Görsel Bölge Dışı Astronomi: Atmosferik Soğurma

Dünya'nın atmosferi; çeşitli atomları, molekülleri ve toz parçacıklarını barındırır. Bildiğimiz üzere, yeterli enerjiye sahip her foton, uygun atomun bir elektronunu uyartabilir. Bu durumda foton, enerjisinin bir kısmını kaybederek yoluna devam edecektir. Eğer algılayıcılarımız bu fotonu ölçerse, aslında kaynaktan çıkan değerine sahip olmayan bir değer ölçecektir. Bu durum, atmosferik soğurma olarak adlandırılır.

Eğer yer konuşlu bir teleskoptan gözlem yapıyorsak, atmosferik soğurmayı hesaba katmalıyız. Esas soru, hangi enerjiye sahip fotonların, atmosferden ne kadar etkilendiğidir. Atmosferde bulunan maddeleri bildiğimize göre, onları uyartabilecek fotonların sahip olması gereken enerjileri de bilebiliriz. Böylelikle atmosferin, bize hangi dalga boylarında gözlem yapma imkanı sunduğunu anlamış oluruz. Bu yüzden bazı gözlemleri, yalnızca atmosfer dışından (uzaydan) yapabiliyoruz. Çünkü atmosferimizde bulunan maddeler, belirli dalga boyları için hiç geçirgen değil (opak).

atmospheric_absorption_turkce_2
Figür 1: Atmosferik soğurma. Kaynak: NASA

Figür 1, kabaca atmosferik soğurmanın hangi dalga boylarında gerçekleştiğini gösteriyor. Bu görsel, elektromanyetik spektruma (tayfa) çok geniş bir açıyla baktığı için, detaylar görünmüyor. Eğer aralıklara yaklaşacak olursanız, bunların da kendi içerisinde kısmen geçirgen olduğu bölgeler görebilirsiniz. Özellikle kızılöte bölgesinde böyle bantlar vardır.

Gama, X-Işını ve moröte (UV) gibi yüksek enerjili dalga boyları, yer konuşlu teleskoplarla gözlenemez. Bu fotonların enerjileri çok fazla olduğu için, çok kolay etkileşime girerler. Aslında böyle bir durum olduğu için şanslıyız, çünkü bunlar bizim için oldukça zararlı ışımalar. Zararlı olması beklendik bir şeydir, çünkü doğal olarak maruz kalmak zorunda olduğumuz ışımalar değil. Doğal ortama göre evrimleştiğimiz için, dolayısıyla bunların tehlike teşkil etmesi beklendik bir şeydir.

Görünür bölge ise atmosferden kısmen geçer. Kısmen aslında biraz abartılmış bir kelime olabilir. Görünür bölge büyük ölçüde atmosferden sorunsuzca geçer, fakat görünür bölge derken, tıpkı diğerleri gibi bir aralık, bir bant belirtiriz. Yani belirli bir enerji aralığı söz konusudur. Dolayısıyla bandın bir ucuyla diğer ucu durumdan farklı bir şekilde etkilenebilir. Özellikle, yüksek enerjili mavi dalga boyları bu durumdan daha çok etkilenir. Bu yüzden; UBV fotometrik filtrelerini kullanırken, görsel bölgenin ortalarına denk düşen V filtresiyle elde ettiğiniz görüntüler oldukça temizken, B filtresinde görüntüdeki gürültü artar. U filtresinde ise gürültü oldukça fazladır.

Radyo dalgaları ise, aslında diğerlerinde olduğu gibi birçok frekans bandına ayrılır; ELF, SLF, ULF, VLF, LF... Bunlardan bazıları, özellikle amatörlerin de ilgilendikleri frekans bantlarıdır. Verinin kalitesi, özellikle frekans arttıkça, havadaki nem oranına dahi duyarlı olmaya başlar. Aynı zamanda çakan şimşekler ve atmosfere giren meteorlar da bu dalga boylarında ışıma oluşturdukları için, veride harici bir kaynak olarak görünecektir. (Bkz. Elektromanyetik Dalgalar: Radyo Dalgaları)

Uzun radyo dalga boylarında atmosferin opak olmasının sebebi, özellikle 10 MHz'in altındaki dalgaların, iyonosferdeki elektron yoğunluğundan etkilenmesinden kaynaklanır. Bu frekansa sahip dalgalar, iyonosferden geriye yansıtılır.

Foton ve Madde Etkileşimi

Fotonların maddeyle etkileşimi, oldukça kapsamlı bir konudur. Bir foton; bir atomun elektronunu bir üst enerji seviyesine atlatabilir, Compton veya Rayleigh saçılması gerçekleşebilir, fotoelektrik olay gerçekleşebilir, molekülleri titreştirebilir veya döndürebilir. Bu etkileri ayrıca incelemenizde fayda var. Burada basitçe, bazı temel dalga boylarının madde ile nasıl etkileştiğini ele alarak, atmosferde ne gibi durumlarla karşılaşabileceğini anlamaya çalışacağız.

Mikrodalgalar, moleküllerin dönmesine neden olabilir. Kutuplanmış (polar) moleküller, mikrodalga tarafından döndürülebilir veya burulabilir. Bu durumu en basitinden evlerimizde kullandığımız mikrodalgalarda görüyoruz. Su molekülleri kutuplanmış (polar) moleküller oldukları için, mikrodalga fırında kolayca ısıtılabilir. Fakat kutuplanmış (polar) bir molekül barındırmayan bir materyal koyarsanız, bu durumda ısınmayacaktır. (Bkz. Elektromanyetik Dalgalar: Mikrodalga)

Kızılötesi (IR) ile moleküller üzerinde titreşimler oluşmasına neden olabilir. Kızılöte, mikrodalgalara göre daha çok, görünür bölgeye göre daha az soğurulur. Kızılötesi soğurulma, moleküllerde titreşimlere sebep olduğu için, günümüzde kızılötesi ısıtıcılar kullanabiliyoruz. Aynı zamanda deriye görünür bölgeden daha çok işlediği için, cilt altı damar yapılarının görüntülenmesinde de kullanılabilir.

Görünür bölgedeki elektronlar ise çoğunlukla uyartılmalardan sorumludur. Birçok farklı atomun elektronunu bir üst enerji seviyesine geçirmek için uygun enerji aralığına sahiptir. Dolayısıyla görünür bölge için, elektron geçişlerinden sorumludur demek iyi bir yaklaşımdır.

Moröte (UV) ise, atmosfer tarafından önemli ölçüde engellenen, moleküler bağları bozabilecek ve atomları iyonlaştırabilecek potansiyele sahiptir. Bu yüzden doğrudan moröte (UV) ışınıma maruz kalmak, cilt üzerinde ciddi olumsuz etkilere sahiptir ve kanser riskini artırır. Hatta gözdeki lens üzerinde de etkili olduğundan, katarakta sebep olur. Atmosferimizde bulunan ozon tabakası, moröte için güçlü bir bariyerdir. Ozon (O3) tabakasında moröte büyük ölçüde kullanılır. Bu yüzden, ozon tabakasının varlığı, bizim için hayati bir öneme sahiptir.

X-ışınları ise oldukça yüksek enerjili fotonlar olduklarından, elektronu atomun yörüngesinden fırlatıp iyonlaştırmak için gerekli enerjiden fazlasına sahiptirler. Bu yüzden X-ışınları iyonize edici radyasyon (ışıma) kategorisinde değerlendirilir. Atomu iyonlaştırmak için gerekli enerjiden fazlasına sahip olması durumunda, elektronu atomdan kopardıktan sonra, belirli bir saçılma açısıyla, yoluna daha düşük enerjili bir foton olarak devam eder (Bkz. Compton Saçılması).

Atmosferik soğurulmadan sorumlu başlıca moleküller; ozon (O3), su buharı (H2O), karbondioksit (CO2), karbonmonoksit (CO), azot (N2) ve oksijendir (O2).

Ögetay Kayalı

Referanslar
1. Melike Afşar, Non-Optical Astronomy (Fall 2015-2016), ders notları.
2. <http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod3.html>
3. <http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod2.html>
4. <http://meroli.web.cern.ch/meroli/lecture_photon_interaction.html>

Ögetay Kayalı

Astronom. Çalışma alanı teorik kozmoloji, özellikle Einstein'ın görelilik kuramının modifiye edilmesi üzerine çalışıyor. Bunların yanında ender bulduğu zaman aralıklarında kafasına esince programlama, 3B modelleme, tasarım, fotoğrafçılık, resim ve satranç ile de ilgileniyor.

Ögetay Kayalı 118 makale yazdıÖgetay Kayalı tarafından yazılan tüm makaleleri gör