A fenti grafikon a Nap sugárzási spektrumát ábrázolja. A vízszintes tengelyen a sugárzás hullámhossza látható, a függőleges tengelyen feltüntetett \(I (\lambda)\) mennyiség pedig azt írja le, hogy a sugárzásra merőleges, \(1\ \mathrm{m^2}\)-nyi felületre másodpercenként mekkora energiát szállít a sugárzás [\(\lambda\),(\(\lambda+1)\) nm] hullámhossztartományba eső összetevője. A világosabb rész a légkör felett, az űr határán mért adatokat, a sötétebb pedig a Föld felszínén, napos időben mért adatokat ábrázolja. (A vékony sötétszürke vonallal jelölt görbe a Planck-féle sugárzási törvény által jósolt elméleti várakozást mutatja.) Az ábráról leolvasható például, hogy a légkör felső határán az \(1\ \mathrm{m^2}\)-nyi felületre beérkező sugárzás \(500\ \mathrm{nm}\) és \(501\ \mathrm{nm}\) hullámhosszak közé eső összetevője közelítőleg \(2\ \mathrm{W}\) teljesítményt szállít. Az alábbi táblázat a nevezetes elektromágneses sugárzástípusokhoz tartozó frekvenciatartományokat mutatja. Az ábra és a táblázat segítségével válaszoljon az alábbi kérdésekre!
| Sugárzástípus | Frekvenciatartomány |
| Távoli infravörös | $300\ \mathrm{GHz}$ - $3\ \mathrm{THz}$ |
| Inravörös | $3\ \mathrm{THz}$ - $30\ \mathrm{THz}$ |
| Közeli infravörös | $30\ \mathrm{THz}$ - $0,4\ \mathrm{PHz}$ |
| Láthtó fény | $0,4\ \mathrm{PHz}$ - $0,8\ \mathrm{PHz}$ |
| Ultraibolya | $0,8\ \mathrm{PHz}$ - $3\ \mathrm{PHz}$ |
a) A sugárzás Föld felszínén mért erőssége minden hullámhossz esetén kisebb, mint a légkör tetején mért érték. Miért van ez?
Mert a légkör alkotórészei a beeső napsugárzás egy részét elnyelik, illetve visszaverik.
Annak magyarázata, hogy miért éri el kevesebb sugárzás a Föld felszínét, mint amennyi a légkör felső részét:
4 pont
(bontható)
Mert a légkör alkotórészei a beeső napsugárzás egy részét elnyelik (2 pont), illetve visszaverik (2 pont).
b) Hogyan lehet, hogy bizonyos hullámhossztartományokban a napsugárzásnak csupán töredéke éri el a Föld felszínét, míg más tartományokban sokkal kisebb a csökkenés? Milyen anyagok felelősek ezért a grafikon szerint?
A különféle anyagok elnyelése különböző hullámhosszak esetén nem egyenletes; a különféle anyagok elnyelése bizonyos sávokban sokkal erősebb.
$\mathrm{O_2},\ \mathrm{O_3},\ \mathrm{H_2O},\ \mathrm{CO_2}$
b) Annak megfogalmazása, hogy a légkör alkotórészeinek elnyelése nem egyenletes:
4 pont
Bármilyen helyes megfogalmazás elfogadható, pl. a különféle anyagok elnyelése különböző hullámhosszak esetén nem egyenletes, vagy pl. a különféle anyagok elnyelése bizonyos sávokban sokkal erősebb stb.
A grafikonon feltüntetett, az abszorpcióért felelős anyagok felsorolása:
4 pont
(bontható)
$$\mathrm{O_2},\ \mathrm{O_3},\ \mathrm{H_2O},\ \mathrm{CO_2}$$
(1 + 1 + 1 + 1 pont)
Csak a grafikonon feltüntetett anyagokért jár pont.
c) Körülbelül milyen frekvenciájú sugárzást nyel el jól a szén‑dioxid molekula? Melyik nevezetes frekvenciatartományba esik ez a sugárzás?
Az ábra szerint a szén-dioxid a $\sim 2000\ \mathrm{nm}$ hullámhosszú sugárzást nyeli el leginkább.
Ennek frekvenciája: $150\ \mathrm{THz}$, ami a táblázat szerint a közeli infravörös tartományba esik.
c) A szén-dioxid molekula abszorpciós frekvenciájának megadása:
4 pont
(bontható)
Az ábra szerint a szén-dioxid a $\sim 2000\ \mathrm{nm}$ hullámhosszú (1 pont) sugárzást nyeli el leginkább.
Ennek frekvenciája:
$$f={{c}\over {\lambda }}$$
$$f=1,5\cdot {10}^{14}\ {{1}\over {\mathrm{s}}}=150\ \mathrm{THz}$$
(képlet + számítás: 1 + 1 pont)
ami a táblázat szerint a közeli infravörös tartományba esik (1 pont).
(Pusztán az infravörös tartományért nem jár pont!)
d) Körülbelül milyen frekvenciájú sugárzástól védi meg a földfelszínt az ózonmolekula $\mathrm{(O_3)}$? Melyik nevezetes frekvenciatartományba esik ez a sugárzás?
Az ábra szerint az ózon a $250\ \mathrm{nm–300\ nm}$ hullámtartományban nyeli el a sugárzást.
Ennek frekvenciája: $f=1\ \mathrm{PHz}-1,2\ \mathrm{PHz}$, a táblázat szerint ez a sugárzás az ultraibolya tartományba esik.
d) Az ózonmolekula abszorpciós frekvenciájának megadása:
4 pont
(bontható)
Az ábra szerint az ózon a $250\ \mathrm{nm–300\ nm}$ hullámtartományban (1 pont) nyeli el a sugárzást.
(A $250\ \mathrm{nm}$ körül vagy $300\ \mathrm{nm}$ körül is elfogadható válasz.)
Ennek frekvenciája:
$$f={{c}\over {\lambda }}$$
$$f=1\ \mathrm{PHz}-1,2\ \mathrm{PHz}$$
(képlet + számítás: 1 + 1 pont)
Csupán az egyik frekvenciaérték megadása esetén is a teljes pontszám jár.
A táblázat szerint ez a sugárzás az ultraibolya tartományba esik (1 pont).
Összesen: 20 pont