A Atmosfera Terrestre: Parte 1

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1 Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Física Departamento de Astronomia FIP Técnicas Observacionais e Instrumentais A Atmosfera Terrestre: Parte 1 Rogério Riffel Porto Alegre, 24 de Maio de 2007

2 Por que o estudo da atmosfera terrestre é importante para a astronomia? * Atua como uma tela entre o observador e o resto do Universo; * A grande maioria das observações são limitadas a janela do visível (Rádio-1930) ; * Os avanços tecnológicos permitem (permitirão) o uso de outras faixas do espectro eletromagnético (Rgama, R-X, UV, IR, Rádio); * Observações sitiadas no solo X espaço (R$?) (Resolução 20 x maior) * Precisamos conhecer os limites impostos as observações terrestres (Janelas espectrais).

3 Efeitos da atmosfera sobre a radiação: 1) OPACIDADE: capacidade de absorver a radiação; 2) ESPALHAMENTO: responsável pela poluição luminosa; 3) DISPERSÃO: desvia a direção da luz de uma estrela; 4) TURBULÊNCIA: degrada a imagem -> seeing; 5) IONIZAÇÃO da atmosfera superior cria um plasma que interfere com ondas de rádio. 6) EMISSÃO DA ATMOSFERA; Efeitos ainda variam com o tempo e local (altitude, umidade, etc).

4 Estrutura Física e química da atmosfera Estrutura Vertical * Primeira aproximação: A atmosfera está em equilíbrio com o meio que a cerca; * O Fluxo recebido do Sol e o re-irradiado para o espaço permitem uma distribuição mais ou menos estática de T e P com relação ao tempo; * A estrutura média da atmosfera é descrita como uma função que depende da: # Altitude (z); # Temperatura [T(z)]; # Densidade [ (z)];

5 Fonete:

6 * O Ar é compressível, ou seja P e são variáveis; * Valor máximo na superfície da Terra; * De 0 90 Km a composição do ar é aproximadamente constan te e a pressão é descrita por: R=Cnt dos gases (8.32 J/K mole); M0=Massa Molec. Média (0.029 kg); Tm=Temp. Média (293K); H~8Km (escala de altura).

7 Constituintes da atmosfera * Nitrogênio (78,08 %); * Oxigênio (20,95 %); * Argônio (0.93 %); * Os principais constituintes são: O2 e N2 cuja proporção relativa é constante entre 0 e 100 km. Qual o efeito destes constituintes nas observações astronômicas?

8 Constituintes da atmosfera * Nitrogênio (78,08 %); * Oxigênio (20,95 %); * Argônio (0.93 %); * Os principais constituintes são: O2 e N2 cuja proporção relativa é constante entre 0 e 100 km. Qual o efeito destes constituintes nas observações astronômicas? R: Causam fortes absorções em certas bandas espectrais. Especialmente vapor de água, dióxido de carbono e ozônio.

9 Vapor d'água * O conteúdo fracional ou razão de mistura é: * Expresso em g/kg. * varia entre 0 e um valor máximo (saturação) rs(t), muito sensível a temperatura. A razão de mistura é função de z e muito dependente do tempo e da latitude.

10 A quantidade de água precipitável a partir de uma dada altura é dada por: H2O é o número de moléculas por unidade de volume; Podemos expressar a coluna d'água precipitável por: 0 é a densidade do ar em z0 e é dado em cm. Devido a rápida variação de r(z) com a altura a escala de altura do vapor d'água é consideravelmente menor que o do ar seco (H), sendo da ordem de 3 km.

11 Escolher um sítio em uma montanha alta, melhora muito a qualidade das observações especialmente no IR e radio (mm). * * * * Mauna kea, 4205m; Cerro Pachón, 2700 m; Pico dos Dias, 1864m; Morro Santana, 311m. Ozônio * Em condições normais, a quantidade integrada de Ozônio na atmosfera varia de uma coluna de 0.24cm a 0.34cm em CNTP. * Concentração máxima a 16 km, embora esteja presente até 80 km. Absorve principalmente no ultravioleta.

12 Dióxido de Carbono * Importante fonte de absorção no infravermelho (médio); * Distribui-se verticalmente de forma similar ao O2 e N2; * Taxa de mistura não depende da altitude; Íons * Acima de 60km, radiação ultravioleta do Sol torna a atmosfera ionizada; * A Ionização varia com atividade solar (flares aumentam ionização). * A altas latitudes, cascatas de elétrons são canlizadas ao longo das linhas de campo magnético da Terra e ionizam atmosfera a altas latitudes (auroras).

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14 Reações típicas: * As densidades eletrônicas variam com a altura: # 103 cm-3 a 60 km; # 105 cm-3 a 100 km; # 2x106 cm-3 de km; # 104 cm-3 depois destas camadas até 2000 km. * Interfere nas ondas de rádio (observações na faixa rádio do espectro eletromagnético);

15 Absorção da Radiação * A absorção da radiação pela atmosfera pode ser parcial ou total; * Caso seja total, janelas de transmissão podem ser determinadas a uma dada altitude. * Caso seja parcial, o espectro observado fica danificado (Ex. aula do Kepler, UV); * O espectro é afetado por bandas telúricas em absorção ;

16 Transições atômicas e moleculares * Causam absorções em comprimentos de onda discretos Transições entre os níveis eletrônicos de átomos: ex. O e N

17 Transições Moleculares Níveis de energia eletrônicas Níveis de energia rotacionais Níveis de ener gia vibracionais Para cada nível eletrônico existem vários níveis vibracionais. Para cada nível vibracional existem vários níveis rotacionais.

18 * Transições puramente rotacionais (H2O, CO2,O3) # Afetam mais os comprimentos de onda maiores (IR-Distante, Rádio); * Transições Ro-Vibracionais (CO2,NO,CO,H2) # Afetam a região NIR; * Transições entre níveis moleculares eletrônicos (CO, CH4, H2O, O2,O3 ou radicais de OH) # Afetam a região UV, e visível; # O OH produz um espectro muito brilhante (em emissão) no NIR

19 Exemplo do espectro do céu para NGC 2110, na banda K

20 * A Física atômica e molecular permite o cálculo dos coeficientes de absorção ki( ) e das seções de choque. A profundidade óptica ao longo de uma linha vertical, de um constituinte i com taxa de mistura ri(z) é dada por:

21 * A atenuação de um raio incidente de intensidade I0 recebido a uma altitude z0 e fazendo um ângulo com o zênite é dada por: A soma é sobre todas as espécies que absorvem.

22 Atenuação da radiação com a altitude: Escolha de um sítio.

23 Fonte:

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25 Baseado em: * Lena et al. Obnservational Astrophysics * Alice Marlene Grimm Meteorologia Básica - Notas de Aula (