DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA

Apresentação em tema: "DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA"— Transcrição da apresentação:

1 DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA
MESOSFÉRICA ATRAVÉS DAS EMISSÕES DO AIRGLOW Fábio Egito

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3 O AIRGLOW O AIRGLOW é uma luminosidade natural emitida continuadamente na alta atmosfera por átomos e moléculas excitados que ao retornarem para os níveis fundamentais emitem fótons.

4 Principais Emissões Bandas da hidroxila, conhecidas também como Bandas de Meinel; Bandas de Hezberg-Kaplan do oxigênio molecular Emissões do oxigênio atômico. Emissões do átomo de sódio.

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7 Perfil vertical das emissões

8 Reações químicas Linha verde do oxigênio atômico na mesopausa
Linha vermelha do oxigênio atômico na região-F da ionosfera

9 Reações químicas Banda de Hezberg do oxigênio molecular
Linha amarela do sódio mesosférico

10 Reações químicas Bandas de Meinel da hidroxila

11 A temperatura mesosférica a partir do espectro do OH
A temperatura da atmosfera em torno de 87km de altitude é estimada a partir do espectro de emissão de várias bandas vibra-rotacionais do OH. Em nosso caso, a determinação é feita a partir do espectro da banda OH(6-2). Basicamente, determinamos o espectro teórico da banda e o comparamos com as medidas que efetuamos com um instrumento instalado no solo.

12 Espectroscopia do OH Ee > Evib > Erot
O espectro de energia emitido por uma molécula pode ser devido a transições eletrônicas, vibracionais e rotacionais, seguindo a seguinte hierarquia energética: Ee > Evib > Erot O espectro de emissão do airglow da hidroxila ocorre dentro do estado eletrônico fundamental A energia é expressa em termos do número de onda (cm-1)

13 Estados quânticos do OH
O estado quântico do OH é completamente determinado por quatro números quânticos: momento angular orbital L; spin eletrônico S; rotação dos núcleos N; vibração dos núcleos ;

14 Momento angular total da molécula
O momento angular total é dado por: Momento angular orbital Momento angular do Spin eletrônico Momento angular de rotação dos núcleos

15 Acoplamento Quando o número quântico de rotação do núcleo é baixo (N<10), o acoplamento entre o momento angular orbital e o spin é descrito pelo caso a) de Hund.

16 Neste caso, o momento angular orbital e o spin estão fortemente acoplados ao eixo internuclear, como descrito na figura anterior. Assim, temos que o momento angular eletrônico é dado por: Onde Λ e Σ são as projeções do momento angular orbital e do spin, respectivamente, sobre o eixo internuclear. Assim, o momento angular total será:

17 Descrição dos estados quânticos do OH
Nº Quântico Descrição Momento angular orbital Λ = 1 estado Π Spin Σ = +1/2 Σ = -1/2 Momento angular eletrônico Ω= Λ+ Σ = 3/2 Ω= Λ+ Σ = 1/2 Caso a) de Hund (N<10) Momento angular rotacional N = 0, 1, 2,... Caso a) de Hund (N<10 Momento angular total J= Ω+N =3/2, 5/2,...23/2 J= Ω+N =1/2, 3/2,...21/2 Estado 2Π3/2 Estado 2Π1/2 Vibração υ = 0, 1, 2,..., 9 Máximo para o airlgow é υ=9

18 Regras de seleção para transições
Tipo de transição Regras de seleção ΔΛ ΔΛ=0, ±1; ΔΛ=0 para o airglow ΔΣ 2Π3/2 → i=1 2Π1/2 → i=2 ΔJ +1: J→J+1 0: J→J -1: J→J-1 Δυ 0, ±1, ±2, ±3, ±4, … Ex.: υ= 6 → υ=2; Δ υ=4: Banda OH(6-2)

19 Espectro de energia vibracional
A energia vibracional da molécula é dada pela aproximação do osciladora anharmômico. A contribuição das vibrações moleculares para a energia total da molécula é dada, em cm-1, por: onde ωe, ωexe, ωeye, ωeze são constantes vibracionais. Essas constantes foram calculadas por Coxon e Foster (1982), para se obter a contribuição da energia de cada estado vibracional observado no airglow.

20 Energia vibracional (cm-1)
υ Energia vibracional (cm-1) 1847,726 1 5417,369 2 8821,410 3 12061,771 4 15139,548 5 18054,848 6 20806,549 7 23392,029 8 25806,719 9 28043,783 Coxon e Foster (1982a,b)

21 Espectro de energia rotacional
A energia rotacional para cada um dos dois estados de spin é dada pelas seguintes expressões: onde J é o momento angular total, Bv e Dv são constantes rotacionais (Dv representa a influência da força centrífuga), sendo Av a constante de acoplamento (medida de acoplamento da intensidade do acoplamento entre o spin e o momento angular orbital eletrônicos).. As constantes Av , Bv e Dv , determinadas por Coxon e Foster (1982a,b).

22 Constantes rotacionais
ν A v (cm-1) Bv (cm-1) Dv x10-3(cm-1) Y(ν)=Av /Bv 1.9083 1 1.8695 2 1.8345 3 1.8045 4 1.7809 5 1.7650 6 1.7654 7 1.7838 8 1.7984 9 1.8599

23 O espectro vibra-rotacional
A energia vibra-rotacional, associada aos dois estados de spin (2П3/2 e 2П1/2 ) do estado eletrônico fundamental, são dadas pelas equações abaixo

24 O espectro vibra-rotacional
onde i →3/2 i →1/2

25 Nomenclatura das linhas
A nomenclatura das linhas obedece à regra de seleção do momento angular. Daí, surgem três ramos rotacionais: Por exemplo, a linha P1(2), indica uma transição para o segundo estado rotacional dentro do estado de spin 3/2. ΔJ = +1 → Ramo P ΔJ = 0 → Ramo Q ΔJ = -1 → Ramo R

26 F2 2Π1/2 F1 2Π3/2 R2(2) P1(4) Q2(2) P2(2) Q1(2) P1(2) J=5/2 J=9/2

27 Determinação do comprimento de onda
Como os comprimentos de onda obtidos são correspondentes a transições no vácuo, e o airglow ocorre no ar, então devemos fazer a correção do comprimento de onda devido à refração atmosférica. A relação entre os comprimentos de onda no vácuo e no ar é dada por: Fonte: Almanaque de ciências da Universidade de Tóquio.

28 Intensidade espectroscópica das linhas rotacionais
[fótons/cm3s] população no estado excitado superior probabilidade de transição, também conhecida como coeficiente de Einstein.

29 A população rotacional
A população no estado superior é determinada através da distribuição de probabilidade de Boltzmann. A intensidade é então, dada por: Função de partição rotacional

30 A condição de equilíbrio térmico
Admite-se que a população nos níveis rotacionais do OH* excitado está em equilíbrio térmico com o ambiente porque o tempo médio de vida radiativa dos estados excitados do OH é suficientemente maior do que o intervalo médio de tempo entre duas colisões sucessivas do OH com os constituintes majoritários(principalmente N2) da atmosfera na região de emissão. De acordo com Nicholls et al. (1972), OH* estará em equilíbrio térmico se o número de colisões durante o tempo de vida no estado vibracional superior for maior do que cem(100).

31 A condição de equilíbrio térmico
Takahashi (1981) mostrou que esse condição é satisfeita, e que portanto, a temperatura rotacional obtida a partir do airglow é representativa da temperatura atmosférica na região de emissão.

32 Os coeficientes de Einstein
Nós utilizamos os coeficientes de Mies (1974).

33 Intensidade normalizada
Normalmente se utiliza a intensidade normalizada, que representa a contribuição de cada linha para intensidade total da banda.

34 Espectro teórico do OH(6-2)

35 O instrumento Nosso Fotômetro !!
O instrumento utilizado para medir a intensidade do airglow é denominado de Fotômetro Nosso Fotômetro !!

36 Esquema do Fotômetro

37 A fotomultiplicadora

38 O cálculo da temperatura
O espectro artificial do OH(6,2) é utilizado para cálculo da temperatura.

39 A resposta do Fotômetro
A resposta do Fotômetro ao airlgow pode ser expressa, de acordo com Takahashi (1981), da seguinte forma: O Fotômetro mede a intensidade das linhas P1(2) em λ=839.9nm e P1(4) λ=846.6 nm, além da radiação de fundo

40 A partir da expressão para a resposta do Fotômetro ao airglow das linhas P1(2) e P1(4) podemos escrever que: A cada valor dessa razão corresponde uma determinada temperatura.

41 Como saber qual a temperatura correspondente a razão entre as linhas medidas pelo Fotômetro?
A razão entre as linhas dependente monotonicamente da temperatura. Constrói-se então, a seguinte função teórica: Precisamos de T=T(M) Então, construímos a seguinte função polinomial de ajuste: M(T) é monotônica!!!!

42 Com isso, determina-se os coeficientes da função polinomial de ajuste.
Assim, a temperatura rotacional do OH(6-2) é obtida através da seguinte relação: Onde

43 Comportamento da temperatura entre 1998 e 2007
Periodograma de Lomb-Scargle

44 Comportamento da temperatura entre 1998 e 2007

45 Temperatura x Atividade Solar