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. Електромагнетни таласи
Максвелове једначине ( ) – сумирају сво тадашње знање о електромагнетизму
Линије електричног поља имају свој почетак и крај. Оне почињу на позитивним а завршавају се на негативним наелектрисањима. Јачина електричног поља је дефинисана као сила по јединичном пробном наелектрисању, док је интензитет силе повезан са диелектричном пропустљивошћу вакуума e0
Линије магнетног поља су затворене линије, немају ни почетак ни крај. Интензитет силе магнетног поља је повезан са магнетном пропустљивошћу вакуума m0
Променљиво магнетно поље ствара (индукује) електромоторну силу, односно електрично поље. Смер индуковане електромоторне силе је такав да се супротставља промени у магнетном пољу која ју је изазвала.
Магнетно поље стварају наелектрисања у кретању или променљиво електрично поље.

7. Максвелове једначине - последице
оне нису само обједињени и другачији запис дотадашњег знања
указују на симетрију између промене електричног поља и добијања магнетног на основу тога и обрнуто
закључак, осциловање у колима са наизменичном струјом креирају променљива поља која се потом преносе кроз простор – формирају се електромагнетни таласи
из Максвелових једначина је осим тога следило да је њихова брзина једнака брзини светлости у вакууму
закључак: светлост је електромагнетни талас

8. Максвелове једначине - последице
то је била теорија – није било експерименталне потврде
а онда је Хајнрих Херц, године почео да врши експерименте са RLC колима (кола са отпорницима, калемима и кондензаторима која су осциловала)
доказао егзистенцију ЕМ таласа које је емитовало коло

9. Генерисање електромагнетних таласа
жица са извором наизменичне струје - антена
шта је са магнетним пољем?
да пробамо да га одредим правилом десне шаке?

10. Магнетно поље ЕМ таласа
жица са извором наизменичне струје – антена
правило десне шаке
закључак – ЕМ талас је трансверзалан
осим тога важи

11. Спектар ЕМ таласа B

12. Радио таласи
назив потиче од врсте таласа за преношење сигнала између радио апарата
извор осцилаторна кола – као што је и описано
разни опсези
AM, FM, TV
ELF (Extremely Low Frequency), …

13. најниже фреквенције 60 Hz у далеководима
ELF 1 кHz за комуникацију са подморницама – слабо их апсорбује слана вода
АМ – амплитудна модулација, у области кHz
FM – фреквентна модулација, у области кHz

14. модулација – поступак за уметање информације (звучне или видео) у ЕМ талас
носећи талас има фреквенцију радио станице

15. Микроталаси
таласи највише фреквенције коју могу да произведу осцилаторна кола
област Hz
због мале таласне дужине добили су име микро
зраче их атоми и молекули при термалном кретању
погодни за комуникацију јер као таласи више фреквенције носе више информација по јединици времена
радар – уређај који ради користећи њих
доплеров ефекат за одређивање брзине аутомобила
микроталасна рерна – апсорбују их молекули воде
космос зрачи као црно тело температуре 2,7 К у овој области

16. Инфрацрвено зрачење
настаје услед термалног кретања, осциловања и ротирања атома и молекула
област иде до видљивог дела (црвене боје у спектру)
молекул воде ротира и осцилује на фреквенцијама које спадају у ову област
сунце зрачи у овој области око 50% свог зрачења, као тело температуре око 6000 К
Земља такође али много мање интензивно
заправо све (што није на апсолутној нули) зрачи у овој области!

17. Начини вибрирања веза у молекулу воде у гасовитом стању
симетрично вибрирање
асиметрично вибрирање
савијање
комбинација ова три
Начини вибрирања веза у молекулу угљен диоксида у гасовитом стању
асиметрично истезање
вертикално савијање
симетрично истезање – није ИЦ осетљиво
хоризонтално савијање

18. Видљива светлост узани део спектра на који је људско око осетљиво
оптика се бави овом облашћу углавном
када интерагује са телима већим од таласне дужине зрачења светлост се простире као зрак-честица праволинијски (геометријска оптика)
ако су тела реда величине таласне дужине, понаша се као талас (таласна или физичка оптика)

19. Ултраљубичасто зрачење
“изнад” љубичастог зрачења
таласне дужине између 380 до 10 nm, преклапају се мало са х облашћу
откривено године још као невидљива за око компонента Сунчевог зрачења
део (опаснији) апсорбује озон
опасно за жива бића
користи се за стерилизацију
ствара витамин Д у кожи
и тамњење коже
зауставља га стакло

20. Типови UV зрачења Тип Таласна Карактеристике дужина
Тип Таласна Карактеристике
дужина
UVA nm - не зауставља га озон
- изазива рак коже
UVB nm - делимично га зауставља озонски слој
- изазива опекотине, рак коже
UVC nm - зауставља га озонски омотач
- изазива опекотине и рак коже

21. Расподела озона са висином и степен продирања УВ зрачења до Земље
На површину Земље стиже (у природним условима)
94% UVA
6% UVB
0% UVC
D(obson) U(nit)

22. Рентгенско зрачење
експерименти са електричним пражњењима у гасовима при високим напоним су били у моди 50-их година 19. века
откривено је да постоји непознато ЕМ зрачење високе фреквенције и невидљиво за очи – названо је х зрачење
у ствари настаје на два начина – кочењем брзих електрона и избијањем електрона са унутрашњих нивоа (близу језгра)
на живе ћелије делује као УВ, оштећује их
уништава брзоделеће ћелије рака
употреба – за добијање слика тела непроводних за видљиву светлост – успешност у пролажењу зависи од густине делова тела
Рентген године добио прву Нобелову награду за физику
користе се и за испитивање кристалних структура

23. Настанак X-зрака – континуално зрачење.

24. Настанак X-зрака – карактеристично зрачење

25. Гама зрачење нуклеарни распади откривени 1896. године
убрзо је установљено да га прате три врсте “зрачења”
најпродорније је добило назив g-зрачење
електромагнетни талас високе (највише) фреквенције
емитују га језгра атома
такође у реакторима, нуклеарном оружју, итд.
употреба, за стерилизацију, зрачење оболелог ткива
високоенергетски зраци овог типа долазе и из васионе као део космичког зрачења

26. Енергија електромагнетних таласа
повезана са пољима која чине талас (Е и В)
за синусоидални талас средњи интензитет (снага (енергија по јединици времена) по јединици површине) на три начина

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

28. ln = c

29. Спектар Eлектрoмагнетног зрачења

32. Атмосферска апсорпција

33. Зрачење
три фазе –
претварање дела унутрашње енергије тела у зрачење
простирање ЕМ таласа
апсорпција од стране другог тела
свако тело изнад 0 К зрачи – услед термалног кретања
што је температура тела већа оно интензивније зрачи
промена температуре изазива и промену карактера зрачења – Планков закон зрачења 33

34. Зрачење – Планков закон зрачења34

35. Зрачење
тела која добро зраче добро и апсорбују – она су црне боје (асфалт лети – дању се брже загреје а ноћу зрачи)
идеални емитер – апсолутно црно тело
идеални апсорбер - ...
идеална рефлексија – код апсолутно белих тела

36. Штефан-Болцманов закон
шта утиче на брзину преноса топлоте зрачењем?
температура тела - Т4
боја тела – дефинише емисивност тела е
апсолутно бело тело e=0
апсолутно црно тело e=1,
реална тела – нпр. сијалица са ужареном нити: e=0,5
површина S (када проџарамо ватру она боље гори)

37. Баланс зрачења
Штефан-Болцманов закон
Баланс зрачења 37

38. Зрачење и Кирхофов закон (1859.)
тела која добро зраче добро и апсорбују – она су црне боје (асфалт лети – дању се брже загреје а ноћу зрачи)
идеални емитер – апсолутно црно тело
идеални апсорбер - ...
идеална рефлексија – код апсолутно белих тела
У термалној равнотежи емисивност тела је једнака његовој апсорптивности.

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

40. Како видимо тела различитих величина

41. Слика Сунца у области x-зрачења. Сунце у видљивом делу спектра.
Note that the sunspots (cooler regions) on the right correspond to the location of the brightest (most intense) x-rays (flares).

42. Слика истог цвета у ВИС у УВ области.
The different appearance of the nectar regions of flowers under UV light is thought to guide butterflies to them.
Слика истог цвета у ВИС у УВ области.

43. Milky Way у различитим областима таласних дужина
75 cm радио
H2 радио ИЦ
ВИС
The center of the galaxy is in the center of each picture. Point out that except for the visible light photo, the pictures have assigned colors to the various intensities of the EM radiation. (gamma rays aren’t red etc…) Also note that the x-ray and gamma ray pictures show bright sources away from the galactic core. These are thought to be black holes (the bright one on the left is Cygnus X-1; the one on the right is in the Carina nebula.)
x-зрачење
Гама област

45. Метеоролози, климатолози и географи
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

46. 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
да ли је земљотрес у Јапану могао да помери осу ротације Земље?
распоред континената и океана

47. Сунце - Земља Земља добија енергију са Сунца у форми зрачења
Откуд енергија Сунцу?
теорија Хермана Хелмхолца из године – енергија Сунца је последица међусобног гравитационог деловања делова Сунца.
услед фузије водоника у хелијум углавном.
први претпоставио године сер Артур Стенли Едингтон
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

48. 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)
енергија по јединици површине Земље и у јединици времена соларна константа – 1360 W/м2

49. 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?

50. Зрачење црног тела зависи од темературе!

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

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

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

54. 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 W/(m2 K4 s)

55. 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

56. 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.

57. 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

58. Поређење зрачења на врху атмосфере и на површини Земље

59. Зрачење које пролази кроз атмосферу
емисиони спектар
апсорпциони спектар

60. Апсорпционе траке генерисане различитим гасовима

61. Апсорпционе траке генерисане различитим гасовима стаклене баште и њихов утицај на соларно (долазно) и на термално зрачење Земљине површине (одлазно).
Мањи део соларног зрачења је апсорбован а већи пролази кроз атмосферу (70-75%) и долази до површине Земље
Већи део термалног зрачења Земље је апсорбован (70-85%) од стране гасова који се налазе у атмосфери, што доприносу управо ефекту стаклене баште.

62. Теме Фатаморгана на Земљи и ван ње Дуга Боја атмосфере
Рејлијев закон зрачења црног тела
Планков закон зрачења црног тела
Штефан-Болцманов закон и добијање из Планковог закона
Винов закон и његовог добијање из Планковог закона
Цунами таласи
Спектроскопија ефекта стаклене баште
одређивање соларне константе за Земљу и друге планете
квантитативне процене утицаја промене концетрације гасова стаклене баште на темепертуру Земље