Spettro (elettromagnetico) solare e assorbimento in atmosfera

Dal punto di vista radiativo il Sole è un emettitore perfetto: ciò significa che si comporta come un corpo che assorbe tutta la radiazione incidente senza riflessione alcuna – nel linguaggio della fisica si dice che è un corpo nero – mentre il suo spettro di emissione, ossia la distribuzione dell’intensità energetica della radiazione in funzione della lunghezza d’onda, è descritto dalla legge di Plank e dipende solo dalla temperatura della superficie esterna, che corrisponde ai 5780 K della fotosfera (figg. 1 e 2) ( dove K indica grado kelvin che, in termini assoluti, corrisponde a un grado Celsius, le due scale differiscono invece per l’origine: lo 0 della scala Kelvin è posto a -273,15 gradi Celsius).

Le lunghezze d’onda sono associate all’energia trasportata dai singoli quanti di cui la radiazione solare si compone: i raggi ultravioletti e gamma, molto energetici, temuti a ragione per i danni che possono procurare alla pelle, sono caratterizzati da lunghezze d’onda molto piccole; all’altro estremo dell’asse delle lunghezze si situano invece i raggi infrarossi e le onde radio, poco energetici; infine, le lunghezze d’onda (e le energie) intermedie corrispondono alla radiazione elettromagnetica visibile all’occhio umano – la luce – e sono percepite secondo le tonalità che vanno dai 400 nm del violetto ai 700 nm del colore rosso (nm = nanometro = miliardesimo di metro).

La radiazione solare è costituita dalla mescolanza di tutte le lunghezze d’onda in quantità le cui proporzioni la fanno percepire come luce bianca. Per inciso, va notato che l’ironia involontaria della terminologia scientifica raggiunge a volte esiti insospettati: il Sole è un corpo nero perfetto che emette luce bianca.

 

FIGURA 1
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Spettro elettromagnetico: le tonalità in funzione della lunghezza d’onda. I raggi caratterizzati da lunghezze d’onda molto piccole (raggi gamma, X, ultravioletti) sono i più energetici, viceversa le lunghezze d’onda più grandi sono associate ai raggi infrarossi e alle onde radio, che sono meno energetici. Al centro c’è l’intervallo delle lunghezze visibili dall’occhio umano che, miscelate assieme, vengono percepite come luce bianca. I valori sull’asse non sono in scala.

 

Nell’attraversare l’atmosfera, una frazione dei raggi solari viene assorbita o deviata (scattering) a seguito degli urti con le molecole dell’atmosfera stessa (inclusi il vapor acqueo, le nubi e gli aerosol). L’attenuazione interessa tutte le lunghezze d’onda dello spettro, però in maniera differenziata, per cui lo spettro elettromagnetico risultante assume un profilo irregolare (fig. 2).

 

FIGURA 2
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Spettro dell’irradianza solare in funzione della lunghezza d’onda. La curva più alta si riferisce al profilo rilevabile alla sommità (top) dell’atmosfera: è all’incirca quella di emissione di un corpo nero alla temperatura di 5780 K (il Sole); i lievi scostamenti rispetto al profilo regolare del corpo nero sono dovuti all’assorbimento da parte delle molecole e degli atomi vaganti nello spazio interplanetario (idrogeno ecc.). La curva più bassa, invece, si riferisce al profilo riscontrabile al livello del suolo: le irregolarità e l’attenuazione sono più pronunciate a causa delle numerose molecole dello strato atmosferico che assorbono i raggi in maniera selettiva: se gli aerosol assorbono in modo quasi uniforme a tutte le lunghezze d’onda, particolari molecole (ossigeno, anidride carbonica, ozono ecc.) sono responsabili dei picchi all’ingiù in corrispondenza di particolari lunghezze.

 

 


A cura di Francesco Spinelli, ENEA, Unità Tecnica Fonti Rinnovabili – Laboratorio Progettazione Componenti e Impianti


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