Radiación y Espectros

Pasaje de la radiación electromagnética a través

de la atmósfera

Andrea Sánchez y Gonzalo Tancredi

Curso CTE II

Generación de Generación de líneas:líneas:

Leyes de KirchhoffLeyes de Kirchhoff

Transiciones atómicas y Transiciones atómicas y molecularesmoleculares

TransiciónTransición Energía Energía (eV)(eV)

Región Región espectralespectral

EjemploEjemplo

Estructura hiperfinaEstructura hiperfina 1010-5-5 RadioRadio 21 cm H21 cm HAcoplamiento spin-Acoplamiento spin-órbitaórbita

1010-5-5 RadioRadio 18cm OH18cm OH

Rotación molecularRotación molecular 1010-2-2 – 10 – 10-4-4 Milimétrica - Milimétrica - IRIR

2.6mm J1-0 CO2.6mm J1-0 CO

Rotación-vibración Rotación-vibración molecularmolecular

1 – 101 – 10-1-1 IRIR 22m Hm H22

Estructura atómica Estructura atómica finafina

1 – 101 – 10-3-3 IRIR 12.812.8m NeIIm NeII

Transiciones Transiciones electrónicas de átomos electrónicas de átomos y moléculasy moléculas

1010-2-2 – 10 – 10 UV, visible, IRUV, visible, IR Series HSeries H

Transiciones nuclearesTransiciones nucleares > 10> 1044 GammaGamma 15MeV de 15MeV de 1212CCAniquilacionesAniquilaciones > 10> 1044 GammaGamma 511keV de 511keV de

positroniumpositronium

ESPECTRO SOLAR RECIBIDA EN EL TOPE DE LA ATMOSFERA

Transiciones atómicas y Transiciones atómicas y moleculares relevantes en moleculares relevantes en

la atmósferala atmósfera Transiciones moleculares rotacionales Transiciones moleculares rotacionales

puras (Hpuras (H22O , COO , CO2 2 , O, O33 , …) – , …) – mm e IRmm e IR Transiciones moleculares rotacionales-Transiciones moleculares rotacionales-

vibracionales (COvibracionales (CO22 , NO , CO , …) , NO , CO , …) – IR– IR Transiciones moleculares electrónicas Transiciones moleculares electrónicas

(CH(CH44 , CO , H , CO , H22O , OO , O2 2 , O, O33 , …) , …) – Visible y – Visible y UVUV

Transiciones electrónicas de átomos e Transiciones electrónicas de átomos e iones (O , N , …) iones (O , N , …) – Visible y UV– Visible y UV

Dispersión (Scattering)Dispersión (Scattering)

Dispersión Rayleigh por Dispersión Rayleigh por moléculasmoléculas

Para partículas de tamaño < 0.1 Para partículas de tamaño < 0.1 , la , la intensidad dispersada por intensidad dispersada por dispersores dipolares es:dispersores dipolares es:

Dispersión cuasi-uniforme y fuertemente dependiente de

Dispersión Mie por gotas de Dispersión Mie por gotas de agua agua

y aerosolesy aerosoles Dispersión Mie Dispersión Mie

a>>a>> 2 2 a a22

a > a > 1/ 1/

Dispersión Rayleigh y Mie combinadas

Fuerte dispersión hacia adelanteFuerte dispersión hacia adelante

Dispersión Rayleigh por Dispersión Rayleigh por moléculasmoléculas

Dispersión Mie por gotas de Dispersión Mie por gotas de agua agua

y aerosolesy aerosoles

Absorción Absorción ++

EmisiónEmisión++

DispersiónDispersión

en el Espectro del Sol 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 Espectro del cielo nocturnonocturno

Las

ven

tan

as a

tmos

féri

cas

Región IR

Región mmpara Chajnantor (Chile),Mauna Kea (Hawaii)y South Pole

Pasaje por el sistema Pasaje por el sistema ópticoóptico2

Teorema fundamental de la Teorema fundamental de la óptica de Fourier óptica de Fourier

La distribución de amplitud en el plano focal La distribución de amplitud en el plano focal de un sistema óptico ( de un sistema óptico ( a(p,q)a(p,q) ) es la ) es la Transformada de Fourier de la Transformada de Fourier de la distribución de amplitud en el plano de la distribución de amplitud en el plano de la pupila del sistema ( pupila del sistema ( A(x,y)A(x,y) ). ).

La distribución de amplitud en el plano pupilar es el La distribución de amplitud en el plano pupilar es el producto de un frente plano por la “obstrucción” producto de un frente plano por la “obstrucción” del sistema (función caja).del sistema (función caja).

)],([),( yxATFqpa

Imagen de un sistema Imagen de un sistema ópticoóptico

Separación angular del primer cero (en radianes):

= 1.22 / D

- longitud de ondaD – Diámetro de la lente o espejo

EjemplosEjemplos

Observando en una Observando en una =550 nm =550 nm (visible)(visible)

Para un telescopio de Para un telescopio de

D=14cm D=14cm = 4.8e-6 rad = 1” = 4.8e-6 rad = 1”

D=8m D=8m = 0.017” = 0.017”

Observando en una Observando en una =21cm (radio)=21cm (radio)

D=305m D=305m =180” =180”

D=12000km D=12000km =0.004” !!! =0.004” !!!

Point Spread Function Point Spread Function (PSF)(PSF)

Def.: Def.: Es la respuesta de un sistema a una fuente Es la respuesta de un sistema a una fuente puntual. puntual.

Es la imagen formada en el plano focal del Es la imagen formada en el plano focal del instrumento por una fuente puntual en el infinito.instrumento por una fuente puntual en el infinito.

Separación angularSeparación angular

Turbulencia atmosféricaTurbulencia atmosférica3

Degradación de la imagen Degradación de la imagen por la turbulencia por la turbulencia

atmosféricaatmosférica Titilar (scintillation) – variación del brillo Titilar (scintillation) – variación del brillo

visto por el ojo, se corresponde con el visto por el ojo, se corresponde con el enfocamiento o desenfocamiento de la enfocamiento o desenfocamiento de la energía en el frente de onda.energía en el frente de onda.

Agitación de la imagen en el plano focal del Agitación de la imagen en el plano focal del instrumento como resultado de las instrumento como resultado de las variaciones locales del ángulo que forma el variaciones locales del ángulo que forma el plano tangente del frente de onda con la plano tangente del frente de onda con la visual.visual.

Esparcido (smearing) de la imagen lo que Esparcido (smearing) de la imagen lo que agranda el tamaño de las imágenes y es agranda el tamaño de las imágenes y es causado por la pérdida de coherencia causado por la pérdida de coherencia espacial en la pupila.espacial en la pupila.

Seeing

SeeingSeeing

Es una consecuencia de la turbulencia Es una consecuencia de la turbulencia atmósferica.atmósferica.

Esta causado por las fluctuaciones de temperatura Esta causado por las fluctuaciones de temperatura de gran frecuencia (~ 1 seg) y la mezcla de de gran frecuencia (~ 1 seg) y la mezcla de parcelas de aire de diferente temperatura y parcelas de aire de diferente temperatura y densidad. Este comportamiento de la atmósfera se densidad. Este comportamiento de la atmósfera se aprecia en el ocular del telescopio como imágenes aprecia en el ocular del telescopio como imágenes borroneadas, en movimiento o con rápidas borroneadas, en movimiento o con rápidas variaciones de brillo.variaciones de brillo.

Hay principalmente 3 áreas donde ocurre la Hay principalmente 3 áreas donde ocurre la turbulencia atmósferica:turbulencia atmósferica: Dentro de la cúpula y el telescopioDentro de la cúpula y el telescopio Cerca de la superficie (0 – 100 metros) Cerca de la superficie (0 – 100 metros) Tropósfera central (100m – 2km)Tropósfera central (100m – 2km) Alta tropósfera (6-12km.) Alta tropósfera (6-12km.)

Speckles Speckles (“motas”)(“motas”)

Perfiles estelares con y sin Perfiles estelares con y sin seeingseeing

De lo mejor a lo peorDe lo mejor a lo peorCategorías de seeingCategorías de seeing

Las condiciones Las condiciones cambiantescambiantes

JúpiterMarte observado en condiciones de mal seeing

Los dibujos de P. Lowell de los canales marcianos.

Todos los Todos los efectos efectos

atmósfericosatmósfericosLa 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 dispersiónSeeing vs dispersión

La degradación del frente La degradación del frente de ondade onda

¿Es posible volver atrás?

Optica adaptativaOptica adaptativa

Optica adaptativa con laser Optica adaptativa con laser beambeam

La mejora de la PSFLa mejora de la PSF

Donde colocar un Donde colocar un observatorioobservatorio

Mauna Kea, Hawaii Paranal, Chile

La Palma, Canarias Tenerife, Canarias

Conceptos importantesConceptos importantes Radiación solar en el visible y otras longitudes Radiación solar en el visible y otras longitudes

de onda. Curva de Planck solar. Ventanas de onda. Curva de Planck solar. Ventanas atmósfericas.atmósfericas.

La importancia de la espectroscopia como La importancia de la espectroscopia como fuente de información. Ejemplosfuente de información. Ejemplos

Generación de espectros de absorción y Generación de espectros de absorción y emisión, dependencia con la T.emisión, dependencia con la T.

Interacción del frente de ondas con Interacción del frente de ondas con Atmósfera (turbulencia, etc…) Atmósfera (turbulencia, etc…) Sistema óptico (tipos de telescopios)Sistema óptico (tipos de telescopios)

Disco de difracción o de Airy y resolución Disco de difracción o de Airy y resolución angularangular

Point Spread Function (PSF)Point Spread Function (PSF) SeeingSeeing