0050. Come avviene la propagazione dei raggi infrarossi in acqua di mare?

espertomini

 Vorrei conoscere la direzione di propagazione, la distanza e la rifrazione dei raggi infrarossi di un telecomando immerso in acqua marina ad una profondità di 15 m? Grazie (Paolo Agnello)


sem_esperto_verdeA causa della grande mutevolezza delle condizioni ambientali in acqua marina (temperatura, salinità, presenza di inquinanti, microrganismi e particelle in sospensione), non è possibile eseguire calcoli precisi in assenza di un adeguato supporto sperimentale. Conoscendo però i fenomeni fisici che regolano la propagazione delle onde elettromagnetiche, è possibile farsi un’idea di cosa dobbiamo aspettarci che accada. I principali fenomeni che influenzano la propagazione dei raggi infrarossi in acqua sono la rifrazione icona_glossario , la diffusione icona_glossario e l’assorbimentoicona_glossario .

La rifrazione è un fenomeno che si verifica ogni volta che la luce passa da un mezzo a un altro di densità diversa. Ogni materiale è caratterizzato da un indice di rifrazione, indicato con n, che, salvo casi particolari, aumenta all'aumentare della densità del mezzo stesso; l'aria, per esempio, possiede un n poco superiore a 1 mentre quello dell' acqua è circa 1.33. La rifrazione è governata dalla legge di Snell icona_quantibio:

sin i / sin r = n2 / n1

ossia il rapporto tra il seno dell'angolo d'incidenza e quello dell'angolo rifratto è uguale al rapporto tra gli indici di rifrazione del secondo mezzo (n2) e del primo (n1). Quindi, passando da un mezzo meno denso (es. aria) a uno più denso (es. acqua) il raggio, come si evince dalla figura, si avvicina alla normale, ossia alla retta perpendicolare alla superficie di separazione tra i due mezzi.

scienzapertutti_schema_infrarossi

Nel caso specifico del telecomando, supponendo che il diodo emettitore di raggi infrarossi (IRED = InfraRed Emitting Diode) sia contenuto in un recipiente stagno contenente aria, possiamo aspettarci che l'effetto della rifrazione sia quello di avvicinare i raggi alla normale, ossia di concentrarli maggiormente "in avanti". In altre parole il telecomando aumenterebbe la sua "direttività" ossia la potenza irradiata in funzione dell' angolo risulterebbe maggiore a piccoli angoli (telecomando puntato in direzione del ricevitore) e minore a grandi angoli. Considerando che di solito un telecomando viene puntato in direzione del ricevitore, l'effetto apparente finale sarebbe quello di un aumento della portata massima.

La diffusione. Quando la luce attraversa un mezzo in cui sono sospese particelle di dimensioni molto maggiori della lunghezza d'onda della luce stessa, tali particelle si comportano come minuscoli specchi che riflettono in tutte le direzioni. La potenza luminosa viene quindi distribuita più uniformemente in funzione dell'angolo: diventa più facile ricevere il segnale quando il trasmettitore e il ricevitore non sono allineati, ma la portata massima diminuisce proprio perché l'energia viene distribuita su un angolo (solido) maggiore. Da questo punto di vista l' effetto è opposto a quello dovuto alla rifrazione.

L'assorbimento. Una radiazione elettromagnetica che attraversa un mezzo materiale può produrre alcuni fenomeni fisici che sottraggono energia alla radiazione stessa. La natura di questi fenomeni dipende fortemente dalla lunghezza d'onda. Nella regione spettrale delle microonde, ad esempio, la radiazione viene assorbita se è in grado di indurre moti rotatori nelle molecole del mezzo. A frequenze più alte, dall' infrarosso al visibile, l'assorbimento è dovuto ai moti di vibrazione delle molecole, mentre dal vicino ultravioletto fino ai raggi gamma prevalgono fenomeni di eccitazione elettronica e di ionizzazione. Ogni materiale è caratterizzato da un coefficiente di assorbimento che dipende quindi fortemente dalla lunghezza d'onda della radiazione: un materiale può essere fortemente assorbente a certe lunghezze d'onda ma completamente trasparente ad altre. L'attenuazione che un'onda elettromagnetica subisce nell'attraversare un mezzo materiale dipende dal coefficiente di assorbimento e dallo spessore di materia attraversato, secondo una legge di tipo esponenziale:

scienzapertutti_formula_assorbimentoOve I è l'intensità della radiazione che ha attraversato uno spessore L di materiale, I0 è l'intensità iniziale e a è il coefficiente di assorbimento. In questa notazione, esso ha le dimensioni fisiche di una lunghezza e in pratica indica lo spessore di materiale che deve essere attraversato affinché l'intensità risulti ridotta di un fattore 1/e, pari ad un'attenuazione di circa il 63%.

Nel caso specifico del telecomando, la radiazione impiegata è infrarossa (IR) e la lunghezza d'onda tipica si aggira intorno ai 900 nm.

L'assorbimento IR in aria è molto basso ed è prevalentemente dovuto al vapore acqueo presente in atmosfera; questo è il motivo per cui un telecomando IR in aria libera può avere una portata massima di qualche decina di metri sebbene la potenza irradiata sia irrisoria. L'assorbimento dell' acqua nella regione dell' infrarosso è invece molto forte: il coefficiente di assorbimento a 900 nm vale circa 15 cm. Utilizzando la formula data sopra ricaviamo quindi un risultato molto interessante: la potenza irradiata dal telecomando in acqua è attenuata del 63% dopo 15 cm e del 99.9% dopo solo un metro! Il calcolo è anche ottimistico poiché non abbiamo tenuto conto dell'assorbimento aggiuntivo dovuto ai microrganismi in sospensione nell'acqua marina. La portata massima del telecomando è quindi sicuramente inferiore al metro. Nel campo tecnico-scientifico capita spesso di dover risolvere problemi che coinvolgono fenomeni fisici di cui non conosciamo i dettagli o sui quali non è possibile eseguire calcoli esatti, come nel caso del nostro telecomando.

Tuttavia, alcune considerazioni di carattere generale e un'analisi approssimata sono spesso sufficienti per dare una risposta a problemi specifici. Nel nostro caso, pur non disponendo di dati sufficienti, la conoscenza del tipo e dell' ordine di grandezza dei fenomeni coinvolti ci ha permesso comunque di trovare una risposta, ossia che la portata massima di un telecomando IR (del tipo di quelli usati per comandare gli elettrodomestici) immerso in acqua marina è molto probabilmente inferiore al metro, cosa che lo rende inutilizzabile per la maggior parte delle applicazioni.

Fulvio Pompili - Ingegnere

 


 

 

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