Interferência da atmosfera terrestre

Transcrição

1 Interferência da atmosfera terrestre Bibliography: Lena s book (chapter 2) and other sources, p. ex., livro Meteorology Today (Ahrens) Prof. Jorge Meléndez

2 A grande maioria das observações são sitiadas no solo Precisamos conhecer a atmosfera terrestre para saber as possibilidades e limitações da observação do solo

3 A atmosfera terrestre é uma fina camada de gases que rodeia a Terra e que é retida pela sua gravidade

4 Meteorology Today (Ahrens)

5 burro.cwru.edu/academics/astr201/atmosphere/atmosphere1.html Estrutura da atmosfera terrestre

6 Altitude (Km) Perfis de temperatura 570 HST X-ray UV visible Luz solar UV e raios X aquecem e ionizam gases Concentração de ozônio diminui Aquecida por absorção de luz UV pelo ozônio Aquecida pela superficie e conveção TERMOSFERA MESOSFERA ESTRATOSFERA TROPOSFERA TEMPERATURA( 0 C)

7 Pressão: decresce exp. com a altura z P(z) = P 0 exp(-z/h) H: escala de altura (=RT m /M 0 g) Composição química cte até 90 km

8 H=RT m /M 0 g (escala de altura) P(z) = P 0 exp(-z/h) R: cte gases (8.23 J K -1 mol -1 ) T m : temp. media (0 0 C) M 0 : massa mol. Média (0.029kg) g: acel. grav. H = 8km

9 Quais são os maiores constituientes da atmosfera?

10 Constituintes da atmosfera Argônio (0.9 %) (CO 2 : 0.04 %) Oxigênio (O 2 : 21 %) Nitrogênio (N 2 : 78 %) (H 2 O, O 3, ) Vapor de agua é varíavel, ~1% N e O são os principais constituintes e sua proporção relativa é constante entre 0-90 km

11 Constituintes da atmosfera Os constituintes menores (e variaveis) são importantes fontes de opacidade na atmosfera (CO 2, H 2 O, O 3, )

12 Vapor de água: uma das principais fontes de opacidade na atmosfera Meteorology Today (Ahrens)

13 Medida do conteúdo de Vapor d água O conteúdo fracional (fractional content), razão de mistura (mixing ratio), ou humidade específica (specific humidity) é: 0 < r r s (T) (saturação) [r] = g/kg muito sensível à Temperatura z (altitude) Latitude tempo

14 Massa de vapor de H 2 O por volume de ar saturado a pressão normal em função da temperatura Temperatura ( O C) Lena g(h 2 0) per m 3 of ar

15 Mixing ratio em função da latitude latitude Meteorology Today (Ahrens)

16 Lena Concentração de vapor de H 2 O em função da altitude

17 Quantidade de água precipitável Água precipitável acima de uma dada altura z 0 é onde é o número de moléculas / volume

18 Coluna d'água precipitável Onde ρ 0 é a densidade do ar em z 0 r(z) varia rapidamente: a escala de altura do vapor d'água (3km) é << ar seco (8 km)

19 Keck (4.2km) spectrum of HD Interstellar NaD Stellar NaD

20 Keck (4.2km) vs. VLT (2.7km) Water vapor clearly present on Paranal (VLT) ISM NaD Stellar NaD

21 Keck (4.2km) spectrum of HD much less H 2 O on Mauna Kea (Hawaii) than on Paranal (Chile) Stellar NaD Interstellar NaD

22 Ozônio (O 3 ) A estrutura vertical do O 3 varia muito (latitude, estação do ano), mas tem um máximo ~20km Ozônio estratosférico Ozônio troposférico Andrew Ryzhkov

23 Ozônio (O 3 ) O hemisferio norte tem uma maior concentração de ozônio que o hemisferio Sul

24 Ozônio (O 3 ) A quantidade total de O 3 tem um ciclo annual Tipicamente cm em CNTP Mar Abr Out Nov Variação annual do ozônio a cada 10 graus de latitude no hem. Norte

25 Altura (km) Ozônio: principal proteção contra a radiação UV solar C B A nm 100% UV-C nm 90% UV-B nm 10% UV-A μm

26 Ozônio: principal proteção à Terra contra a UV do Sol Espectro de protetores solares nm 100% nm 90% nm 10% (espectro solar) (sensibilidade da pele) (espectro efetivo)

27 Verificar se seu protetor solar bloqueia UVA!

28 Destruição do Ozônio Constituintes menores (Cl, NO) destroem o O 3 Os cloroflourcarbonetos, CFCs, podem alcançar a estratosfera e destroir ozônio

29 Dióxido de carbono CO 2 Importante fonte de absorção no infravermelho Tem distribuição similar ao O 2 e N 2 Razão de mistura não depende da altura

30 CO 2 e aquecimento global Luz visível atravessa a atmos e esquenta a superficie. Os gases (CO 2, H 2 O & CH 4 ) na atmos absorvem a luz IR refletida, re-emitindo-a em direções aleatorias. CO 2 é a segunda fonte (após H 2 O) do aquecimento global

31 CO 2 e aquecimento global CO 2 nos últimos 1000 anos Meteorology Today (Ahrens)

32 CO 2 e aquecimento global

33 CO 2 e aquecimento global

34 bandas de absorção atmosférica (bandas teluricas) Impacto na Astronomia Aumento de CO 2 : maiores bandas de absorção na atmosfera

35 Impacto na Astronomia? Dec-Feb Jun-Aug

36 Íons Acima de 60km, radiação solar UV ioniza a atmosfera A Ionização varia com altitude, iluminação solar, ativ. solar A altas latitudes, cascatas de elétrons entram nos polos magneticos, causam as auroras

37 Íons : Auroras Acima de 60km, radiação solar UV ioniza a atmosfera A Ionização varia com altitude, iluminação solar, ativ. solar A altas latitudes, cascatas de elétrons entram nos polos magneticos, causam as auroras

38 Reações típicas: Íons Variação da dens. eletrônica: Camada z(km) Ne[cm -3 ] D E F x10 6 > D quase desaparece à noite Interfere nas ondas de rádio

39 Absorção da Radiação A absorção da atmosfera pode ser total ou parcial

40 Transições Atômicas e Moleculares ATÔMICAS: O, N MOLECULARES: Eletrônicas CH4, CO, H2O, O2, O3, Rotacionais: H2O, CO2, O3, Rotationais-Vibracionais: CO2, NO, CO E = [T + G + F (J)] hc el,v,j e v v

41 Bandas de absorção atmosféricas bandas teluricas A física atóm. e mol. fornece coef. κ ou σ para c/especie

42 Espectro solar e bandas teluricas No otico e infravermelho proximo, O 3, H 2 O e CO 2 causam fortes bandas de absorção na atmosfera terrestre

43 γ Cas e bandas teluricas Na região do infravermelho proximo H 2 O causa fortes bandas de absorção na atmosfera terrestre K H J

44 Transmissão atmosférica Mauna Kea com H2O = 1mm(1mm) e 3mm J H K L M N P μm

45 Water Vapor: Mauna Kea vs OPD λ Mauna Kea h(1mm,3mm) OPD/LNA h(10mm) Barbosa(2000) OPD/LNA h(20mm) Barbosa(2000)

46 Profundidade óptica A profundidade óptica ao longo de uma linha vertical, de um constituinte i com taxa de mistura r i (z) é dada por: A atenuação de um raio incidente de intensidade I 0 (topo atmosfera) recebido a uma altitude z 0 e fazendo um ângulo θ com o zênite é: Onde a soma é sobre todas as espécies que absorvem

47 Atenuação da radiação com a altitude Atmosphere totally opaque for τ=10 Ideally observatories are feasible for τ < 0.5 (transmission > 61%) I/Io = 1/2 τ = /10 1/

48 Camadas ionizadas tem índice de refração n relacionada à dens. eletrônica Ne n 2 = 1-ω p2 /ω = 1-(λ/λ p ) 2 ν p [Hz] = ω p /2π =9 x10 3 N e 1/2 Plasma Ionosférico Total reflection Para a camada F (N e = 2x10 6 cm -3 ), λ p =23.5m (ν p =12 MHz)

49 Ground-based observatories Contínuo N 2 Bandas elet O 2, O 3, cont O 2 Bandas rot. e v-r Plasma ionosferico H 2 O e CO 2 Bandas rot. H 2 O e O 2 UV long. (<20nm) UV próximo mm 10-20m cutoff JANELA OPTICA-IV IV e sub-mm JANELA RADIO

50 ALMA: 66 antennas working together at mm and submm

51 Emissão Atmosférica A atmosfera emite por fluorescência (airglow) e termicamente FLUORESCÊNCIA: recombinação dos elétrons e íons criados nas reações diurnas de dissociação Contínuo: 1-3 Rayleigh Å -1 Linhas: 500 R 1 Rayleigh (R) = 10 6 fótons cm -2 s -1 str -1 = 6.8x10-17 Wm -2 um -1 arcsec -2 (em =550nm) = 22 mag arcsec -2 Principais emissores: OI, NaI, O 2, OH, H

52 Espectro do céu à noite (no ótico) Mauna Kea (Havaí) [OI]6300,6363 O 2 Hg [NI] 5199 [OI] 5577 NaI 5890;6 OH HI OH OH OH

53 Espectro do céu à noite (no ótico e infravermelho) Observatório de La Palma (Canary Islands) OH é muito forte no vermelhoinfravermelho

54 Fundo de céu para observações no solo e no espaço próximo à Terra

55 Emissão Térmica (infravermelho) Convecção

56 Emissão Térmica Atmosfera pode ser considerada um gás em ETL até 40-60km Para τ << 1 (profundidade ótica fina), a intensidade de radiação a altitude z e distância zenital θ é: onde B λ é função de Planck à temperatura média T da atmosfera. τ << 1 e B λ não é desprezível: - infravermelho próximo: 1-20 μm - milimétrico: mm

57 Emissão Térmica Usando temperatura média 250K: Fontes astronômicas podem ser várias ordens de magnitude mais fracas que a emissão térmica do céu (problema parecido com a emissão fluorescente do céu). Léna, Lebrun & Mignard 1998 Observational astrophysics, 2 nd Ed

58 Fundo do céu no infravermelho: emissão térmica vs. OH Emissão fluorescente (OH) Emissão térmica Brilho de fundo do céu no infravermelho, em altitude de Mauna Kea (4200m).

59 Difusão da Radiação: espalhamento Rayleigh e Mie Causado por moléculas e aerosóis em suspensão A influência das particulas do ar depende da altitude, mas os aerosóis dependem de ventos, clima, estação, ativ. vulcânica, poluição industrial

60 Espalhamento Rayleigh Para partículas menores ao comprimento de onda λ da luz onde n: índice de refração; N: densidade moléculas

61 Por isso o céu é azul Hawaii, after observing run... A intensidade do espalhamento Rayleigh depende do ângulo θ de incidência Em z=2km, a 90 0 do Sol, λ=7000a, brilho do céu é 10-7 daquele do disco solar

62 Espalhamento Mie Espalhamento por partículas maiores ao comprimento de onda λ da luz Não depende muito do comprimento de onda

63 Espalhamento Mie

64 The dashed line shows the possible additional contribution due to aerosols, varying as λ -1. For comparison, ( ) marks the sky brightness measured at 0.5 arcmin from the Sun s limb at Kitt Peak (Arizona) Possível observar ao dia ou à noite Contribuição ao brilho do céu (no dia) na região do ótico e infravermelho Fig (Lena, Observational Astrophysics). Molecular scattering is given for the altitude z = 2000m, at 90 0 from the Sun. The wavelength dependence is λ -4. Thermal emission is also shown, assuming uniform mean emissivity of 0.1.

65 Outros fatores atmosféricos: Vincent van Gogh Turbulência atmosférica

66 Geração de turbulência na atmosfera terrestre Turbulência atmosférica causada pelo relevo

67 Outros fatores atmosféricos: Camada de inversão Fator na escolha de um sítio astronómico de solo Camada de inversão, ~ 2km, mas pode ocorrer a menores z São Paulo, 6af, 23 maio 2008, 08h30m

68 Camada de inversão Camada de inversão sobre o oceano pacífico em volta da ilha de Havai

69 Escolha de um sítio astronômico Ausência de nuvens (ligada à camada de inversão) Qualidade fotométrica (estab. transparência atmos.) Transparência no IV e mm (vapor H 2 O atmosférico) Qualidade da imagem (variações na temperatura e índice de refração do ar)

70 Escolha de um sítio astronômico Altitude precipitable H 2 O

71 Escolha de um sítio astronômico Cloud coverage BEST SITES High summits + low cloudiness + low precipitable water vapor Peru, Chile, Bolivia, Argentina Sarazin 2006, IAU Symp 232

72 Se o solo não for bom, podemos ir ao espaço