Leyes de Kirchhoff. Radiación y Espectros. Pasaje de la radiación electromagnética a través de la atmósfera. Transiciones atómicas y moleculares

Transcripción

1 Radiación y Espectros Pasaje de la radiación electromagnética a través de la atmósfera Andrea Sánchez y Gonzalo Tancredi Curso CTE II Generación n de líneas: l Leyes de Kirchhoff Transiciones atómicas y moleculares ESPECTRO SOLAR RECIBIDA EN EL TOPE DE LA ATMOSFERA Transición Energía a (ev) Estructura hiperfina 10-5 Radio Acoplamiento spin-órbita 10-5 Radio Región n espectral Rotación n molecular Milimétrica - IR Rotación-vibraci vibración n molecular IR Ejemplo 21 cm H 18cm OH 2.6mm J1-0 0 CO 2μm m H 2 Estructura atómica fina IR 12.8μm NeII Transiciones electrónicas de átomos y moléculas UV, visible, IR Transiciones nucleares > 10 4 Gamma Aniquilaciones > 10 4 Gamma Series H 15MeV de 12 C 511keV de positronium

2 Transiciones atómicas y moleculares relevantes en la atmósfera Transiciones moleculares rotacionales puras (H 2 O, CO 2, O 3, ) mm e IR Transiciones moleculares rotacionales-vibracionales (CO 2, NO, CO, ) IR Transiciones moleculares electrónicas (CH 4, CO, H 2 O, O 2, O 3, ) Visible y UV Transiciones electrónicas de átomos e iones (O, N, ) Visible y UV Dispersión n (Scattering) Dispersión n Rayleigh por moléculas Para partículas de tamaño o < 0.1 λ,, la intensidad dispersada por dispersores dipolares es: Dispersión cuasi-uniforme y fuertemente dependiente de λ Dispersión n Mie por gotas de agua y aerosoles Dispersión n Mie a>>λ σ 2 π a 2 a > λ σ 1/λ Fuerte dispersión n hacia adelante Dispersión n Rayleigh por moléculas Dispersión Rayleigh y Mie combinadas

3 Dispersión n Mie por gotas de agua y aerosoles Absorción + Emisión + Dispersión en el Espectro del Sol ESPECTRO SOLAR OBSERVADOR EN EL TOPE DE LA ATMOSFERA RADIACION SOLAR RECIBIDA EN EL TOPE DE LA ATMOSFERA Y EN LA SUPERFICIE TERRESTRE Espectro del cielo nocturno Las ventanas atmosféricas

4 Región IR Región mm para Chajnantor (Chile), Mauna Kea (Hawaii) y South Pole 2 Pasaje por el sistema óptico Teorema fundamental de la óptica de Fourier La distribución n de amplitud en el plano focal de un sistema óptico ( a(p,q) ) es la Transformada de Fourier de la distribución n de amplitud en el plano de la pupila del sistema ( A(x,y) ). a ( p, q) = TF[ A( x, y)] La distribución n de amplitud en el plano pupilar es el producto de un frente plano por la obstrucción del sistema (función n caja). Imagen de un sistema óptico Ejemplos Separación angular del primer cero (en radianes): θ = 1.22 λ / D λ- longitud de onda D Diámetro de la lente o espejo Observando en una λ=550 nm (visible) Para un telescopio de D=14cm θ = 4.8e-6 6 rad = 1 1 D=8m θ = Observando en una λ=21cm (radio) D=305m θ =180 D=12000km θ =0.004!!!

5 Point Spread Function (PSF) Separación n angular Def.: Es la respuesta de un sistema a una fuente puntual. Es la imagen formada en el plano focal del instrumento por una fuente puntual en el infinito. 3 Degradación n de la imagen por la Turbulencia atmosférica turbulencia atmosférica Titilar (scintillation) variación n del brillo visto por el ojo, se corresponde con el enfocamiento o desenfocamiento de la energía a en el frente de onda. Agitación n de la imagen en el plano focal del instrumento como resultado de las variaciones locales del ángulo que forma el plano tangente del frente de onda con la visual. Seeing Esparcido (smearing) de la imagen lo que agranda el tamaño o de las imágenes y es causado por la pérdida de coherencia espacial en la pupila. Seeing Es una consecuencia de la turbulencia atmósferica. Esta causado por las fluctuaciones de temperatura de gran frecuencia (~ 1 seg) y la mezcla de parcelas de aire de diferente temperatura y densidad. Este comportamiento de la atmósfera se aprecia en el ocular del telescopio como imágenes borroneadas, en movimiento o con rápidas r variaciones de brillo. Hay principalmente 3 áreas donde ocurre la turbulencia atmósferica: Dentro de la cúpula c y el telescopio Cerca de la superficie (0 100 metros) Tropósfera central (100m 2km) Alta tropósfera (6-12km.)

6 Speckles ( motas ) Perfiles estelares con y sin seeing Categorías as de seeing De lo mejor a lo peor Las condiciones cambiantes Júpiter Marte observado en condiciones de mal seeing Los dibujos de P. Lowell de los canales marcianos.

7 Todos los efectos atmósfericos La dispersión, distorsión, absorción, enrojecimiento y refracción atmosférica vista en una sola imagen. El limbo del Sol poniente esta distorsionado en franjas horizontales debido a capas de aire a diferente temperatura. Un fleco verde flota sobre la parte superior como resultado de la dispersión que ubica las imágenes azul y verde un poco mas alto que las amarilla y roja. El Sol es achatado con una forma oval debido a la mayor refracción cercana al horizonte, donde el aire mas denso absorbe y enrojece mas la luz. Seeing vs dispersión La degradación n del frente de onda Optica adaptativa Es posible volver atrás? Optica adaptativa con laser beam La mejora de la PSF

8 Donde colocar un observatorio Mauna Kea, Hawaii Paranal, Chile La Palma, Canarias Tenerife, Canarias Conceptos importantes Radiación n solar en el visible y otras longitudes de onda. Curva de Planck solar. Ventanas atmósfericas. La importancia de la espectroscopia como fuente de información. n. Ejemplos Generación n de espectros de absorción n y emisión, dependencia con la T. Interacción n del frente de ondas con Atmósfera (turbulencia, etc ) Sistema óptico (tipos de telescopios) Disco de difracción n o de Airy y resolución n angular Point Spread Function (PSF) Seeing