A Atmosfera Terrestre: Parte 1 - if.ufrgs.br .Por que o estudo da atmosfera terrestre é importante

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Universidade Federal do Rio Grande do SulInstituto de Fsica

Departamento de Astronomia FIP10104 - Tcnicas Observacionais e Instrumentais

Rogrio Riffel

A Atmosfera Terrestre: Parte 1

Porto Alegre, 24 de Maio de 2007

Por que o estudo da atmosfera terrestre importante para a astronomia? * Atua como uma tela entre o observador e o resto do Universo;

* A grande maioria das observaes so limitadas a janela do visvel (Rdio-1930) ;

* Os avanos tecnolgicos permitem (permitiro) o uso de outras faixas do espectro eletromagntico (R-gama, R-X, UV, IR, Rdio);

* Observaes sitiadas no solo X espao (R$?) (Resoluo 20 x maior)

* Precisamos conhecer os limites impostos as observaes terrestres (Janelas espectrais).

Efeitos da atmosfera sobre a radiao:1) OPACIDADE: capacidade de absorver a radiao;2) ESPALHAMENTO: responsvel pela poluio luminosa;3)DISPERSO: desvia a direo da luz de uma estrela;4)TURBULNCIA: degrada a imagem -> seeing;5)IONIZAO da atmosfera superior cria um plasma que interfere com ondas de rdio.6) EMISSO DA ATMOSFERA;Efeitos ainda variam com o tempo e local (altitude, umidade, etc).

Estrutura Fsica e qumica da atmosfera

Estrutura Vertical

* Primeira aproximao: A atmosfera est em equilbrio com o meio que a cerca;

* O Fluxo recebido do Sol e o re-irradiado para o espao permitem uma distribuio mais ou menos esttica de T e P com relao ao tempo;

* A estrutura mdia da atmosfera descrita como uma funo que depende da:

# Altitude (z);# Temperatura [T(z)];# Densidade [(z)];

Fonete: http://burro.cwru.edu/Academics/Astr201/Atmosphere/atmosphere1.html

* O Ar compressvel, ou seja P e so variveis;

* Valor mximo na superfcie da Terra;

* De 0 90 Km a composio do ar aproximadamente constan te e a presso descrita por:

R=Cnt dos gases (8.32 J/K mole);M

0=Massa Molec. Mdia (0.029 kg);

Tm=Temp. Mdia (293K);

H~8Km (escala de altura).

Constituintes da atmosfera

* Nitrognio (78,08 %);* Oxignio (20,95 %);* Argnio (0.93 %);* Os principais constituintes so: O

2 e N

2 cuja proporo

relativa constante entre 0 e 100 km.

Qual o efeito destes constituintes nas observaes astronmicas?

Constituintes da atmosfera

* Nitrognio (78,08 %);* Oxignio (20,95 %);* Argnio (0.93 %);* Os principais constituintes so: O

2 e N

2 cuja proporo

relativa constante entre 0 e 100 km.

Qual o efeito destes constituintes nas observaes astronmicas?

R: Causam fortes absores em certas bandas espectrais. Especialmente vapor de gua, dixido de carbono e oznio.

Vapor d'gua* O contedo fracional ou razo de mistura :* Expresso em g/Kg. * varia entre 0 e um valor mximo (saturao) r

s(T), muito

sensvel a temperatura.

A razo de mistura funo de z e muito dependente do tempo e da latitude.

A quantidade de gua precipitvel a partir de uma dada altura dada por:

H2O o nmero de molculas por

unidade de volume;

Podemos expressar a coluna d'gua precipitvel por:

0 a densidade do ar em z

0 e dado em cm.

Devido a rpida variao de r(z) com a altura a escala de altura do vapor d'gua consideravelmente menor que o do ar seco (H), sendo da ordem de 3 km.

Escolher um stio em uma montanha alta, melhora muito a qualidade das observaes especialmente no IR e radio (mm).

* Mauna kea, 4205m;* Cerro Pachn, 2700 m; * Pico dos Dias, 1864m;* Morro Santana, 311m.Oznio* Em condies normais, a quantidade integrada de Oznio na atmosfera varia de uma coluna de 0.24cm a 0.34cm em CNTP.

* Concentrao mxima a 16 km, embora esteja presente at 80 km. Absorve principalmente no ultravioleta.

Dixido de Carbono* Importante fonte de absoro no infravermelho (mdio);* Distribui-se verticalmente de forma similar ao O

2

e N2;

* Taxa de mistura no depende da altitude;ons* Acima de 60km, radiao ultravioleta do Sol torna a atmosfera ionizada;* A Ionizao varia com atividade solar (flares aumentam ionizao). * A altas latitudes, cascatas de eltrons so canlizadas ao longo das linhas de campo magntico da Terra e ionizam atmosfera a altas latitudes (auroras).

Reaes tpicas:

* As densidades eletrnicas variam com a altura: # 103 cm-3 a 60 km; # 105 cm-3 a 100 km; # 2x106 cm-3 de 150-300 km; # 104 cm-3 depois destas camadas at 2000 km.

* Interfere nas ondas de rdio (observaes na faixa rdio do espectro eletromagntico);

Absoro da Radiao

* A absoro da radiao pela atmosfera pode ser parcial ou total;

* Caso seja total, janelas de transmisso podem ser determinadas a uma dada altitude.

* Caso seja parcial, o espectro observado fica danificado (Ex. aula do Kepler, UV);

* O espectro afetado por bandas telricas em absoro;

Transies atmicas e moleculares* Causam absores em comprimentos de onda discretos

Transies entre os nveis eletrnicos de tomos: ex. O e N

TransiesMoleculares

Nveisdeenergiaeletrnicas

Nveisdeenergiavibracionais

Paracadanveleletrnicoexistemvriosnveisvibracionais.Paracadanvelvibracionalexistemvriosnveisrotacionais.

Nveisdeenergiarotacionais

* Transies puramente rotacionais (H2O, CO

2,O

3)

# Afetam mais os comprimentos de onda maiores (IR-Distante, Rdio);

* Transies Ro-Vibracionais (CO2,NO,CO,H

2)

# Afetam a regio NIR;

* Transies entre nveis moleculares eletrnicos (CO, CH

4, H

2O, O

2,O

3 ou radicais de OH)

# Afetam a regio UV, e visvel; # O OH produz um espectro muito brilhante (em emisso) no NIR

Exemplo do espectro do cu para NGC 2110, na banda K

* A Fsica atmica e molecular permite o clculo dos coeficientes de absoro k

i() e das sees de

choque .

A profundidade ptica ao longo de uma linha vertical, de um constituinte i com taxa de mistura r

i(z) dada por:

* A atenuao de um raio incidente de intensidade I0 recebido a uma altitude z

0 e fazendo um ngulo

com o znite dada por:

A soma sobre todas as espcies que absorvem.

Atenuao da radiao com a altitude: Escolha de um stio.

Fonte: http://hea-www.cfa.harvard.edu/CHAMP/EDUCATION/PUBLIC/bkgd.html

Baseado em:

* Lena et al. Obnservational Astrophysics

* Alice Marlene Grimm Meteorologia Bsica - Notas de Aula (http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/)

http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/