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1

Elementi di Astronomia e 

Astrofisica per il Corso di 

Ingegneria Aerospaziale

VI settimana

L'Atmosfera terrestre
Un esercizio di meccanica celeste

(in English)

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2

The terrestrial 

atmosphere - 1

This  chapter  is  devoted  to  the  examination  of  the  influence  of 
the  Earth’s  atmosphere  on  the  apparent  coordinates  of  the 
stars  and  on  the  shape  of  their  images;  the  discussion  will  be 
limited  essentially  to  the  visual  band.  The  discussion  of  the 
effects 

of 

the 

atmosphere 

on 

photometry 

and 

spectrophotometry are deferred to a later chapter. 

  The  figure  gives  a 
schematic 
representation 

of 

the 

vertical 

structure 

of 

the 

atmosphere; 

the 

visual band is mostly 
affected  by  what 
happens 

in 

the 

troposphere

namely  in 

the  first 

15  km  or  so  of 
height,  where  some 
90%  of  the  total 
mass 

of 

the 

atmosphere 

is 

contained.

 

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3

The terrestrial 

atmosphere -2

Na Layer

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4

The terrestrial 

atmosphere

 - 3

The  temperature  profile  in  the  troposphere  is  actually  more 
complicated  than  shown  in  the  Figure.  The  height  of  the 
tropopause (a layer of almost constant temperature) from the 
ground ranges from 8 km at high latitudes to 18 km above the 
equator; it is also highest in summer and lowest in winter. The 
average  temperature  gradient  is  approximately  –6  C/km,  but 
often,  above  a  critical  layer  situated  in  the  first  few  km, 

the 

temperature gradient is inverted

, with beneficial effects on 

astronomical  observations,  thanks  to  the  intrinsic  stability  of 
all  layers  with  temperature  inversion  (such  as  the 
stratosphere  and  the  thermosphere),  essentially  because 
convection cannot develop. This is the case for instance of the 
Observatory of the Roque de los Muchachos (Canary Islands, 
height 2400 m a.s.l.), where the inversion layer is usually few 
hundred  meters  below  the  telescopes  at  the  top  of  the 
mountain.

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5

 

Chemical composition and 

structure

The  chemical  composition  of  the  troposphere  is  mostly 
molecular 

Nitrogen 

N

2

 

and 

molecular 

Oxygen 

O

2

 

(approximately  3:4  and  1:4  respectively),  with  traces  of  the 
noble  gas 

Argon

  and  of 

water  vapor

  (the  water  vapor 

concentration  may  be  as  high  as  3%  at  the  equator,  and 
decreases toward the poles). 
Above  the  tropopause,  at  higher  heights  in  the 

stratosphere

the  temperature  raises  considerably  thanks  to  the  solar  UV 
absorption by the Ozone (

O

3

) molecule with the process: 

UV photon

 + 

O

3

 = 

O

2

+O+

heat

The 

mesosphere

  ranges  from  50  to  80  km;  in  this  region, 

concentrations  of 

O

3

  and 

H

2

O

 

vapor

  are  negligible,  hence  the 

temperature  is  lower  than  in  the  stratosphere.  The  chemical 
composition of the air becomes strongly height-dependent, with 
heavier  gases  stratified  in  the  lower  layers.  In  this  region, 
meteors and spacecraft entering the atmosphere start to warm 
up. 

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6

The ozone O

3

Most atmospheric ozone is concentrated in a layer in the 
stratosphere, about 15-30 kilometers above the Earth's 
surface. Even this small amount of ozone plays a key role in 
the atmosphere, absorbing the 

UVB

 portion of the radiation 

from the sun, preventing it from reaching the planet's surface.

O

3

 is a molecule 

containing 3 O 
atoms. 

It is blue 

in color and has a 
strong odor.

 

Normal molecular 
O

2

, has 2 oxygen 

atoms and is 
colorless and 
odorless. Ozone 
is much less 
common than 
normal oxygen. 
Out of each 10 
million air 
molecules, about 
2 million are 
normal oxygen, 
but only 3 are 
ozone. 

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7

Water vapor nomenclature 

- 1

Water vapor

 is water in the gaseous phase. 

The actual amount is the

 concentration

 of water vapor in the 

air, the 

relative concentration

  is the ratio between the actual 

amount to the amount that would saturate the air. Air is said 
to be saturated when it contains the maximum possible 
amount of water vapor without bringing on condensation. At 
that point, the rate at which water molecules enter the air by 
evaporation exactly balances the rate at which they leave by 
condensation. 
The partial pressure of a given sample of moist air that is 
attributable to the water vapor is called the vapor pressure
The vapor pressure necessary to saturate the air is the 
saturation vapor pressure

Its value depends only on the 

temperature of the air

. (The Clausius-Clapeyron equation 

gives the saturation vapor pressure over a flat surface of pure 
water as a function of temperature.) Saturation vapor 
pressure increases rapidly with temperature: the value at 
32°C is about double the value at 21°C. The saturation vapor 
pressure over a curved surface, such as a cloud droplet, is 
greater than that over a flat surface, and the saturation vapor 
pressure over pure water is greater than that over water with 
a dissolved solute. 

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8

Water vapor nomenclature 

- 2

Relative humidity

 is the ratio of the actual vapor pressure to 

the saturation vapor pressure at the air temperature, expressed 
as a percentage. Because of the temperature dependence of the 
saturation vapor pressure, for a given value of relative humidity, 
warm air has more water vapor than cooler air. The d

ew point 

temperature

 is the temperature the air would have if it were 

cooled, at constant pressure and water vapor content, until 
saturation (or condensation) occurred. The difference between 
the actual temperature and the dew point is called the dew 
point depression

The wet-bulb temperature is the temperature an air parcel 
would have if it were cooled to saturation at constant pressure 
by evaporating water into the parcel. (The term comes from the 
operation of a psychrometer, a widely used instrument for 
measuring humidity, in which a pair of thermometers, one of 
which has a wetted piece of cotton on the bulb, is ventilated. The 
difference between the temperatures of the two thermometers is 
a measure of the humidity.) The wet-bulb temperature is the 
lowest air temperature that can be achieved by evaporation. At 
saturation, the wet-bulb, dew point, and air temperatures are all 
equal; otherwise the dew point temperature is less than the wet-
bulb temperature, which is less than the air temperature. 

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9

Water Vapor Mixing ratio

Specific humidity

 is the ratio of the 

mass of water vapor in a sample to the 
total mass, including both the dry air 
and the water vapor. The

 mixing ratio

 

is the ratio of the mass of water vapor to 
the mass of only the dry air in the 
sample. As ratios of masses, both 
specific humidity and mixing ratio are 
dimensionless numbers. However, 
because atmospheric concentrations of 
water vapor tend to be 

at most only a 

few percent of the amount of air 

(and 

usually much lower), they are both often 
expressed in units of grams of water 
vapor per kilogram of (moist or dry) air. 
Absolute humidity is the same as the 
water vapor density, defined as the mass 
of water vapor divided by the volume of 
associated moist air and generally 
expressed in grams per cubic meter. The 
term is not much in use now. 

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10

Water reservoir

Water 

vapor 

is 

constantly 

cycling 

through 

the 

atmosphere, 
evaporating  from  the 
surface, condensing to 
form  clouds  blown  by 
the 

winds, 

and 

subsequently 
returning to the Earth 
as  precipitation.  Heat 
from  the  Sun  is  used 
to  evaporate  water, 
and  this  heat  is  put 
into  the  air  when  the 
water  condenses  into 
clouds 

and 

precipitates. 

This 

evaporation 

condensation  cycle  is 
an 

important 

mechanism 

for 

transferring 

heat 

energy 

from 

the 

Earth's  surface  to  its 
atmosphere  and  in 
moving  heat  around 
the Earth. 

Water vapor is the most abundant of the 
greenhouse gases in the atmosphere and the 
most important in establishing the Earth's 
climate. Greenhouse gases allow much of the 
Sun's shortwave radiation to pass through 
them but absorb the infrared radiation 
emitted by the Earth's surface. Without water 
vapor and other greenhouse gases in the air, 
surface air temperatures would be well below 
freezing.

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11

Aerospace 

devices

A multitude of 
systems exist for 
observing water 
vapor on a global 
scale and at high 
altitudes, 
supplementing the 
instruments on the 
ground, that measure 
in special sites and at 
ground level. Each 
has different 
characteristics and 
advantages. To date, 
most large-scale 
water vapor 
climatological studies 
have relied  on 
analysis of 
radiosonde data, 
which have good 
resolution in the 
lower troposphere in 
populated regions but 
are of limited value at 
high altitude and are 
lacking over remote 
oceanic regions. 

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12

The Water Vapor content 

in 1992

NASA Water Vapor Project (NVAP) Total Column Water 

Vapor 1992

The mean distribution of precipitable water, or total atmospheric 
water vapor above the Earth's surface, for 1992. This depiction 
includes data from both satellite and radiosonde observations.

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13

Cloud effects on Earth 

Radiation

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14

The outer layers 

Following  the  smooth  decrease  in  the  mesosphere,  the 
temperature raises again in the 

thermosphere

, because the 

solar  UV  and  X-rays,  and  the  energetic  electrons  from  the 
magnetosphere  can  partly  ionize  the  very  thin  gases  of  the 
thermosphere. 
The  weakly  ionized  region  which  conducts  electricity,  and 
reflects  radio  frequencies  below  about  30  MHz  is  called 

ionosphere

;  it  is  divided  into  the  regions 

D

  (60-90  km), 

E

 

(90-140 km), and 

F

 (140-1000 km), based on features in the 

electron density profile. 
Finally, above 1000 km, the gas composition is dominated by 
atomic Hydrogen escaping the Earth’s gravity, which is seen 
by satellites as a bright 

geocorona

 in the resonance line 

Ly-

 

at 

 = 1216 Å.

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15

Refraction Index

As is well known, the light propagates in a straight line in any 
medium of constant refraction index 

n

, with a phase velocity 

v

 

given by 

1/2

v

/

1/( )

c n

em

=

=

where 

 

  is  the  dielectric  constant  and 

  the  magnetic 

permeability  of  the  medium.  All  these  quantities  are 
wavelength dependent. The group velocity 

is instead: 

v

dv/d

u

l

l

= -

At  the  separation  surface  between  two  media  of  different 
refraction  index  (say  vacuum/air),  the  ray  changes  direction, 
so that the observer immersed in the second medium sees the 
light  coming  from  an  apparent  direction  different  from  the 
‘true’ one (see Figure):

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16

The atmospheric 

refraction - 1

Suppose that the atmosphere can be treated as a succession of 
parallel  planes  (hypothesis  of 

plane-parallel  stratification

), 

by  virtue  of  its  small  vertical  extension  with  respect  to  the 
Earth’s  radius.  According  to 

Snell’s  laws

,  when  the  ray 

coming from the region of index of refraction 

n

0

 

encounters the 

separation  surface  with  a  medium  of  refraction  index 

n

1

> 

n

0

part  of  the  energy  will  be  reflected  to  the  left,  on  the  same 
hemi-space with the same angle 

r

0

 with respect to the normal. 

This part will not be considered here, it only implies a dimming 
of the source. The remaining fraction will be 

refracted

, in the 

same plane as the incident ray, to an angle 

r

< 

r

0

. Indeed, in a 

clear  atmosphere  without  clouds,  no  sharp  air-vacuum 
separation  surface  exists,  the  refraction  index  gradually 
increases  from  1  to  a  final  value 

n

f

 

near  the  ground,  with 

typical scale lengths much greater than the wavelength of light 
(as  already  said,  we  limit  our  considerations  to  the  visual 
band),  so  that  the  continuously  varying  direction  can  be 
considered  as  a  series  of  finite  steps  in  the  plane  passing 
through the vertical and the direction to the star. 

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17

 The atmospheric 

refraction - 2

0

0

1

1

sin

sin

n

r

n

r

=

1 1

1

sin

sin

i

i

i

n

r n

r

+

+

=

1

1

sin

sin

ff

ff

n

r

n

r

-

-

=

where 

n

i+1

> 

n

i

, and 

r

i+1

< 

r

i

. By equating each term:

0

0

sin

sin

ff

n

r

n

r

=

Therefore: in a plane-parallel atmosphere the total angular 
deviation only depends on the refraction index close to the 
ground,  independent  of  the  exact  law  with  which  it  varies 
along the path. 

By following each refraction in cascade we have:

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18

 The atmospheric 

refraction - 3

 By virtue 
of 

The  net  effect  is  as 
shown  in  the  figure: 
the  star  is  seen  in 
direction 

z

  smaller 

than the true direction 

z

, namely closer to the 

local  Zenith,  by  an 
amount 

R

 which is the 

atmospheric 
refraction: 

z

 = 

z

 – 

R

0

0

sin

sin

ff

n

r

n

r

=

and for small 

R

’s (in practice, if 

z

 < 45°):

sin ' sin

sin( '

) sin 'cos

cos 'sin

sin '

cos '

f

n

z

z

z R

z

R

z

R

z R

z

=

=

+ =

+

+

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19

 The atmospheric 

refraction - 4

(

1)tan '

f

R

n

z

=

-

In  the  visual  band,  for  average  values  of  temperature  and 
pressure (

T

 = 273 K, 

P

 = 760 mm Hg), 

n

f

 

 1.00029, so that 

in round numbers 

R(15°)  16”, 

R(45°)  60”

Already for Zenith distances as small as 20°, the refraction is 
larger  than  the  annual  aberration,  and  of  any  of  the  effects 
discussed  in  previous  chapters  that  alter  the  apparent 
direction of a star.

and finally:

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20

 The atmospheric 

refraction - 5

For  zenith  distances  larger  than  45°,  the  path  of  the  ray 
inside  the  atmosphere  is  so  long  that  the  curvature  of  the 
Earth  cannot  be  ignored,  and  the  mathematical  treatment 
becomes  more  intricate,  even  restricting  it  to  successive 
refraction  in  the  same  plane  with 

n

  decreasing  outwards 

with continuity.

2

2

2

2

2

1

d

sin '

sin '

f

n

f

f

n

R a n

z

n d n

a

n

z

= �

� -

3

3

tan '

tan ' (

1) (1

)tan '

tan '

f

l

l

R A

z B

z

n

z

z

a

a

=

+

=

-

-

-

After 

several 

mathematical 

steps:

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21

Effect of the refraction on the 

coordinates 

The  main effect of refraction is 
to  move  the  star  closer  to  the 
Zenith  in  the  vertical  plane, 
thus  raising  its  elevation 

h

  but 

leaving  essentially  unchanged 
its azimuth 

A

XX’ = h 

     PXX’ = PXZ = q 

ZX = z, ZX’ = z

PX = 90-

XU = 

 

cos

( '

)cos

sin

'

cos

HA

R

q

R

q

d

a a

d

d d d

- D

=

-

=

D = -

=

cos cos

sin cos

cos sin cos

sin sin

cos

sin

sin

cos sin

q

h

h

A

A

h

HA

q

HA

q

d

j

j

d

=

+

=

+

For  an  object  in 
meridian, 

the 

refraction  is  all  in 
declination,  and  in 
particular  this  is 
true  for  the  Sun  at 
true noon.

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22

Approximate formulae for 

refraction

For Zenith distance not greater than approximately 45°, after 
several passages we finally get:

2

sec sin

(

1)

cos

tan tan

tan

tan cos

(

1)

cos

tan tan

f

f

HA

n

HA

HA

n

HA

d

a

j

d

j

d

d

j

d

D =

-

+

-

�D = -

+

by means of which formulae we can derive the true (or the 
apparent,  according  to  the  sign) 

topocentric

  positions. 

Obviously no such correction is necessary for a telescope in 
outer Space.

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23

The chromatism of the 

refraction

The  refraction  index 

n

  depends  from  the  wavelength, 

diminishing from the blue to the red, and the same will be true 
for the refraction angle 

R

: the image on the ground of the star 

is  therefore  a  succession  of  monochromatic  points  aligned 
along  the  vertical  circle;  the  blue  ray  will  be  below  the  red 
one,  and  thus  the  blue  star  will  appear  to  the  eye  above  the 
red one 

The atmosphere behaves therefore 
like  a  prism  producing  a 

short 

spectrum  in  the  vertical  plane

whose  length  increases  with  the 
zenith  distance,  reaching  several 
arc seconds at low elevations. The 
relationships 

n(

)

 

can 

be 

expressed 

by 

the 

so-called 

Cauchy’s formula: 

2

4

0.00566 0.000047

( ) 0.00028 1

n l

l

l

=

+

+

(

 in micrometers), corresponding to a 

variation of about 2% over the visible 
range, namely to about 

1”.2 at 45°.

  

background image

22/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

24

 Density - temperature 

relationship

Once we have fixed 

, the refraction index 

n

 depends from the 

density 

 according to Gladstone-Dale’s law:

1

n

kr

- =

and  with  the  hypothesis  of  a  perfect  gas  of  pressure 

P

temperature 

T

 and molecular weight 

 :

 

R

P

T

m

=

(where 

R

 is now the gas universal 

constant) 

1

'

P

n

k

T

- =

0

0

0

1

1

T

n

P

n

P T

-

=

-

6

1 78.7 10

P

n

T

-

- �

( /760)

60".4

tan

( / 273)

P

R

z

T

(

P

 in mm Hg, 

T

 in K)

background image

22/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

25

Vertical gradients of 

temperature

Calling 

H

  the  height  over  the  ground, 

we have:

1

d

'

d

d

P

n k

P

T

T

T

=

-

2

2

d

1 d

d

d

d

'

'

d

d

d

d

d

n

P

P T

P T P

T

k

k

H

T H T

H

T

P H

H

=

-

=

-

The variation of pressure with the height is equal to the weight 
of the air in the elementary volume having unitary base and 
height 

dH

,

 

d

d

P

g H

r

=-

so 
that:

2

d

d

'

d

R

d

n

P

g

T

k

H

T

H

m

m

-

=

-

where  the  constant 

g/R

  equals  approximately  3.4  K/km,  and  is 

called 

adiabatic lapse

Hence  the  conclusion  that  the  variations  of  the  refraction  index 
depend  from  the  vertical  gradients  of  the  temperature.  A 
practical consequence  is that all effort must be made to control 
and  minimize  those  gradients  over  the  accessible  volume  of  the 
telescope enclosure. 

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

26

Turbulence, Scintillation, 

Seeing

The Earth's atmosphere is turbulent and variations in the 
index of refraction cause the plane wavefront from distant 
objects to be 

 distorted

. This distortion introduces 

amplitude 

variations

positional shifts

 and 

image degradation

This causes two astronomical effects: 

•scintillation

, which is amplitude variations, which typically 

varies over scales of few cm: generally very small for large 
aperture telescopes

•seeing

: positional changes and image quality changes. The 

effect of seeing depends on aperture size: for small apertures, 
one sees a diffraction pattern moving around, while for large 
apertures, one sees 

a set of diffraction patterns 

(

speckles

moving around on scale of  ~1 arcsec. 
These observations imply: 

• wavefronts are flat on scales of small apertures

• instantaneous slopes vary by  ~ 1 arcsec. 

The typical time scales are few 

milliseconds

 and up. 

The effect of seeing can be derived from theories of 
atmospheric turbulence, worked out originally by 
Kolmogorov, Tatarski, Fried.  

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

27

Structure function

The structure of the refraction index 

n

 in a turbulent field can 

be described statistically by a 

structure function

2

( )

(

)

( )

n

D x

n r x n r

=� + -

where 

x

 is separation of points,  

 is position. Kolmogorov 

turbulence gives: 

2 2

1

( )

3

n

n

D x

C x

=

where 

C

n

 is the refractive index structure constan

t. From this, 

one can derive the 

phase structure function

 at the 

telescope aperture: 

5/2

0

6.88

x

D

r

f

=

where the coherence length 
 

r

0

 (also known as the Fried 

parameter) is: 

3/5

6/5

3/5

2

0

0

0.185

cos

d

r

z C h

l

-

=

where 

z

 is zenith angle, 

 is 

wavelength. Using optics theory, 
one can convert D

  into an 

image shape. 

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

28

The Fried parameter

Notice that 

r

0

 increases with 

6/5

 = 

1. 2

Physically, the image size 

d

 from seeing  is (roughly) inversely 

proportional to 

r

0

 

0

/

d

r

l

as compared with the image size from a diffraction-limited 
telescope of aperture 

D

/

d

D

l

Seeing dominates when 

r

0

 

; a larger 

r

0 

means better 

seeing. Seeing is more important than diffraction at shorter 
wavelengths, diffraction more important at longer wavelengths; 
effect of diffraction and seeing cross over in the IR (at  5 

microns for 4m); the crossover falls at a shorter wavelength for 
smaller telescope or better seeing. Fried’s parameter 

r

0

 

 varies 

from site to site and also in time. At most sites, there seems to 
be three regimes called:

surface layer

 (wind-surface interactions and manmade seeing), 

planetary boundary layer

 ( influenced by diurnal heating), 

free atmosphere 

(10 km is tropopause: high wind shears) 

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

29

An example of 

C

n

2

A typical 
site has 

r

 10 

cm 

at 5000Å , 
namely a 
seeing of 
1". On 
rare 
occasions, 
in the 
best sites, 
the seeing 
can be as 
low as 
0".3.

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

30

The isoplanatic angle

We also have to consider the coherence of the same 
turbulence pattern over the sky: coherence angle call the 

isoplanatic angle

0

0.314 /

r H

where 

H

 is the average distance of the seeing layer: 

For  

r

 10 cm,  

H

 = 5000 m , 

   1.3 arcsec. 

In the infrared 

r

0

 

 70 cm, 

H

 = 5000 m , 

  9 arcsec. 

Note however, that the ``isoplanatic patch for image motion" 
(not wavefront) is  0.3

D/H

. For 

D

 = 4m, 

H

 = 5000 m, 

kin

  

50 arcsec.

 

-             

Another  useful  parameter  is  the  correlation  time 

0

,  which  is  approximately  the  dimension  of  the  typical  air 

bubble  divided  by  the  velocity  of  the  wind.  As 

r

0

,

  also 

0

 

increases with 

6/5

.

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
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31

The  seeing   

Bubbles of air having slightly different temperatures, and 
therefore slightly different refractive indexes, are carried by the 
wind across the aperture of the telescope.
The Fried parameter

 r

0

 can be used to simplify the description 

of a very complex rapidly varying medium, namely the typical 
size of the bubble. Values vary from few centimeters (a poor site) 
to some 30 cm (a very good site). 

r

0

 

can be understood

 

also as

 

the effective

 

diameter

 

of the 

diffraction limited telescope in that site (with respect to the 
angular resolution).

 

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

32

Representation of the 

seeing

There are two main 
components of the 
seeing: 
one coming from high 
altitudes (choice of 
site) 

one due to ground 

layers (it can be 

actively controlled by 

shape of dome and 

proper thermalisation 

of structure) 

 The spectral power of 

the air turbulence is 

appreciable over a large 

interval of frequencies , 

say 1 to 1000 Hz, with a 

1/f distribution

The angles are exaggerated, actually AdOpt correction can be 
made over small fields of view. Another useful parameter is the 
maximum angle over which fluctuations are coherent 
(isoplanatic angle).  Both Fried’s parameter and isoplanatic 
angle improve with increasing wavelength, the correction is 
better in the IR than in the Visible. 
 

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

33

A first remedy: Speckle 

Interferometry

• a very large number of short duration 

exposures are taken with very long focal length 

(say 100m) and narrow bandwidth (say 1 nm); 

in each exposure the seeing is frozen, each 

speckle represents the diffraction figure of the 

aperture

• Fourier Transforms allow the reconstruction of 

the true image;

• The technique works well for simple structures 

(e.g. double or multiple stars, disks).

Obtained 
with the 
Asiago 1.8 
cm telescope

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
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34

A better remedy: Adaptive 

Optics

   

The fairly complex techniques that are nowadays 
implemented on the largest telescopes to contrast the 
seeing are known collectively as 

Adaptive Optics 

devices. 
• A suitable reference wavefront is also necessary

Suitably bright stars are rare. 

•An artificial 

laser star

 is a possible solution.

background image

23/02/05

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35

The artificial laser star

background image

23/02/05

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36

Before and after AdOpt

If one ‘freezes’ the image with short exposure times (say less 
than 0.01 sec) and a narrow filter, the seeing image breaks up in 
large number of ‘speckles’, each having dimension of the order 
of the diffraction figure of the telescope.
The number of speckles is of the order of :

(seeing diameter/diffraction figure)

2

background image

23/02/05

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37

The Galactic Center with the 

Keck AdOpt

Without AdOpt

With AdOpt

background image

23/02/05

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38

Quality of the image -1

The quality of an image can be described in many different 
ways. The overall shape of the distribution of light from a point 
source is specified by the 

point spread function (PSF)

Diffraction gives a basic limit to the quality of the PSF, but any 
aberrations or image motion add to structure/broadening of 
the PSF. 
Another way of describing the quality of an image is to specify 
it's modulation transfer function (MTF). The MTF and PSF are 
a Fourier transform pair. Turbulence theory gives: 

5/3

3.44( / )

MTF

a

v

e

l

t

-

=

where 

  is the spatial frequency. Note that a Gaussian goes as 

 

2

, so this MTF is close to a Gaussian. The shape of seeing-limited 

images is roughly Gaussian in core but has more extended 
wings. This is relevant because the seeing is often described by 
fitting a Gaussian to a stellar profile. 

(

)

6

2

3

2

1

2

5

4

5

(

)

1

p

y p

x p

I

p

p

p

-

-

-

=

+

+

A potentially better 
empirical fitting function is 
a Moffat function: 

background image

23/02/05

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39

Quality of the image -2

Probably the most common way of describing the seeing is by 
specifying the full-width-half-maximum (FWHM) of the image, 
which may be estimated either by direct inspection or by fitting 
a function (usually a Gaussian); note the correspondence of 
FWHM to  

 of a Gaussian: 

FWHM = 2.355

 . 

The FWHM doesn't fully specify a PSF, and one should always 
consider how applicable the quantity is. 
Another way of characterizing the PSF is by giving the 

encircled energy

 as a function of radius, or at some specified 

radius. 
A final way of characterizing the image quality, more commonly 
used in adaptive optics applications, is the 

Strehl ratio SR

. The 

Strehl ratio is the ratio between the peak amplitude of the PSF 
and the peak amplitude expected in the presence of diffraction 
only. In practice, in the visible it is already very good reaching 

SR

 = 

0.1 

.

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

40

The EE of the Rosetta 

WAC

The WAC is in space, 
so there is no seeing 
to worry about, only 
the vibrations of the 
spacecraft or thermal 
distortions of the jitter 
of the attitude.

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

41

Effects of the atmosphere at 

radiofrequencies  - 1

The 

ionosphere 

will 

introduce  a  delay  on  the 
arrival  time  of  the  wave, 
given by:

2

40.3

d

e

I

T

N s

cn

D =

seconds, being 

the path 

along the line of sight and 

N

e

 the electron density 

(cm

-3

). This density will 

vary with the night and 
day cycle, with the season 
and also with the solar 
cycle. 

background image

23/02/05

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42

Effects of the atmosphere at 

radiofrequencies -2 

The tropospheric delay can be resolved in two components, a 
dry one and a wet one. The dry component amounts to about 7 
ns  at  the  Zenith,  and  varies  with  the  ‘modified 

cosec  z

’  we 

have discussed for the optical observations:

0.0014

7(cos

)   ns

0.0445 cot

t

z

z

D �

+

+

The  wet  component  depends  on  the  amount  of  water 
vapour,  and  amounts  to  about  10%  of  the  dry  one,  but  it 
varies rapidly and in unpredictable way.
 

Finally,  two  other  mediums  affect  the  propagation 

of  the  radio  waves,  namely  the 

solar  corona

  and  the 

ionized interstellar medium

.  

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

43

Extinction and 

spontaneous emission by 

the atmosphere

In addition to chaotic refraction effects, the atmosphere 

absorbs

 a fraction of the incident light, both in the 

continuum and inside atomic and molecular lines and 
bands. 

Furthermore, the atmosphere spontaneously 

emits

 in 

particular atomic and molecular bands (

this is in addition 

to scattering of artificial lights

, see later).  

The  molecular  oxygen 

O

2

  in    particular  is  so  effective  at 

blocking  radiation  around  6800A  and  7600A  that 
Fraunhofer could detect by eye two dark absorption bands 
in  the  far  red  of  the  solar  spectrum,  bands  he  called 
respectively B and A (he examined the spectra from red to 
blue,  the  current  astronomical  practice  is  from  blue  to 
red). 

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

44

Extinction

Let us consider the absorption due to a thin layer of 
atmosphere at height between 

h

 and 

h+dh

 in the usual 

simple model of a plane-parallel atmosphere. The light beam 
from the star makes an angle 

z

 with the Zenith, so that the 

traversed path is 

dh/cosz = seczdh

If 

I

(h)

 is the intensity at the top of the layer, at the exit it 

will be reduced by the quantity: 

d

( ) ( )sec d

I

I h k h

z h

l

l

l

=-

In total, if 

I

(

is the intensity outside the atmosphere, at 

the  elevation 

h

0

 

of  the  Observatory  the  intensity  will  be 

reduced to:

0

0

sec

( ) d

( ) sec

( )

( )

( )

h

z k h h

z

I h

I

e

I

e

l

l

l

l

l

t

-

-

��

=

=

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

45

Optical Depth

where we have introduced the a-dimensional quantity 

 

called 

optical depth

 :

d

( ) d

k h

h

l

l

=

0

( ) d

h

k h

h

l

l

t

=

The variable 

k

 

 (dimensionally, cm

-1

) represents the 

absorption per unit length of the atmosphere at that 
wavelength. 
Astronomers use a particular measure of the apparent 
intensity, namely the magnitude, defined by  

m

 = 

m

0

 -2.5log

I

 

(see in a later lecture), so that:

 

ground

d

2.5 ( ) sec

outsi e

m

m

D

z

l

=

-

� �

D

 is called the optical density of the atmosphere, while the 

variable 

X(z)

 = 

secz

 is called 

air-mass

. The minimum value of 

the airmass is 1 at the Zenith, and 2 at 

z

 = 60° (the limit of 

validity of the present approximate discussion). 

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

46

The Bouguer line

Suppose  we  start  observing  the  star  at  its  upper  transit,  and 
then keep observing it while its Hour Angle (and therefore also 
its Zenith distance) increases: we would notice a linear increase 
of  its  magnitude  in  agreement  with  the  previous  equation, 
namely 

a straight line

 with slope 

2.5D

 

in a graph (

m

, sec

z

). 

It  is  common  practice  to  plot  the 

m

-axis  pointing  down.  This 

straight  line  is  known  as 

Bouguer  line

,  from  the  name  of  the 

XVIII century French astronomer who introduced it. 
The  extrapolation  of  this  line  to 

X

  =  0  (a  mathematical 

absurdity) gives the so-called 

loss of magnitude at the Zenith

, or 

else the magnitude outside atmosphere.
According to the formulae of the first lectures we have:

1

sec

( )

sin sin

cos cos cos

z

X z

HA

j

d

j

d

=

=

+

where 

 is the latitude of the site, 

 

and 

HA

 the coordinates 

of the star. 

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

47

The least continuous 

extinction

The  Table  shows  the  continuous  extinction  of  the 
atmosphere  above  Mauna  Kea,  whose  elevation  above  sea 
level (4300 m) is higher than that of most observatories so 
that  the  transparency  of  the  sky  is  at  its  best,  in  the 
extended visible region. 

Wavelength (nm)

Extinction

(mag / air mass)

Wavelength 

(nm)

Extinction

(mag / air mass)

310

1.37

500

0.13

320

0.82

550

0.12

340

0.51

600

0.11

360

0.37

650

0.11

380

0.30

700

0.10

400

0.25

800

0.07

450

0.17

900

0.05

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

48

Figures of the extinction from the 

visible to the near IR

The figure on the left gives the optical depth, the one on the 
right the transmission (one is the reverse of the other). In the 
violet region, the transparency quickly goes to zero, essentially 
because of the ozone 

O

3

 

molecular absorption; at the other end 

of the spectrum the transparency is reasonably good until about 
2.4 micrometers, when the 

H

2

O

 and 

CO

2

 molecules heavily 

absorb the light. 

The astronomical photometric wide bands (U,B,V, R, I, J, H, …) 
are indicated.

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

49

Spontaneous and artificial 

emissions

To  complete  these  considerations  about  the  influence  of  the 
atmosphere on the photometry (and also on the spectroscopy) 
of  the  celestial  bodies,  we  must  add  that  the  atmosphere 
contributes  radiation,  by  spontaneous  emission  and  by 
scattering of natural and artificial lights. If the Observatory is 
close to populated areas, 

bright emission lines of Mercury and 

Sodium

  from  street  lamps  are  observed:  Hg  at 



  4046.6, 

4358.3,  5461.0,  5769.5,  5790.7;  Na  at  5683.5,  5890/96  (the 
yellow D-doublet), 6154.6; Ne at 6506, and so on. 

Natural  lines

  come  from  the  atomic  Oxygen  in  forbidden 

transitions (designated with [OI]) at 



 5577.4, 6300 and 6367, 

and  especially  from  the molecular  radical 

OH

 who provides a 

wealth  of  spectral  lines  and  bands  filling  the  near-IR  region 
above 6800A. 

The OH comes from the dissociation of the water 

vapor molecule under the action of the solar UV radiation

Therefore,  the  atmosphere  is  a  diffuse  source  of  radiation, 
whose  intensity  strongly  depends  on  the  Observatory  site;  to 
set  an  indicative  value  in  the  visual  band,  a  luminosity 
equivalent  to  one  star  of  20

th

  mag  per  square  arcsec  at  the 

Zenith can be assumed.

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

50

The visible spectrum of the 

night sky

The night sky is calibrated (see ordinate) in surface brightness, given 
as mag/(arcsec)

2

. Mt. Boyun is in Korea.

background image

23/02/05

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51

The Near-IR sky emission 

- 2 

A very 
detaile

section 
of the 
near-IR 
night 
sky 
OH-
emissio

obtaine
d at 
ESO 
Paranal 
with 
UVES.

http://www.eso.org/observing/dfo/quality/UVES/uvessky/sky_8600U_1.html

background image

23/02/2005

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52

A second limit of the terrestrial 

atmosphere: the artificial lights

  

The full 
Moon has 
difficulties 
in 
competing 
with the 
spectrum 
of artificial 
lights

.

background image

23/02/2005

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53

The situation in Italy

1998

2025

If the extrapolation is correct, in 2025 no Italian 

will be able to see the Milky Way  

background image

23/02/2005

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54

Planetary light 

pollution

From a paper by Cinzano, Falchi e Elvidge (2001)

background image

23/02/05

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_05 Sesta settimana

55

A first exercise of celestial 

mechanics

Consider the total energy 

E

 of a particle 

P

2

 

of very small mass 

m

2

 at the surface of a non-rotating spherical body 

P

1

 of radius 

R

 and mass 

m

1

:

2

1 2

2

1

2

mm

E

mV

G

r

=

-

The limiting velocity 

V

e

:

1

e

2Gm

V

R

=

is  said  escape  velocity  from  body 

P

1

.  If  by  some  means  we 

impart  to 

P

2

  a  velocity  V  greater  than 

V

e

 

in  any  direction

P

2

 

will reach infinity with final velocity greater than zero. 
Another  useful  critical  velocity  is  that  on  the 

circular  orbit

  at 

distance 

r>R

    from  the  center  of 

P

1

;  from  the  equilibrium 

between centrifugal and gravitational forces we get:

2

2

1 2

2

2

c

mV

mm

G

r

r

=

1

c

( )

Gm

V r

r

=

c

e

1

( )

2

V R

V

=

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

56

Escape velocities from the 9 

planets

The  table  provides  escape  and  circular  velocities  for  the  9  planets, 
neglecting  their  diurnal  rotation.  The  3

rd

  column  gives  the  surface 

gravity  in  comparison  with  that  at  the  Earth’s  surface  (9.78  m/s

2

).  The 

first  two  velocities  (4

th

  and  5

th

  column)  pertain  to  the  equator  of  each 

body; the other two velocities (6

th

 and 7

th

 column) to the circular orbit at 

the average distance of the body from the Sun.

Body

Distanc

e

(AU)

Mass

(g)

Radius

(km)

g/g

V

e

(km/s)

V

c

(km/s)

V

e

(⊙)

(km/s

)

V

c

(⊙)

(km/s

)

Sun

 

1.9910

33

6.9610

5

27.9

618

437

 

          

Mercur
y

0.387

3.310

26

2439

0.3

4.3

2.5

96

68

Venus

0.723

4.910

27

 6051

0.9     

10.4         

7.3         

49

35

Earth

1.000

6.010

27

 6378

1.0

11.2

7.9

42

30

Moon

1.000

7.310

25

1738

0.2

2.4

1.6

42

30

Mars

1.524

6.410

26

3393

0.4

5.0

3.6

34

24

Jupiter

5.203

1.910

30

71492

2.3

59.6

42.5

18

13

Saturn

9.539

5.710

29

60268

0.9

35.5

25.0

14

10

Uranus

19.191

8.710

28

25559

0.8

21.1

15.5

10

7

Neptun
e

30.061

1.010

29

24764

1.1

23.6

16.0

7

5

Pluto

39.529

1.310

2

1150

0.04

1.1

0.8

7

5

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

57

Escape velocities and 

atmospheres - 1

These  considerations  on  escape  velocities  from  the  planetary 
surfaces  are  useful  not  only  for  dynamical  questions, 

but  also 

for  the  understanding  of  their  atmospheres

.  Let 

T

  (in 

Kelvin) be the temperature of such an atmosphere, supposed in 
thermal  equilibrium;  the  distribution  function  of  molecules  of 
mass 

m

2

 among the velocities is given by Maxwell’s law:

dN V

N m

kT

V e

dV

mV

kT

( )

/

/

F

H

G IKJ

4

2

2

3 2

2

2

2

2

so  that  the  mean  square  velocity  of  those 
molecules will be:

1

2

3

2

2

2

mV

kT

V

m

kT

3

2

where 

k

  =  1.3810

-16

  erg/K  is  Boltzmann  constant.  For 

instance, the mass of the Hydrogen atom H is 

m

2

  1.610

-24

 

g, so that:

V T

T

H

( )

.

 

16 10

1

km/s (

T

 in K) 

At the surface of the Earth, assuming 

T

  290 K we get 

V

H

  2.7 

km/s << 

V

e

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

58

Escape velocities and 

atmospheres - 2

All other molecules being heavier than the atom of H, we conclude 
that  the  Earth 

is  well  capable  of  retaining  a  substantial  quasi-

stationary  atmosphere

.  However,  Maxwell’s  distribution  has  a 

very  long  tail  at  high  velocity,  so  that  a  fraction  of  the  Earth’s 
gases, and in particular of H, will continuously escape to the outer 
space.  The  observational  evidence  of  such  loss  is  the  so-call 

geocorona

, well visible in the Ly- spectral line at 

 = 1216A. 

Mercury and the Moon do not have such capability; their tenuous 
atmospheres  must  be  continuously  lost  by  thermal  escape  and 
replenished  by  phenomena  such  as  UV  solar  photons  and  solar 
particles  impinging  on  the  soil  and  extracting  gases,  or  by 
meteoroid bombardment. 
In the case of the Sun, the surface gravity is 28 times that at the 
surface  of  the  Earth,  and  the  photospheric  temperature  is 
approximately  5800  K;  higher  up,  in  the  cromosphere  and  in  the 
corona, the temperatures of the solar gases rise to tens, hundreds 
and even millions of degrees, so that the thermal escape becomes 
conspicuous.  However,  observations  prove  that  the  loss  of 
particles  from  the  Sun  (the  so-called 

solar  wind)

  is  orders  of 

magnitude  larger  than  that  accounted  for  by  thermal  loss:  other 
more  efficient  mechanisms,  whether  magnetic  or  electric,  must 
act  to  accelerate  the  ionized  (electrically  charged)  particles 
escaping from the Sun. 

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

59

A second exercise of celestial 

mechanics

Let us launch from the surface of a spherical non-rotating 
Earth of radius 

a

 a satellite of mass 

m

2

 with initial velocity 

V 

V

e

 . Its energy will be: 

2

2

2

1

2

mM

E

mV

G

a

=

-

(

m

2

 << 

M

At an altitude 

H

, the distance from the centre becomes 

r = a

 

H

, and the energy:

2

2

2

1

2

r

mM

E

mV

G

r

=

-

or else, equating the two values for the conservation of the 
energy: 

2

2

2

2

2

2

1

1

2

2

r

mM

mM

E

mV

G

mV

G

a

r

=

-

=

-

2

2

1 1

2

r

V

V

GM

a

r

=

-

-

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

60

Delta V

At infinity: 

2

2

2

e

e

e

e

(

)(

) 2

V

V

V

V V V V

V V

=

-

= -

+

� D

In conclusion, if we launch with V = + 1km/s, the satellite will 

reach  infinity  with  a  velocity  of  approximately  4.7  km/s 
(

ignoring  the  very  small  losses  of  energy  due  to  the 

atmospheric drag

). There are several practical consequences 

of this ‘gain at infinity’, for instance one has to be careful not to 
reach the final destination with too high a velocity. 

We  underline  the  convenience  of  using  in  space 

applications the parameter V instead of the energy

.

The  circular  velocity  at  the  surface  of  the  Earth  is 

around  8  km/s,  which  will  also  be  the  velocity  of  low  altitude 
satellites  (e.g.  the  International  Space  Station  at  300  km). 
Their  period  is  then  of  approximately  90  minutes;  suppose  we 
place such satellite in a polar orbit: it will go out of phase with 
the Sun by about 30 min at each orbit, and for several orbits it 
will  see  an  almost  constant  illumination  (day  or  night)  of  its 
Nadir. The low polar orbit is therefore used for surveillance. 

background image

23/02/05

C.Barbieri Elementi_AA_2004
_05 Sesta settimana

61

Geostationary orbits

At 

H

  =  36.000  km  the  orbital  period  becomes  of  24h,  so 

that  a  satellite  placed  on  the  equatorial  plane  at  this 
altitude  in  a  circular  orbit  (e.g.  the  Meteosat)  will  be 
practically stationary with respect to the ground observer. 

Actually, several satellites have simply a 

geosynchronous

 

orbit  (that  was  the  case  of  the  International  Ultraviolet 
Explorer),  slightly  different  from  the  rigorously  defined 
geostationary one. 

At  any  rate,  the  two  body  condition  is  a 

mathematical 

abstraction

,  several  perturbing  forces  (like  the  Earth-

Moon  and  solar  tides,  the  non-sphericity  of  the  Earth 
potential,  the  radiation  pressure,  etc.)  will  act  to  perturb 
the  orbit,  and 

appropriate  corrections

  must  be  performed 

to keep the wanted position of the satellite, for instance by 
occasional firings of  small thrusters.   


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