Questo post sulla
radiazione IR, essendo piuttosto ricco, ho deciso di dividerlo in 2 parti, così da dare più respiro alla lettura.
In questa 1^ parte tratto i seguenti punti:
- 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?
Nella
2^ parte, trovate invece questi altri punti:
- 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
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In ogni post di questa serie ripropongo il riassunto flash, per vostra comodità, di com'è composta un'onda elettromagnetica EM.
Le 3 caratteristiche principali di una onda sono:
- lunghezza d'onda (wavelength), la distanza tra due creste successive
- ampiezza (amplitude), la distanza tra una cresta ed il piano mediano che interseca l'onda
- frequenza (frequency), la quantità di oscillazioni (oscillations) che l'onda compie nell'unità di tempo (con unità di misura Hertz, oscillazioni al secondo).
Ecco qui, sempre per avere più opportunità di comprendere bene, un'altra immagine dove si vede bene cos'è la singola oscillazione.
La frequenza (quante onde) è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda (quanto ravvicinate):
significa che minore è la lunghezza d'onda, maggiore è la frequenza, e viceversa.
Esattamente come una molla:
se la comprimo (< lunghezza d'onda) si schiaccia (> frequenza spire - sotto a destra);
se la distendo (> lunghezza d'onda) si allunga (< frequenza spire - sotto a sinistra).
L'energia inoltre aumenta con l'aumentare della frequenza, quindi verso i raggi gamma
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- La radiazione infrarossa è un'onda EM
La radiazione ir è una componente della radiazione elettromagnetica EMR, è una radiazione benefica naturale con cui conviviamo con tanto piacere, ma che i nostri occhi non percepiscono: attenzione però, non crediate che venga emessa solo dal nostro amato Sole, sarebbe un errore.
Di certo il nostro astro regala a tutto il globo questa componente per noi preziosissima, ma anche tutti i corpi caldi come il fuoco di un caminetto oppure il motore di una macchina appena parcheggiata emettono radiazione IR.
In realtà attenzione anche al termine "caldo" che può essere ingannevole.
Non dobbiamo intenderlo nel senso in cui comunemente lo intendiamo, perché "caldo" risulta qualsiasi corpo od oggetto in cui gli atomi siano ancora in movimento, seppur minimo.
Così, tutto ciò che supera lo Zero Assoluto ha movimento in sé e consegue che emette radiazione IR, quindi
tutto ciò che supera i - 273,37°C (- 459,67°F o 0 K).
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 cioè dal movimento delle sue particelle.
Quindi maggiore è la temperatura, maggiore la quantità di IR emessi.
Nell'immagine:
0 K = zero assoluto, tutto si ferma
3 K = spazio profondo
100 K = aria liquida
200 K = ghiaccio secco
250 K = ghiaccio
300 K = temperatura ambiente
Queste onde EM emesse dal Sole viaggiano alla velocità della luce (contemporaneamente alle altre componenti dello spettro, radio, luce visibile, UV, X, gamma) ed hanno la particolarità di non riscaldare l’aria, bensì le superfici, tanto che vengono anche chiamate
“radiazione termica” o “radiazione di calore”
Il Sole emana quindi il suo calore sotto forma di raggi IR.
Tale energia IR consiste nel cosiddetto "calore radiante", che è una forma di energia invisibile (frequenza) che riscalda oggetti direttamente, senza riscaldare l'aria circostante.
- Dove si posiziona la radiazione infrarossa
nello spettro EM?
Facciamo chiarezza prima sulle unità di misura sulle quali altrimenti si può fare confusione.
- pm = picometro è 1/mille miliardesimo di metro (10 alla -12)
- nm = nanometro è 1/miliardesimo di metro (10 alla -9)
- µm = micrometro è più grande del nanometro; 1/milionesimo di metro (10 alla -6)
- mm = millimetro è più grande del micrometro; 1/millesimo di metro (10 alla -3)
- cm = centimetro è più grande del millimetro; 1/centesimo di metro (10 alla -2)
- dm = decimetro è più grande del centimetro; 1/decimo di metro (10 alla -1)
- m = metro è più grande del decimetro (10 alla 0)
Per comodità a colpo d'occhio, ecco una stringa di riferimento, che serve per non confondersi.
Piccolo -- pm < nm < µm < mm < cm < dm < m -- Grande Grande -- m > dm > cm > mm > µm > nm > pm -- Piccolo
quindi:
nm è 1/1.000 del µm
µm è 1.000 nm
mm è 1.000 µm
m è 1.000 mm
Poiché mi accorgo personalmente che è molto facile fare confusione, propongo ancora qualche tabella per poter fare confronti tra queste unità di misura che vanno dai familiari metro, centimetro millimetro (m, cm, mm) agli incomprensibili eppure così vicini a noi micrometri (µm), nanometri (nm) e picometri (pm).
Dalla tabella sottostante potete notare anche l'andamento dell'onda EM, a ricordarci che:
- verso le onde radio > lunghezza e < frequenza (e < l'energia), mentre
- all'opposto, verso i raggi gamma < lunghezza e > frequenza ( e > l'energia)
In questo caso la tabella è in verticale e ci consente di vedere a colpo l'occhio i limiti e le unità di misura delle varie fasce EMR.
Questa, anche se rovesciata rispetto alla precedente (ma bisogna farci l'abitudine perché si trovano entrambe sul web), vi fa chiaramente vedere anche l'andamento dell'onda EM rispetto alla tabella verticale.
Radio - onda lunga, frequenza brevissima gamma - onda corta, frequenza altissima
Queste tabelle possono anche essere impostate secondo un'unica unità di misura:
metri (m)
nanometri (nm)
micrometri (µm)
L'importante come detto è distinguerle e, ogni volta che serve, aiutarsi con la tabellina
Per comodità a colpo d'occhio, ecco nuovamente la stringa di riferimento, che serve per non confondersi.
Piccolo -- pm < nm < µm < mm < cm < dm < m -- Grande Grande -- m > dm > cm > mm > µm > nm > pm -- Piccolo
Torniamo ora agli IR: dove si posizionano nello spettro EMR?
"Prima del rosso", i raggi infrarossi.
Il termine “infra-rosso”, cioè "sotto al rosso", indica che la sua frequenza si trova subito sotto quella del colore rosso della
luce visibile.
Dal latino "infra" cioè "sotto", nel senso che la lunghezza d'onda è più grande e la frequenza minore.
Tornando a questa immagine che esemplifica bene, vedete chiaramente la piccola sezione della
Luce Visibile e l'infrarosso IR che parte dalla zona più rossa; l'onda infatti è più lunga e quindi con frequenza minore spostandosi verso destra, verso le
Onde Radio.
Spostandosi lungo lo spettro EMR, dalle radiazioni radio a quelle gamma, la lunghezza d'onda diminuisce e quindi la frequenza aumenta
- estensione degli IR
è una fascia molto ampia che va dalla Luce Visibile (780 nm) fino a 1 mm di lunghezza d'onda.
- da 0,7 µm a 350 µm l'IR vero e proprio, ulteriormente suddiviso in 3 (vicino, medio, lungo)
- da 350 µm a 1 mm c'è una regione detta "sub millimetrica", o anche "estrema" o "radiazione a T" (Terahertz) in realtà accorpata all'ultimo dei 3 sottolivelli
Ecco la suddivisione nei 3 sottolivelli:
FIR, MIR, NIR
FIR -
"Far" InfraRossi, detti anche "
lontani", "
lunghi", "
larghi" e classificati con
"C"
accorpati assieme agli "estremi" o "a Terahertz"
lunghezza d'onda 30 - 1.000 µm
>>> "lontani" perché i più distanti dalla luce visibile
Questi sono indicati come benefici per la salute
MIR -
"Mid" InfraRossi detti anche "
medi" e classificati con
"B"
lunghezza d'onda 5 - 30 µm
NIR -
"Near" InfraRossi detti anche "
vicini", "
corti", "
lievi" , classificati con
"A"
lunghezza d'onda 0,7 - 5 µm
>>> "vicini" perché i più vicini alla luce visibile
Come vedete qui sotto, i NIR vicini sono in giallo, vicini alla luce visibile; i FIR lontani, in arancione
Considerate però che i valori precisi di questi sottolivelli a volte non risultano univoci tra le varie fonti, per una differenziazione in base alle sensibilità dei sensori e all'utilizzo commerciale, ma qui in realtà non è cruciale per noi avere la precisione assoluta, quanto sapere che ci sono e approssimativamente dove.
Come potete notare, nel grafico qui sotto i valori dei 3 sottolivelli sono un po' diversi
- 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 3-15µm, con una fascia evidenziata ottimale per l'uomo da 6 a 10µm
"infrarosso termico" o "infrarosso emesso" da 7 µm a 15 µm circa, poiché deriva dalla emissione delle superfici a causa della loro temperatura assoluta.
Gli intervalli spettrali da 3 a 5 µm e da 8 a 15 µm circa corrispondono, con il visibile, alle "finestre" atmosferiche più comuni
- FIR "estremo" 15 - 1.000 µm
Anche in questa bella pagina ricca anche di dettagli ed immagini, i valori estremi sono confermati, da 0,7µm a 1.000µm = 1 mm
- La radiazione infrarossa è ancora nella fascia
delle onde NON ionizzanti
(quindi non pericolose per la salute)
Anzi, in questo particolare caso non solo non sono pericolose, ma addirittura le onde lontane, i FIR, hanno effetti benefici sul corpo, come si vedrà in una sezione più avanti.
- La componente ad onde corte della radiazione IR solare arriva fino alla superficie terrestre, mentre quella ad onde lunghe (FIR) viene assorbita, diffusa e riflessa dallo strato di Ozono (insieme alla componente FIR riflessa dalla superficie e dall'atmosfera)
Chiaramente, gli IR possono essere assorbiti dalle formazioni nuvolose, e l'effetto immediato è la percezione di calo immediato della temperatura sulla pelle.
Tuttavia in certe "finestre atmosferiche", che corrispondono a precise frequenze come vedremo, raggi IR vedono "oltre" le perturbazioni e sono diffusi da foschie, nebbie, fumo, smog, molecole gassose.
A proposito di "percezione del caldo" sulla pelle, un articolo di MedicinaOnline mi ha stimolato ad accennare ad un problema sentito da tanti....
- Con una giornata nuvolosa ci si può scottare anche se non c'è il Sole?
Le nuvole che coprono il Sole spesso ci ingannano: pensiamo che se i raggi solari non filtrano, allora non corriamo rischi. Abbiamo ragione solo in parte: i raggi IR (quelli che danno la sensazione di caldo) effettivamente sono largamente e selettivamente filtrati, ma non sono loro in questo caso il problema. Le piccole particelle di acqua che costituiscono le nuvole hanno pochissima capacità di assorbire le radiazioni UVA-B, che infatti per la maggior parte le attraversano. Le radiazioni UV più nocive, le UVC, sono già filtrate in stratosfera, più in alto, grazie allo strato d'ozono, ma le A e B arrivano fino a noi (quasi tutte le A e molto meno le B).
Essendo quindi i raggi IR bloccati in gran parte dalle nuvole, abbiamo una minore sensazione di calore sulla pelle e questo ci porta a credere che non stiamo correndo pericoli, ma è una percezione errata: in queste condizioni facilmente si tende ad usare meno protezione solare e gli occhiali da sole, ma così facendo ci esponiamo per troppo tempo ai raggi UV che sono fonte di rischio per la salute.
I tipici sintomi sono occhi rossi ed ustioni (nel senso di scottature leggere o medie), anche nelle giornate apparentemente nuvolose, specie durante i mesi estivi e nelle ore comprese tra le 11 e le 14.
- Infrarossi, Salute e vita
La vita non sarebbe possibile senza la radiazione IR, che dona il calore alla
Terra.
Ogni essere vivente ha bisogno di raggi IR, senza questi non sarebbe possibile sopravvivere.
Per sopravvivere è indispensabile che
il nostro corpo assorba tali radiazioni.
Maggiore è la lunghezza d'onda della radiazione IR, minore è la profondità di penetrazione nei tessuti, quindi i FIR penetrano poco in profondità rispetto ai NIR.
Il Testo in fondo alla foto (per gli amici stranieri che mi seguono) dice:
IRA = onde corte che penetrano fino al tessuto sottocutaneo
IRB = onde medie che penetrano fino al derma
IRC = onde lunghe che penetrano fino all'epidermide
NIR-A
vengono riflessi al 50% ma possono penetrare in profondità (25 mm) e creare danni ad epidermide e tessuti perché non immediatamente percepiti.
E' la radiazione con la profondità di penetrazione più elevata e può colpire la retina e il tessuto adiposo. La sua capacità di penetrazione nella pelle può avere un effetto stimolante, ma la terapia deve essere effettuata sotto controllo medico.
MIR-B
attraversano indisturbati venendo solo in parte riflessi (25%), ma penetrano anch'essi in profondità (13 mm) e creano danni ad epidermide e tessuti perché non immediatamente percepiti.
Questa radiazione non colpisce la retina e penetra solo nei vasi sanguigni sfiorando appena il tessuto adiposo.
FIR-C
vengono quasi completamente assorbiti dalla pelle ma solo negli strati più superficiali (max 0,5 mm), dove però ci sono le terminazioni nervose e i minuscoli vasi terminali del micro sistema circolatorio.
La radiazione più lunga non oltrepassa lo strato superficiale della pelle e della cornea.
- Quanto è per noi prezioso l'Infrarosso lontano FIR?
Si può considerarlo come la parte buona della radiazione luminosa del
Sole.
Il nostro corpo assorbe e contemporaneamente irradia
onde nel FIR lontano.
>>>> Curiosità 1: quanta potenza emette il nostro corpo?
Pensate, sembra incredibile, il corpo umano si comporta come se fosse una lampadina da 100 W, ma emette nei FIR, non nel visibile.
Ora, perdonatemi, per comodità (e per non dover tornare troppo indietro nel post) ricordo cosa abbiamo detto circa 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 3-15µm, con 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
Il nostro corpo assorbe con facilità tale radiazione
tra 4 e 16 µm (FIR), l'IR termico.
Perché succede?
E' molto semplice in realtà. Le molecole d’acqua e le proteine del nostro corpo hanno un’oscillazione pari alla frequenza dell’infrarosso FIR; per questo motivo, considerando che il corpo umano è per la maggiore composto di acqua, è assolutamente facilitata la depurazione cellulare.
>>>> Curiosità 2: quanti Fir assorbe il nostro corpo?
Noi assorbiamo circa il 93% dei FIR presenti, e questo è il motivo per cui, per il mantenimento in vita dei bimbi nati prematuri, si usano incubatrici FIR.
Il corpo umano si comporta come un "
Corpo Nero" con tali onde: trattiene le onde ricevute e ne emette di nuove.
Il nostro corpo emette energia FIR attraverso la pelle tra i 3 e i 50 µm, la maggior parte di noi verso i 9 µm
(da qui gli occhiali ad IR per vedere il nemico nel buio, ma che sono in realtà utilizzabili anche di giorno visto che la luce visibile non disturba in alcun modo gli IR).
Tale lunghezza d’onda ha
caratteristiche proprietà benefiche e terapeutiche sugli organismi viventi.
I FIR lontani sono in grado di riscaldare gli oggetti trasferendo temperatura.
Inoltre sono in grado di penetrare superficialmente negli strati cutanei e sottocutanei interagendo così con le molecole d’acqua ed i composti organici che costituiscono i tessuti viventi.
Allora, come detto poco fa, le molecole d'acqua del nostro corpo oscillano ad una frequenza simile a quella dell'infrarosso FIR lontano. Le onde FIR emesse dal corpo vanno da 3 a 50 µm, mentre la frequenza di risonanza di una molecola d'acqua è vicina a 9,4 µm.
Questa "affinità" di vibrazione rende possibile un prezioso meccanismo di
attivazione/depurazione cellulare che interviene facilitando l'eliminazione di
gas intossicanti come
ossido di carbonio o metalli tossici come
piombo o mercurio.
Quando questi gas, entrati nel corpo, incontrano grandi molecole d'acqua, rimangono intrappolati al loro interno, accumulandosi e provocando problemi alla circolazione e disturbi vari; il fatto che siano intrappolati rende la loro eliminazione molto più difficile.
Allora, come funziona questa depurazione cellulare?
Gli IR con lunghezza d'onda tra 7 e 14 µm raggiungono queste grandi molecole di acqua che contengono, intrappolati, questi intossicanti.
Le molecole cominciano a vibrare per naturale risonanza e questa vibrazione riduce i legami ionici che mantengono unite le molecole d'acqua; così facendo la vibrazione le disgrega dando luogo a molecole d'acqua più piccole; le sostanze tossiche in questo modo vengono rilasciate ed espulse più facilmente, mentre le molecole d'acqua possono attraversare liberamente la membrana cellulare.
Il
FIR lungo è detto anche
"raggio della salute" in quanto particolarmente benefico per gli esseri umani, non a caso è ampiamente utilizzato in campo medico per terapie di riabilitazione.
Questi raggi infatti sono detti
bio-genici, ossia generatori di vita, raggi di vita
(light of life), o
onde fisiologiche, che, penetrando nel nostro sistema vitale, generano un effetto riscaldante
Ne conseguono alcuni importanti effetti positivi sulla salute umana:
- una dilatazione dei vasi capillari
- un sensibile aumento della circolazione sanguigna grazie al ripristino del flusso sanguigno
- un’attivazione del metabolismo dei tessuti e delle cellule, aumentando la differenza di potenziale delle membrane cellulari e di quelle mitocondriali. Facilitano gli scambi tra cellula e mondo esterno.
- la stimolazione del sistema immunitario
- la normalizzazione del livello di ossigeno nel sangue
- la riduzione della stanchezza e l'alleviamento dello stress
- il miglioramento del sistema di sudorazione e la prevenzione dello sviluppo batterico
- I raggi IR possono fare danni?
Sì, attenzione!
I raggi IR penetrano nei tessuti organici e possono provocare danni, anche se solo in situazioni particolari.
A parte le ustioni della pelle, meritano un accenno Cristallino e Retina:
- la ripetuta esposizione del cristallino al calore delle radiazioni IR può favorire lo sviluppo della cataratta
- la retina subisce un danno irreversibile se il tessuto, esposto al calore, supera una certa temperatura critica.
I danni termici, quindi, si verificano in seguito all'aumento della temperatura nel tessuto, di conseguenza il pericolo dipende dalla temperatura, ma la soglia è molto alta.
Le radiazioni termiche possono danneggiare gli occhi a partire da una temperatura di 500 °C (932 °F).
In particolare sul posto di lavoro, è fondamentale ed obbligatorio proteggersi dai pericoli delle radiazioni termiche utilizzando appositi schermi e "dispositivi di protezione individuale" adeguati, i cosiddetti DPI.
Ecco tre esempi interessanti che fanno intendere in che tipo di ambienti si possono trovare tali pericoli:
- 500 °C (932 °F - rosso nascente):
grill elettrico - pericolo iniziale per la cornea e il cristallino
- 1.500 °C (2732 °F - bianco abbagliante):
fusione del ferro - pericolo iniziale per la retina, pericolo per la cornea e il cristallino
- 5.500 °C (9932 °F
- bianco neutro):
Sole - pericolo per la retina, pericolo per la pelle, il cristallino e la cornea dovuto anche alla formazione di radiazione UV
Da qui si può capire che tipi di lavori sono interessati:
- Fusione di metalli, fonderie
ferro: 1.450 °C (2642 °F), alluminio: 750 °C (1382 °F)
- Altoforno
1.600 °C (2912 °F)
- Lavorazione del vetro, attività di vetraio
- Emettitori a infrarossi per incollaggio o asciugatura
- Fiamma libera
- Stufa elettrica a infrarossi
Se la radiazione IR viene generata con i diodi luminosi IR o i laser (quindi senza l’uso di una fonte di calore), tale radiazione risulta invisibile. Di conseguenza, anche se sulla pelle non si avverte alcuna sensazione di calore, le radiazioni possono essere pericolose per la vista.
(Fonte testo: Suva)
La
NASA, studiando le proprietà dei raggi FIR, ha scoperto che alcuni ossidi minerali sono in grado anch’essi di generare queste radiazioni.
Il
naturopata Guglielmo Carbone in un articolo del suo blog fa notare che l'ente spaziale ha di conseguenza deciso di inserire
questi ossidi minerali generatori di FIR nelle tute spaziali degli astronauti con l’intento di stimolare la loro funzionalità cardiovascolare, poiché si sa che le possibilità di movimento sono limitate.
Altre curiosità:
- Con un cielo chiaro, la radiazione FIR viaggia tra 7-14 µm
- La Terra stessa irradia energia a IR, ma che raggiunge un massimo di 10 µm
- Il calore IR emesso dalla Terra è in gran parte lo stesso prototto dal corpo umano
Bene, questa prima parte degli IR è conclusa, la 2^ parte sarà altrettanto interessante. Spero vi stiate divertendo nel frattempo.
Ricordo i punti che trovate nella 2^ parte:
- IR, gas serra e bilancio termico del pianeta
- effetto serra e bilancio termico energetico
- vapor acqueo e gas serra orchestrano l'effetto serra
- equilibrio come una macchina sotto il Sole
- gas serra come una coperta termica
- come si comportano i gas serra?
- astronomia IR
- "finestre atmosferiche" per le osservazione
- curiosità telescopi IR
- satelliti e telescopi IR
- applicazioni / dove vengono usati
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