e infine
--- le rocce scure che riflettono il 0% (assorbono e non riflettono)





- macchina nera (maggiore capacità assorbente)













il restante 70% della radiazione solare in arrivo viene assorbito
da oceani, terra e vegetazione (51%) e dall'atmosfera come nubi e pulviscolo (20%) facendola riscaldare.





















Il meccanismo per la Terra è quindi lo stesso della macchina, anche se a livello globale:

le onde corte della nostra stella penetrano nell'atmosfera e, una volta riflesse sotto forma di onde lunghe, non hanno la stessa energia per poterne uscire, in quanto fermate dalle nuvole e dai gas dell'atmosfera; di conseguenza avviene il riscaldamento globale (ulteriormente peggiorato dalle nostre emissioni in atmosfera)



Il pianeta chiaramente non corrisponde ad una macchina nera, ma diventa sempre più opaco a mano a mano che i gas serra (soprattutto il carbonio) vengono rilasciati nell'atmosfera, da qui il crescente problema dell'eccessivo riscaldamento globale.




- Vapor acqueo e gas serra: 
come orchestrano l'effetto serra?


Considerate inoltre questo aspetto meno conosciuto, ma interessante, che riguarda
il diverso modo in cui vapor acqueo e gli altri gas serra concorrono per produrre l'effetto serra:








> anidride carbonica, metano, protossido di azoto e alocarburi
- sono gas ben miscelati in atmosfera
- non reagiscono alla temperatura e pressione dell'aria
- non sono influenzati dalla condensazione
Essi sostengono l'effetto serra e ne controllano la forza

mentre

> il vapor acqueo
- è un componente molto attivo del sistema climatico che reagisce presto ai cambiamenti delle condizioni, condensando in pioggia o neve o evaporando per tornare in atmosfera.
E' attraverso il vapor acqueo che è principalmente diffuso l'impatto dell'effetto Serra, ed agisce con un rapido feedback.

Quindi, a tutti gli effetti, per orchestrare l'Effetto Serra sono entrambi fondamentali:
> il feedback della condensazione e 
> la forzatura (nel senso che possono "forzare" il sistema climatico) dei gas non condensanti 




- Gas serra come una coperta termica
L’atmosfera della Terra è composta principalmente da Azoto (N2) e Ossigeno (O2) molecolari, che sono trasparenti alle radiazioni solari in entrata ma anche in uscita, quindi NON sono loro i responsabili dell'effetto serra.

- anidride carbonica (CO2) 
- vapor acqueo (H2O) e 
- metano (CH4

agiscono invece come una coperta, assorbendo le radiazioni IR e impedendole di fuggire nello spazio.









Perché questa differenza tra Azoto, Ossigeno e i gas serra?

Per spiegarlo ci viene in aiuto il blog "Amolachimica.it", in cui il chimico François spiega:
"perché si tratta di atomi diversi: ogni molecola (CO2, H2O e CH4) assorbe alcune frequenze di IR, e ad ogni frequenza corrisponde uno specifico movimento delle molecole. 


Esattamente come per una radio, quando cambiamo frequenza ascoltiamo musiche diverse, a seconda della frequenza di assorbimento, una molecola si muove in modo differente."

Una volta assorbita la radiazione IR che l'ha fatta vibrare, la molecola la riemette in tutte le direzioni, quindi 50% verso Terra e 50% verso lo spazio. Parte quindi del calore dissipato viene intrappolato e causa l'effetto serra, come una coperta termica che però ora sta diventando sempre più spessa a causa dell'aumento della combustione di combustibili fossili e al conseguente aumento in atmosfera di CO2 e CH4.



Come abbiamo capito finora, nell'attraversare l'atmosfera la radiazione solare subisce fenomeni di riflessione, rifrazione, assorbimento, diffusione ad opera dei vari gas atmosferici in misura variabile in funzione della frequenza (onde corte, onde lunghe).


In questa immagine si vede la differenza tra lo spettro emesso dal Sole che abbiamo nella parte alta dell'atmosfera terrestre (curva superiore del grafico, che appare piuttosto omogenea)..
















...e lo spettro solare registrato a livello del mare, come si vede molto irregolare rispetto a quello rilevato alle soglie esterne dell'atmosfera (TOA) con presenza di tipiche bande di assorbimento o riflessione.



5% UV (color violetto a sinistra)
43% Visibile (color verde al centro)
52% IR vicino (color rosso a destra)










La stratosfera assorbe i raggi UV compresi nella banda 200-300 nm grazie all'ozono, mentre la troposfera assorbe e diffonde l'IR grazie al vapore acqueo e alla CO2.



- Come si comportano i Gas Serra?
Siccome è importante conoscere almeno di base questi gas, vediamo una breve descrizione grazie al gentile contributo del blogger Anton Bryan:




















> Il vapore acqueo (H2O) è il gas serra più forte.
La concentrazione di questo gas è ampiamente controllata dalla temperatura dell’atmosfera.
Quando l’aria diventa più calda, può contenere più umidità o vapore acqueo.
Quando l’aria diventa satura (o contiene tanta umidità quanto l’aria può a quella temperatura), l’umidità in eccesso si condensa in goccioline di nuvola.
E se queste gocce sono abbastanza grandi, cadranno come precipitazione.













> Il biossido o diossido di carbonio, cioè 
anidride carbonica (CO2) è anch'esso un importante gas serra.
Ha una lunga vita nell'atmosfera terrestre. L’anidride carbonica assorbe fortemente l’energia FIR con una lunghezza d’onda di 15 µm (micrometri).
Ciò rende il biossido di carbonio un buon assorbitore delle lunghezze d’onda che cadono nello spettro di radiazione FIR.
L’anidride carbonica si muove costantemente all'interno dell’atmosfera attraverso quattro processi principali: fotosintesi, respirazione, decomposizione organica o decadimento, combustione o combustione di materiale organico.

H2O e CO2 sono buoni assorbitori ed emettitori di radiazione IR.
Essi possono assorbire le lunghezze d’onda della radiazione nell’intervallo compreso tra 4 µm e 80 µm, ad eccezione di quelle comprese nella finestra tra 8 µm e 12 µm.


> Il metano (CH4) è 30 volte più forte del biossido di carbonio come assorbitore della radiazione IR, tuttavia è presente in concentrazioni più piccole del biossido di carbonio, quindi il suo contributo netto all’effetto serra non è così grande.
Il metano è anche relativamente di breve durata (le molecole di metano durano circa 8 anni), nell’atmosfera. Il metano viene prodotto quando i batteri decompongono la materia organica e la materia animale in luoghi come le zone umide (ad esempio, paludi, piane fangose, campi di riso allagati), impianti di trattamento delle acque reflue, discariche e budella di bovini e termiti.


> Gli alocarburi sono composti da carbonio, cloro, fluoro e idrogeno (C, Cl, F, H).
Includono i clorofluorocarburi (CFC), che sono gas artificiali comunemente utilizzati nei frigoriferi e nei condizionatori d’aria.
Le concentrazioni di gas CFC nell’atmosfera sono le più alte di tutti gli alocarburi e possono assorbire più radiazioni IR rispetto a qualsiasi altro gas a effetto serra.
L’impatto di 1 molecola di un gas CFC equivale a 10.000 molecole di anidride carbonica.

> L’ossido di azoto (N2O), un gas relativamente longevo, è aumentato nella concentrazione atmosferica principalmente a causa dell’agricoltura.

> Nitrato (NO3-) e ammoniaca (NH4 +) sono usati come fertilizzanti.
I batteri convertono una piccola quantità di questo nitrato e ammoniaca nella forma di protossido di azoto. I motori a combustione interna producono anch'essi protossido di azoto.

> L’ozono (O3) è anch'esso un gas serra relativamente minore perché si trova in concentrazioni relativamente basse nella troposfera (lo strato più basso dell’atmosfera).
Nella troposfera, è prodotto da una combinazione di sostanze inquinanti – principalmente composti d’idrocarburi e ossidi di azoto.
L’ozono può assorbire lunghezze d’onda tra 9 µm e 10 µm, ma si trova in basse concentrazioni.
Le lunghezze d’onda dell'UV del Sole sono fortemente assorbite dall'ozono nella stratosfera.



Riporto ancora per comodità (e per non dover tornare troppo indietro nel post) le frequenze Nir, Mir e Fir:

- NIR 0,75-1,5µm 
- MIR 1,5-3µm 
"infrarosso riflesso" fino alla lunghezza d'onda di 3 micron, poiché la radiazione è sostanzialmente dovuta alla riflessione della radiazione solare e non contiene quindi informazioni sulle proprietà termiche delle superfici
- FIR 3-15µmcon una fascia evidenziata ottimale per l'uomo da 6 a 10µm
"infrarosso termico" o "infrarosso emesso" da 7 micron a 15 micron circa, poiché deriva dalla emissione delle superfici a causa della loro temperatura assoluta.











Gli intervalli spettrali da 3 a 5 micron e da 8 a 15 micron circa corrispondono, con il visibile, alle "finestre" atmosferiche più comuni
- FIR "estremo" 15-1.000µm



- Astronomia Infrarossa

(Ringrazio l'Associazione "AstronomiAmo" per la gentile concessione di parti di testo)

Mappa infrarossa del cielo ottenuta da Akari. Credit AKARI/JAXA






















L'Astronomia IR diventa sempre più fondamentale perché la radiazione IR, che si trova al di sotto delle frequenze dello spettro visibile,
consente di studiare gli aspetti più freddi dell'Universo:


- la formazione planetaria

Giove visto agli infrarossi dal VLT (Immagine ESO/L. Fletcher)
















- l'evoluzione delle prime stelle e galassie nell'Universo

Nebulosa Carena, "Montagna Mistica"

Credit: NASA, ESA, M. Livio and the Hubble 20th Anniversary Team (STScI)







Tali sorgenti di natura cosmica emettono a basse temperature, e poiché la radiazione IR non viene assorbita dal mezzo interstellare, essa ci da la possibilità di studiare più a fondo questi corpi che altrimenti non sarebbero visibili (ad esempio le zone galattiche nascoste dalle polveri del piano galattico).
Il NIR vicino inoltre presenta molte righe di assorbimento e bande di emissioni interessanti, come quelle dell'acqua e di composti organici.







2 interessanti curiosità sulla nostra atmosfera e i telescopi FIR:







1- L'atmosfera è una sorgente brillante di IR:
"brillante" però in questo caso non è un complimento, perché significa che crea forte "rumore" cioè disturbo, rendendo difficile fare osservazioni di deboli flussi di sorgenti celesti.
Questo disturbo rende necessario ed essenziale fare osservazioni da siti secchi e freddi, per ridurre il contenuto di vapor acqueo presente sulla verticale del luogo (quindi alta montagna o clima desertico).


2- Curiosità importante sui telescopi FIR, unico problema con l'IR:

siccome la temperatura degli oggetti che emettono nel Fir è simile a quella alla quale è posto il telescopio orbitante, l'irraggiamento dei corpi celesti può essere confuso con quello del telescopio stesso (si dice che c'è un "rumore" che disturba l'osservazione).

Per questo motivo il telescopio viene immerso in un thermos di elio liquido a -270°C.
Avete capito?

Il telescopio è inserito in un ambiente a 3°C sopra lo zero assoluto, questo per poter ricevere le corrette informazioni senza inquinare i dati.

Questo significa anche che il telescopio è operativo finché c'è elio, ma quando l'elio si esaurisce il telescopio cessa di essere operativo (infatti è questo il modo in cui molti satelliti hanno terminato la loro missione di base).






La particolarità inoltre di tali telescopi è che maggiore è la lunghezza d'onda, più grande deve essere il telescopio, per avere risoluzioni angolari ragionevoli.
Significa che, ad esempio:
- per lunghezze d'onda di 1 µm serve uno specchio da 25 cm di diametro
- per lunghezze d'onda di 100 µm serve uno specchio da ben 25 m di diametro!!

Di positivo c'è però che gli specchi per le osservazioni in FIR possono avere maggiore rugosità superficiale e minore precisione su larga scala.





Cosa possiamo studiare quindi nel dettaglio, con tali telescopi, in base alla temperatura:

- 3 K - radiazione cosmica di fondo
- tra 30 e 500 K - i grani di polvere interstellare nelle nubi molecolari e in oggetti protoplanetari
- tra 2.000 e 5.000 K - le stelle di bassa luminosità e le stelle fredde di alta luminosità hanno temperature fotosferiche, ed emettono nell’IR come "corpi neri"
- 1.000 K - grani di polvere interplanetaria vicini al Sole
- 40-10 K - oggetti più lontani di Plutone, emettono quindi radiazione IR tra 3 e 300 μm
la Luna viene osservata soprattutto nell’IR termico
- la composizione delle atmosfere planetarie
- osservare la presenza di metano, etano, ammoniaca nelle atmosfere dei pianeti giganti, e studiare i moti e la struttura delle nuvole nonché le variazioni stagionali di pressione atmosferica e temperatura
- la composizione delle rocce e delle polveri che formano gli anelli planetari e la fascia degli asteroidi


Le osservazioni nell’IR vicino (Nir) hanno quindi una notevole capacità di studiare oggetti fortemente oscurati dalla polvere

Qui sotto abbiamo il globulo di Bok "Barnard 68";
nella luce visibile la polvere che lo costituisce è assolutamente impenetrabile, tanto fitta da far sembrare che in quella zona di spazio non ci siano stelle. In realtà, aumentando la lunghezza d'onda degli IR (quindi scorrendo le immagini dall'alto verso il basso però in senso orario), l'infrarosso ci consente di penetrare quell'oscurità e vedere "oltre", la miriade di stelle che sta coprendo.

Credit: Alves et al., 2001


























- tra 5 e 50 K - la polvere interstellare riscaldata dalla luce delle stelle

Una galassia contenente polvere interstellare è una forte sorgente IR, e una forte luminosità IR è indice di processi di formazione stellare in corso.

È stato rivelato ovunque il fenomeno degli "starburst": brevi periodi di rapida, intensissima formazione di stelle, con associata una elevatissima luminosità IR



Il lontano IR (Fir) è una regione spettrale in cui l’Universo è particolarmente trasparente, possono essere quindi osservate sorgenti più lontane e più antiche

Cortesia V. Tilvi/Texas A&M, S. Finkelstein/UT Austin,
CANDELS team, HST/NASA)
z8_GND_5296, vediamo come era questa galassia solo 700 milioni di anni dopo il Big Bang

Scovata tra i dati raccolti dal telescopio spaziale Hubble e studiata approfonditamente con le telecamere a infrarossi di nuova generazione montate sul telescopio Keck delle Hawaii, sul Mauna Kea, è forse la più lontana galassia nota







SCUOLA: sperimentare
L'aspetto più affascinante, pratico e divertente per far arrivare l'astronomia alla portata di tutti! 
Volete sperimentare la radiazione IR con lo stesso esperimento del suo scopritore, Herschel? Magari proponendolo al vostro Prof. di Scienze e facendo partecipare tutta la classe?

credits Inaf Oas Bologna
Facile, prendete un prisma e un termometro; la luce viene scomposta, se poi ponete il termometro in corrispondenza di ciascun colore ottenete una temperatura diversa in base al colore su cui è posto. 

A questo punto, se mettete il termometro oltre il rosso, dove non sembra esserci più alcun colore, tuttavia il termometro continua a segnare una temperatura.






- "Finestre atmosferiche" per le osservazioni

osservatorio astrofisico di Asiago
Solo in tali precise "finestre", intese come brecce o apertureregioni spettrali lontane dalle lunghezze d'onda delle transizioni del vapor d'acqua, si possono effettuare osservazioni IR da terra:
- tra 3 e 4 μm
- tra 7 e 14 μm
- tra 17 e 24 μm
- oltre 800 μm
Per Nir e Mir, infrarosso vicino e medio, visto che sono assorbiti in atmosfera in modo parziale, già sopra i 2.000 m è possibile effettuare osservazioni.

Per osservazioni IR in bande diverse da queste finestre, è necessario portare il telescopio al di sopra della maggior parte del vapor d’acqua atmosferico, montandolo:
- su un aereo (quote comprese tra 10 e 14 km)
- su un pallone stratosferico (operando così tra 25 e 45 km)
- su un razzo (massima quota circa 400 km)
- su un satellite (quote superiori a 400 km)
Fir, l'infrarosso lontano, spingendosi fino a 350 micrometri, è osservabile soltanto attraverso i satelliti artificiali.



- Satelliti e Telescopi terrestri IR

Per lo studio di queste frequenze IR abbiamo a disposizione:

Satelliti

IRAS - Infrared Astronomical Satellite (Usa, Regno Unito e Paesi Bassi).






ISO - Infrared Space Observatory (ESA, NASA e ISAS in seguito assorbita dalla JAXA giapponese)







SIRTF - Space Infrared Telescope Facility, poi ribattezzato in
SST - SPITZER Space Telescope (Grandi Telescopi USA).
Fondamentale per individuare la luce proveniente dalle prime stelle formatesi nell'Universo neonato di soli 200-300 anni. Sono le sole stelle che contengono soltanto Elio e H-idrogeno (stelle di popolazione III), i soli elementi presenti nel primissimo Universo, sono supermassicce e proprio la loro veloce morte come Supernovae ha consentito l'arricchimento del mezzo interstellare con metalli pesanti, per favorire la formazione di stelle di popolazione II.



Sì, perché se non l'aveste ancora capito, 


la morte delle stelle...














..serve per inseminare...  









..il Cosmo... 












..e favorire la nascita di nuove generazioni





FIRST - Far InfraRed and Sub-millimeter Telescope, poi ribattezzato
HERSCHEL - Herschel Space Observatory di ESA.
Grande una volta e mezza rispetto a Hubble, Herschel viene lanciato insieme al Planck Surveyor (parte del programma Horizon 2000), osservatorio a microonde.








WISE - Wide-Field Infrared Survey Explorer
Studia l'Universo per ottenere una mappa del 99% del cielo ottenendo 8 immagini per ciascuna zona. Obiettivi stelle e galassie, oggetti sub-stellari come le nane brune, gli asteroidi e la polvere interstellare. Ora nuovo progetto NEOWISE, finalizzato allo studio dei Near Earth Objects (NEO).





AKARI noto come
ASTRO-F oppure
IRIS - InfraRed Imaging Surveyor, della giapponese JAXA. Studia Fir e Nir. Mappa del cielo in banda infrarossa da un'orbita polare di 745 km di altitudine





....questi satelliti, grazie ai preziosi collaboratori a terra (Mauna Kea e ALMA) e in atmosfera SOFIA, formano una squadra davvero eccezionale.

Telescopi terrestri


- Mauna Kea Observatory



















Alle Hawaji l'Isola di Mauna Kea ospita, nella riserva scientifica "Astronomical Precinct" di 2 km quadrati istituita nel 1967, tra loro indipendenti gli strumenti
IRTF - InfraRed Telescope Facility
UKIRT - United Kingdom InfraRed Telescope
SMA - Sub-Millimeter Array, con il Caltech Submillimeter Observatory (CSO) già dismesso.



- ALMA

















In Cile a 5.000 metri di altezza (!)
ALMA - Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, radiointerferometro progetto in collaborazione tra Europa, Nord America, Asia orientale e Repubblica cilena.

Un totale di 66 antenne con diametri tra 7 e 12 metri (antenne trasportabili, quindi in grado di variare lo "zoom"), che servono a studiare i temi che abbiamo indicato come specialistici della ricerca ad IR, la formazione stellare nell'Universo primordiale e la formazione planetaria nell'Universo locale.


- aereo supersonico SOFIA





















Negli USA presso il Christchurch International Airport,
SOFIA - lo Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy, prodotto NASA-DLR.

Un Boeing 747 adibito ad osservatorio aereo, che trasporta un telescopio da 2,5 metri fino a 13 km di altitudine, in banda ottica e infrarossa.
I sobbalzi e le vibrazioni proprie dell'aereo vengono compensati da giroscopi, motori a coppia magnetica e telecamere adatte.

(ringraziamenti per l'Associazione AstronomiAmo per la gentile concessione di parti di testo).




Qualche esempio di Astronomia IR
I diversi volti della Via Lattea, a partire dall'alto: Radio, IR, Visibile, X e Gamma





























Affascinanti immagini riprese da telescopi sulle diverse frequenze; abbiamo anche il nostro FIR, ora sappiamo cos'è
































L'ammasso meraviglioso delle Pleiadi nel visibile, con tanto di nomi delle rispettive stelle


























Le Pleiadi agli IR






















Nebulosa Testa di Strega (IC 2118), credits Maurizio Cabibbo, Astroinfinity.it, 2017




















































Testa di Strega agli IR




































Infine il cuore della Via Lattea agli IR...
















... e dettaglio





















Bagliori di Fondo
Proprio come esiste la
CMB - cosmic microwave background, cioè radiazione cosmica di fondo a microonde anche detta radiazione fossile.

Bisogna considerare che esistono anche le altre corrispettive radiazioni di fondo, per ogni frequenza:

COB - Cosmic Optical Background, un è il fondo ottico dovuto alla luce di miliardi di deboli stelle non visibili a occhio nudo, ad esempio.
CGB - Cosmic Gamma ray Background
CXB - Cosmic X-ray Background
CUB - Cosmic UV Background
CIB - Cosmic Infrared Background
una radiazione diffusa registrata nello spettro IR, sulla quale però si sta ancora studiando. Si sa per il momento che il 60% della radiazione osservata nello spettro infrarosso deriva infatti da galassie molto deboli, alcune anche cinque volte più deboli di quelle finora osservate





- Applicazioni / dove vengono usati














Senza accorgercene siamo tutti costantemente immersi in queste onde EM che sono di grande importanza poiché attraversando lo spazio insieme alla luce visibile, irradiando la Terra, forniscono il calore indispensabile al mantenimento degli organismi viventi.

Ogni volta che attraversano un corpo, gli IR rilasciano al suo interno una certa quantità di energia, che si trasforma in calore.
Pur essendo invisibili, ciò che li contraddistingue all'interno dello spettro è la loro capacità di sviluppare calore.
Come avete capito, oltre a produrre calore, gli IR sono a loro volta essi stessi generati da corpi riscaldati (il fuoco nel caminetto emette radiazione IR).
Ricordo ancora che ogni corpo che abbia una temperatura superiore allo zero assoluto (-273°C) emette in continuazione una certa quantità di raggi IR, che dipende dalla sua temperatura.
Più è caldo, più i suoi atomi sono in movimento, maggiore è la quantità di IR emessi.



Ecco un riassunto di utilizzi pratici degli IR:



- automazione industriale e domestica (contapezzi e apertura del cancello)











- sensori pirometrici (se una barriera IR viene attraversata, si accende una luce, apre una porta o attiva un allarme)









- illuminazione a led notturna (telecamere di sorveglianza e visori notturni: un fascio di IR viene proiettato, rimbalza sugli oggetti allo stesso modo della luce visibile, e una telecamera speciale li rileva e rende visibili)



- termografia con visori notturni (è un dispositivo senza contatto che rileva l'energia FIR (calore) e la converte in un segnale elettronico, il quale viene poi elaborato per produrre un'immagine termica o un video termico su cui eseguire calcoli di temperatura; grazie ad essa possiamo "vedere" e “misurare” il calore emesso da un oggetto. La luce visibile non influisce sulla visione termografica, pertanto le termocamere possono essere utilizzate sia in ambienti estremamente luminosi che in quelli completamente bui. Possono essere monocromatiche oppure policromatiche)




- termografia edile (per identificare dispersioni di calore, infiltrazioni, distacchi di intonaco, cappotto termico e tessitura muraria e strutturale)









- medicina (cabina a raggi IR)










- termografia cioè mappa termica del corpo










- terapia FIR (lampade e laser)












- prodotti a tecnologia FIR (strumenti, abbigliamento..)











- esplorazioni spaziali (telescopi IR)








- termometri digitali











- ricognizione aerea/telerilevamento (interessante: poiché alcune frequenze IR vengono assorbite pochissimo dal vapore acqueo, le fotografie da grandi altezze rivelano la conformazione del terreno anche se risulta coperto da nuvole, nebbie o foschia)








Nell'intervallo fra 5 e 7 micron circa, invece, si ha un forte fenomeno di assorbimento della radiazione da parte del vapor d'acqua, e per tale motivo questa regione viene utilizzata dai satelliti meteorologici per gli studi climatici











- effetto serra









- ricerca termica dei missili









- e relative contromisure termiche da chi subisce un attacco











- in uso non solo militare, ma anche ai Vigili del Fuoco per ambienti saturi di fumo (il fumo risulta trasparente ai IR)









- telecomando tv (un tasto corrisponde ad una serie di impulsi ad IR determinando un codice che viene letto dal ricevitore sulla tv)









- accessori FlirOne per I-phone e smartphone, che li trasformano in termocamere all'occorrenza





Essendo comunque un'energia che trasmette calore, deve essere ben misurata e calibrata.



Spero questo viaggio attraverso le onde elettromagnetiche EMR vi stia piacendo, arrivederci alla prossima avventura.


Vi ricordo i punti trattati nella 1^ parte:

- riassunto flash onda EM
- la radiazione IR è un'onda EM
- dove si posiziona la radiazione IR nello spettro EM?
- la radiazione IR è ancora nella fascia onde non ionizzanti
- la radiazione IR è selettivamente filtrata in atmosfera
- IR, Salute e vita
- quanto è per noi prezioso L'infrarosso lontano FIR?
- allora, come funziona questa depurazione cellulare?
- i raggi IR possono fare danni?



Riassunto catena post:
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 1/7: ma cos'è? 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 2/7: la LUCE VISIBILE è un'onda EM
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 3/7: RADIO e MICROONDE sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 4/7-A: i raggi IR-INFRAROSSI sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 4/7-B: gli IR - gas serra, bilancio termico e astronomia infrarossa
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 5/7: i raggi UV-ULTRAVIOLETTI sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 6/7: i raggi X sono onde EM
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 7/7: i raggi GAMMA sono onde EM 




Link utili, ringrazio per le gentili concessioni di parti di testo o immagini:

Associazione AstronomiAmo, "Universo in Infrarosso"
Prof. Ing. Vittorio degli Esposti
foto Astronauta Terry Virts
Inaf-Oas - esperimento Herschel
Michele Diodati - Barnard 68
Sito "Amo la Chimica", contributo del chimico Francois
Blog Cambiamenti Climatici Anton Bryan
http://www.sapere.it/enciclopedia/infrar%C3%B3sso.html
I raggi infrarossi, Mppt Solar
Flir - termografia ad infrarossi
https://www.flir.it/





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