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Che cosa vedete? Come si forma l’immagine? Da dove vengono i fotoni misurati?. http://modis.gsfc.nasa.gov/gallery/#. http://visibleearth.nasa.gov/view_set.php?categoryId=2251&order=newest&sequence=vis. ssss. Concetto d'onda trasversale Ampiezza Frequenza, Lunghezza d'onda - PowerPoint PPT Presentation
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Che cosa vedete?Come si forma l’immagine?Da dove vengono i fotoni
misurati?
http://modis.gsfc.nasa.gov/gallery/#
http://visibleearth.nasa.gov/view_set.php?categoryId=2251&order=newest&sequence=vis
• ssss
Concetto d'onda trasversale• Ampiezza• Frequenza, Lunghezza d'onda• Fase, Polarizzazione
Frequenza/energia
I parametri di StokesDato il campo elettrico della radiazione e.m.:
I parametri di Stokes sono:
Ottengo i parametri di Stokes dalle seguenti “misure”:
Esprimendo l’intensità:
______________________________________QUANTITA’ SIMBOLO UNITA’______________________________________• Energia Q J• Potenza dQ/dt J/s = W• Flusso dQ/dt/dA W/m2
• Irradianza dQ/dt/dA/dl W/m2/μm monocromatica• Radianza dQ/dt/dA/dl/dW W/m2/μm/sr
DEFINIZIONI UTILI DI RADIAZIONE DA ENERGIA A RADIANZA
Useful range for earth atmosphere remote sensing
• Measuring and intepreting the effect of a radiation-matter interaction assumes that:
- you know the e.m. radiation properties before and after the interaction.
- You know the physical nature of the interaction and how it is linked to variable you would like to estimate.
Radiometri, interferometri, Polarimetri.
Radar, Lidar, Altimetro, Scatterometro, SAR.
CLOUDSAT-CLOUD RADAR
Sorgenti naturali di radiazioneIL SOLE
EMISSIONE
TERMICA
http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/image_galleries/our_ir_world_gallery.html
METEOSAT 2° Generation18/4/2008 06:00 UTC
INFRAROSSO
www.eumetsat.int
VISIBILE
Any volume of matter at absolute temperature > 0 K emits radiation as a function of:
-its temperature and wavelength (Planck Law in Local Thermodynamic Equilibrium conditions)
- its composition (dielectric properties -> emissivity) (Kirchoff Law)
Legge del corpo nero
Sorgenti naturali di radiazioneIL SOLE
EMISSIONE TERMICA
Legge del corpo nero
APPROSSIMAZIONI DELLA FUNZIONE DI PLANCK
e.m. Interaction processes
• Absorption (Molecular + associated with scattering and reflection)
• Thermal emission• Scattering*• Reflection*• Stimulated emissions
* Polarizing processes
Molecular absorption
It depends from:
• The characteristics of the molecules (i.e. composition of the atmosphere)
• The wavelength
• Temperature and pressure of the gas.
Molecular absorption
To be computed needs for each molecule (including isotopes):
• Position (wavelength) and intensity of the absorption line (line atlas> HITRAN, GHEISA)
• Functional form of the shape of the absorption line (Gaussian, Lorentz, Voigt)
• Functional form for the continuum• Temperature, pressure and concentration for each
molecule considered.The radiative transfer representation of the process is
through an extinction coefficient (cross section).
Atmospheric absorption
H2O, O2, O3
O2
H2O, N2
( ) ( ) continuum termsi oi
k N S F AbsorptionCoefficientCenter frequency
FrequencyLine Shape
Gas strength factorabundance
• ASSORBIMENTO• origine dell'assorbimento • linea• forma della linea e processi di allargamento
della linea• bande• continuo• uso delle finestre atmosferiche, confronto tra variabilita'
spettrale• della diffusione e dell'assorbimento
Energy levels of a molecule
Electronic energy levels; Hydrogen atom
Line broadening
1) Natural broadening Depends on the lifetime of the excited energy level
2) Doppler broadeningDepends on the velocity of the molecule, in thermal equilibrium condition, the velocity distribution depends on the temperature.
3) Pressure broadeningDepends on the collisions with other molecules, in equilibrium conditions on the pressure.
The continuum
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Ab
sorb
an
ce
Wavelength
Gaussian lineshape Lorentzian lineshape
The so-called continuum absorption is caused by the far wings of strong absorption lines, e.g. H2O lines.
Proprieta’ fisiche delle singole molecole e Aerosols (composizione)
(p,T)Proprieta’ ottiche delle singole molecole e Aerosols (λ,Ω)
Proprieta’ ottiche del volume (λ,Ω)
Equazione del trasporto radiativo (λ,Ω)Proprieta’ ottiche della superficie/boundaries (λ,Ω)
Soluzione (∫ ∫ …dλdΩ)
Proprieta’ fisiche delle singole molecole e Aerosols (composizione)
Proprieta’ ottiche delle singole molecole e Aerosols (λ,Ω)
Proprieta’ ottiche del volume (λ,Ω)
Equazione del trasporto radiativo (λ,Ω)
Soluzione (∫ ∫ …dλdΩ)
Processi radiativi d’interazione
Calcolo delle proprieta’ ottiche di volume:Spessore ottico, albedo di singolo scattering, proprieta’ angolari dello scattering (per es: g o matrice di diffusione) o T,R,A
Risoluzione numerica dell’eq. Del trasporto radiativo
Risoluzione numerica di eventuali integrazioni angolari e spettrali
Scale di frequenza• Variabilita’ della funzione di Planck:
Calcolo dei flussi, cooling heating rates (500 cm-1)
• Contorno delle bande (50 cm-1)• Spaziatura tra linee rotazionali (1-5 cm-1)• Caratteristiche della linea. Radiazione
mocromatica (validita’ Legge di Beer). ~1/5 line width. 2x10-2 (bassa atmosfera) a 2x10-4 (Doppler width, alta atmosfera)
Soluzioni numeriche per il calcolo dell’assorbimento
molecolare
• Line-by-line• Band models• Emissivity models
Band models
I modelli di banda sono utilizzati per rappresentare la complessita’ degli spettri dati dalle singoli linee
•Random models•Correlated k-band models• etc..(see Goody & Yung 1989)
Correlated k-band model
Scattering
RIFLESSIONE - leggi di ottica geometrica che regolano il
passaggio di radiazione tra mezzi con indice di rifrazione differente
- Formule di Fresnel per luce polarizzata- casi limite: riflettore speculare, riflettore - modellizzazione di superficie corrugate- applicazioni possibili: vento alla superficie, oil
spills, tipo di vegetazione- varie combinazioni flussi radianze del concetto di
riflettanza.
Definizioni S: sorgenteO: osservatore
P: puntualeD: diffusa
Surface reflectance - BRDF
Tipi di riflessione
Calcolo delle proprieta’ di riflettanza: BRDF
Geometria e composizione (indice di rifrazione complesso) degli elementi di superficie
Ottica geometrica
Θo=cost
* *
1 2* *
1 2
*1 2
* 1 2
cos cos 2 ...
cos cos 2 ...1
sin sin 2 ...2 / 2Resin sin 2 ...
2 Im
v v h ho
v v h h o
v h
v h
E E E EI I II
E E E E Q Q QQ
U UU E EV UV
E E
L
Surface emissivity - Oceans
Directional wind roughened surface: Sea-water permittivity Fresnel equations (I, Q, U, V)Large-scale wavesGravity-capillary, capillary waves (>
2m/s)Whitecaps (> 7 m/s)Foam (> 10-12 m/s)
EMISSIONE TERMICA
• CORPO GRIGIO
• LEGGE DI KIRCHOFF
• BRIGHTNESS TEMPERATURE
Any volume of matter at absolute temperature > 0 K emits radiation as a function of:
-its temperature and wavelength (Planck Law in Local Thermodynamic Equilibrium conditions)
- its composition (dielectric properties -> emissivity) (Kirchoff Law)
Thermal Emission
http://www.icess.ucsb.edu/modis/EMIS/html/em.html
Source Function (SF) in Non-Local Thermodynamic Equilibrium (LTE)
• In generale la SF e’ una funzione della popolazione dei livelli coinvolti in ogni transizione
• In LTE la popolazione dei livelli dipende solo dalla temperatura e quindi la SF e’ la funzione di Planck
• In generale la popolazione dei livelli di una molecola dipende dal campo di radiazione in cui la molecola si trova
• In LTE le collisioni sono cosi’ frequenti da portare molto velocemente la popolazione di un livello alla distribuzione di Boltzmann corrispondente alla Temperatura cinetica del gas
• In Non-LTE le collisioni termiche sono meno importanti e quindi gli stati eccitati non si deattivano per urto ma per altri fenomeni. Cosi’ la popolazione dei livelli NON ha relazione con la Temperatura cinetica
• Il problema di trovare la SF in Non-LTE si trasferisce nel problema di trovare la popolazione dei livelli energetici coinvolti nell’interazione radiazione materia
• GRANDEZZE OTTICHE MACROSCOPICHE DELLO STRATO:
• RIFLETTANZA• ASSORBANZA• EMISSIVITA'• TRANSMITTANZA • LORO INTERRELAZIONE• Relazione tra parametri ottici e parametri
macroscopici dello strato
• EQUAZIONE DEL TRASPORTO RADIATIVO GENERALE • - CONCETTI DI SPESSORE OTTICO, TRASMITTANZA E
RELAZIONE CON• PROPRIETA' OTTICHE MICROSCOPICHE• - CONCETTO DI -SOURCE FUNCTION'• EQUAZIONE DEL TRASPORTO RADIATIVO PER ATMOSFERA
PIANA E PARALLELA • NON-SCATTERANTE (CASO DELL'IR)• - Concetto di weighting functio • EQUAZIONE DEL TRASPORTO RADIATIVO PER ATMOSFERA
PIANA E PARALLELA• A DUE STRATI UNO ASSORBENTE ED UNO SCATTERANTE
(CASO DEL VIS-UV)
Superficie ρ
Strato diffondente
Strato assorbente
Fo
1
2
3 4
5
6
θ¤θv
γ
τgas
τa
ωP
Superficie
Fo
θvθ¤
θv
ρs
T2
T3
T0Ta
RsRad RarRsr
Ta
T1