Irraggiamento

Legge di Stefan-Boltzmann

L'intensità della radiazione emessa dipende dalla temperatura del corpo che la emette. Nello specifico, l'energia emessa per unità di tempo e superficie da un corpo a temperatura \(T\) è data dalla legge di Stefan-Boltzmann:

\[ \epsilon = \sigma e T^4\]

dove \( \sigma = 5{,}67 \times 10^{-8} \, \frac{\mathrm J}{ \mathrm m^2 \, \mathrm s \, \mathrm K^4}\) è la costante di Stefan-Boltzmann, \(e\) è l'emissività del corpo e \(T\) la temperatura in \(\mathrm K\) che varia da 0 (emissività nulla) a 1 (emissività massima).

Lo spettro elettromagnetico

La radiazione elettromagnetica viaggia nello spazio sotto forma di onde elettromagnetiche. La radiazione si presenta sotto forma di pacchetti d'onda chiamati fotoni. I fotoni dei diversi tipi di radiazioni hanno lunghezze d'onda (e quindi frequenze) diverse, per cui lo spettro elettromagnetico è suddiviso in diverse "bande".

Le radiazioni con una lunghezza d'onda minore hanno una frequenza maggiore e viceversa: le due quantità sono inversamente proporzionali tra loro. La frequenza di un'onda elettromagnetica è direttamente proporzionale alla sua energia, quindi al diminuire della lunghezza d'onda aumenta l'energia.

Fig. 1 - I diversi tipi di radiazione sono mostrati in ordine di lunghezza d'onda crescente e di energia decrescente da sinistra a destra.

I raggi gamma hanno la lunghezza d'onda più corta tra tutti i tipi di radiazioni. Ciò significa che ha la frequenza più alta e la maggiore energia. Le onde radio hanno la lunghezza d'onda più lunga. La radiazione elettromagnetica che possiamo vedere si trova nella sezione della luce visibile, al centro del diagramma qui sopra. La parte dello spettro che possiamo vedere si estende un po' nella radiazione infrarossa (appena dopo la luce rossa) da un lato e nella radiazione ultravioletta dall'altro (appena dopo la luce viola).

Calore e radiazione infrarossa

La radiazione infrarossa è costituita da fotoni che hanno una lunghezza d'onda maggiore di quella della luce visibile. La radiazione infrarossa è spesso associata al calore poiché ogni oggetto a temperatura maggiore dello 0 assoluto emette radiazione in questa banda.

La radiazione infrarossa viene utilizzata in diversi apparecchi, tra cui termocamere a infrarossi. Questi apparecchi sono estremamente sensibili a leggere differenze di temperatura. I sensori infrarossi convertono infatti la radiazione in arrivo in un'immagine dove temperature diverse sono rappresentate da colori diversi.

Fig. 2 - Immagine di un computer portatile ripresa da una termocamera.

È fondamentale capire che ogni oggetto emette radiazioni elettromagnetiche la cui frequenza varia a seconda della temperatura. Il corpo umano emette radiazioni elettromagnetiche nell'infrarosso, corrispondente alla temperatura del nostro corpo (circa 36 °C)!

Assorbimento ed emissione di radiazioni

Gli oggetti assorbono ed emettono radiazioni in quantità diverse. Ciò dipende dalla superficie del materiale su cui la radiazione è incidente.

• Le superfici scure e opache sono buoni assorbitori e buoni emettitori.
• Le superfici chiare e lucide sono cattivi assorbitori e cattivi emittitori.

Gli oggetti scuri emettono di più perché assorbono meglio tutti i tipi di radiazioni elettromagnetiche. Un esempio di buon assorbitore è il cruscotto nero della maggior parte delle automobili; probabilmente avrete toccato uno di questi oggetti in una giornata calda e vi sarete accorti che diventano molto caldi! Le superfici lucide, come le lastre di metallo lucidate, assorbono pochissime radiazioni e riflettono la maggior parte delle radiazioni in entrata.

Si può fare un semplice esperimento per studiare come le diverse superfici emettono radiazioni. Si prende un cubo di Leslie, che ha quattro facce con materiali diversi su ogni superficie (nella versione dell'esperimento descritto da Tyndall, una delle facce è rivestita d'oro, un'altra d'argento, un'altra di rame e un'altra da una vernice a base di colla di pesce). Il cubo ha anche un foro nella parte superiore, in modo da potervi versare acqua bollente.

Fig. 4 - Disegno del brevetto di un cubo Leslie e del dispositivo di misurazione della temperatura. Il cubo di Leslie ha quattro facce diverse e un foro sigillabile in cima per versare l'acqua.

Dopo aver versato l'acqua bollente all'interno, si chiude il coperchio. Dopo un breve periodo di tempo, la temperatura del cubo sarà uguale a quella dell'acqua al suo interno. A questo punto si posiziona un rilevatore di radiazioni a una distanza uguale da tutte le facce del cubo.

Nella figura sottostante mostra le fotografie scattate da una macchina fotografica a infrarossi. La faccia scura è quella con emissività maggiore, come rilevato dalla macchina fotografica (colore rosso).

Fig. 5 - L'immagine di un cubo di Leslie ripresa con una telecamera a infrarossi dopo che ogni lato ha raggiunto la stessa temperatura.

L'effetto serra

L'effetto serra è un fenomeno dovuto ai dei gas presenti nella nostra atmosfera, detti "gas serra", che assorbono e riflettono la radiazione emessa dalla Terra impedendo quindi l'irradiazione verso spazio. Vediamo questo fenomeno più nel dettaglio.

Una parte della radiazione proveniente dal Sole che raggiunge la Terra viene riemessa sotto forma di radiazione IR. I gas serra assorbono e riemettono parte di questa radiazione, reindirizzandola verso la superficie terrestre. Questo fa sì che la Terra sia mantenuta a una temperatura media di circa 15 °C. In assenza dei gas serra, la temperatura sulla Terra sarebbe molto inferiore!

Il fenomeno dell'effetto serra non è, quindi, negativo in sé. Il problema di cui oggi si parla è sorto in seguito all'industrializzazione: infatti, quest'ultima ha provocato un aumento di gas serra nell'atmosfera. E' dunque importante capire l'effetto di questo aumento di gas serra sul nostro pianeta e, in particolare, sulla temperatura.

Tra i gas serra più noti vi sono l'anidride carbonica e il metano.

Il nome deriva dal processo utilizzato per mantenere le serre calde. Per costruire una serra si utilizza un vetro che lascia passare con facilità la radiazione del sole. Questa radiazione viene assorbita dalle piante e dal terreno all'interno della serra. La radiazione viene poi emessa dalle piante a una lunghezza d'onda maggiore. Questa radiazione non viene trattenuta dal vetro, che è opaco rispetto a radiazioni di maggiori lunghezze d'onda come la radiaziona IR.

La temperatura interna smette di aumentare quando la perdita di calore attraverso il vetro per conduzione è bilanciata dall'energia assorbita dal sole. In questo modo il calore viene intrappolato all'interno della serra e rende possibile la crescita di diverse piante.