Okno na podczerwień - Infrared window

Jako główna część „okienkowego” widma, wyraźne elektromagnetyczne „okno” transmisji widmowej można zobaczyć między 8 a 14 μm. Fragmentowaną część widma „okienkowego” (można by powiedzieć, żaluzjową część „okienka”) można również zobaczyć w podczerwieni o zakresie widzialnym do średniej długości fal między 0,2 a 5,5 μm.

Okno atmosferyczne w podczerwieni odnosi się do obszaru widma w podczerwieni, w którym występuje stosunkowo niewielka absorpcja ziemskiego promieniowania cieplnego przez gazy atmosferyczne. Okno odgrywa ważną rolę w atmosferycznym efekcie cieplarnianym, utrzymując równowagę między napływającym promieniowaniem słonecznym i wychodzącym promieniowaniem podczerwonym do przestrzeni. W atmosferze ziemskiej okno to jest mniej więcej obszarem między 8 a 14 μm, chociaż może być czasami zwężane lub zamykane w miejscach o dużej wilgotności z powodu silnej absorpcji w kontinuum pary wodnej lub z powodu blokowania przez chmury. Obejmuje znaczną część widma z powierzchniowej emisji termicznej, która zaczyna się od około 5 μm . Zasadniczo jest to duża luka w widmie absorpcji pary wodnej. Dwutlenek węgla odgrywa ważną rolę w wyznaczaniu granicy na końcu długiej fali. Ozon częściowo blokuje transmisję w środku okna.

Znaczenie okna atmosferycznego w podczerwieni w bilansie energii atmosfery odkrył George Simpson w 1928 r. Na podstawie badań laboratoryjnych G. Hettnera z 1918 r. Nad przerwą w widmie absorpcji pary wodnej. W tamtych czasach komputery nie były dostępne, a Simpson zauważa, że ​​używał przybliżeń; pisze o potrzebie tego, aby obliczyć wychodzące promieniowanie podczerwone: „Nie ma nadziei na uzyskanie dokładnego rozwiązania, ale poprzez przyjęcie odpowiednich założeń upraszczających…”. Obecnie możliwe są dokładne obliczenia linia po linii i opublikowano szczegółowe badania spektroskopii gazów atmosferycznych w podczerwieni.

Mechanizmy w oknie atmosferycznym podczerwieni

Głównymi naturalnymi gazami cieplarnianymi w kolejności ich znaczenia jest para wodna H.
2 O , dwutlenek węgla CO
2 , ozon O
3 , metan CH
4 i podtlenek azotu N
2 O . Stężenie najmniej powszechnego z nich, N
2 O , wynosi około 400 ppbV. Inne gazy, które przyczyniają się do efektu cieplarnianego, są obecne na poziomach pptV. Należą do nich chlorofluorowęglowodory (CFC) i wodorofluorowęglowodory (HFC i HCFC). Jak omówiono poniżej, głównym powodem, dla którego są one tak skuteczne jak gazy cieplarniane, jest to, że mają silne pasma wibracyjne, które mieszczą się w oknie atmosferycznym podczerwieni. Absorpcja IR przez CO
2 przy 14,7 μm ustawia granicę długości fali w oknie atmosferycznym podczerwieni wraz z absorpcją przez przejścia obrotowe H
2 O przy nieco dłuższych falach. Granica krótkich długości fal atmosferycznego okna podczerwieni wyznaczana jest przez absorpcję w pasmach drgań pary wodnej o najniższej częstotliwości. Na środku okna znajduje się silne pasmo ozonu na poziomie 9,6 μm, dlatego działa on jako silny gaz cieplarniany. Para wodna ma ciągłą absorpcję dzięki kolizyjnemu poszerzeniu linii absorpcyjnych, które przechodzą przez okno. Lokalna bardzo wysoka wilgotność może całkowicie zablokować okno wibracyjne podczerwieni.

Ponad górami Atlas interferometrycznie zarejestrowane widma wychodzącego promieniowania długofalowego pokazują emisję, która powstała z powierzchni ziemi w temperaturze około 320 K i przeszła przez okno atmosferyczne, a także emisję niezwiązaną z oknem, która pochodzi głównie z troposfery w temperaturach 260 K.

Na Wybrzeżu Kości Słoniowej rejestrowane interferometrycznie widma wychodzącego promieniowania długofalowego pokazują emisję, która powstała z wierzchołków chmur w temperaturze około 265 K i przeszła przez okno atmosferyczne, a także emisję spoza okna, która pochodzi głównie z troposfery w temperaturach około 240 K. Oznacza to, że w słabo absorbowanym kontinuum długości fal (od 8 do 14 μm), promieniowanie emitowane przez powierzchnię ziemi do suchej atmosfery i przez wierzchołki chmur w większości przechodzi przez atmosferę nie wchłonięte i jest emitowane bezpośrednio w kosmos; występuje również częściowa transmisja okna w liniach widmowych dalekiej podczerwieni między około 16 a 28 μm. Chmury są doskonałymi emiterami promieniowania podczerwonego. Promieniowanie okienne z wierzchołków chmur powstaje na wysokościach, na których temperatura powietrza jest niska, ale jak widać z tych wysokości, zawartość pary wodnej w powietrzu powyżej jest znacznie niższa niż w powietrzu na powierzchni lądu i morza. Ponadto, wraz ze spadkiem ciśnienia zmniejsza się chłonność pary wodnej, cząsteczka za cząsteczką. Zatem para wodna nad chmurami, poza tym, że jest mniej skoncentrowana, jest również mniej chłonna niż para wodna na niższych wysokościach. W konsekwencji efektywne okno widziane z wysokości szczytów chmur jest bardziej otwarte, w wyniku czego wierzchołki chmur są skutecznie silnymi źródłami promieniowania okien; to znaczy, w efekcie chmury w niewielkim stopniu zasłaniają okno (patrz inna opinia na ten temat, zaproponowana przez Ahrens (2009) na stronie 43).

Znaczenie dla życia

Bez okna atmosferycznego na podczerwień Ziemia stałaby się zbyt ciepła, aby utrzymać życie, i być może tak ciepła, że ​​straciłby swoją wodę, tak jak robiła to Wenus na początku historii Układu Słonecznego . Zatem istnienie okna atmosferycznego ma kluczowe znaczenie dla zachowania Ziemi jako planety nadającej się do zamieszkania .

Zagrożenia

W ostatnich dziesięcioleciach istnienie okna atmosferycznego w podczerwieni zostało zagrożone przez rozwój wysoce niereaktywnych gazów zawierających wiązania między fluorem a węglem , siarką lub azotem . Wpływ tych związków został po raz pierwszy odkryty przez indyjsko-amerykańskiego naukowca zajmującego się atmosferą Veerabhadrana Ramanathana w 1975 roku, rok po znacznie bardziej znanym artykule Rolanda i Moliny o zdolności chlorofluorowęglowodorów do niszczenia ozonu w stratosferze .

„Częstotliwości rozciągania” wiązań między fluorem a innymi lekkimi niemetalami są takie, że silna absorpcja w oknie atmosferycznym zawsze będzie charakterystyczna dla związków zawierających takie wiązania, chociaż fluorki niemetali innych niż węgiel, azot lub siarka są krótkotrwałe z powodu hydrolizy . Ta absorpcja jest wzmocniona, ponieważ wiązania te są silnie polarne z powodu ekstremalnej elektroujemności atomu fluoru. Wiązania z innymi halogenami również wchłaniają się w oknie atmosferycznym, choć znacznie słabiej.

Co więcej, niereaktywny charakter takich związków, który sprawia, że ​​są one tak cenne dla wielu celów przemysłowych, powoduje, że nie można ich usunąć w naturalnej cyrkulacji niższych warstw atmosfery Ziemi. Ekstremalnie małe naturalne źródła powstające w wyniku radioaktywnego utleniania fluorytu i późniejszej reakcji z minerałami siarczanowymi lub węglanowymi wytwarzają się poprzez odgazowanie w stężeniach atmosferycznych około 40 ppt dla wszystkich perfluorowęglowodorów i 0,01 ppt dla sześciofluorku siarki, ale jedynym naturalnym pułapem jest fotoliza w mezosferze i górnej stratosfery. Szacuje się na przykład, że perfluorowęglowodory ( CF
4 , C
2 fa
6 , C
3 fa
8 ) mogą pozostawać w atmosferze przez dwa tysiące sześćset pięćdziesiąt tysięcy lat.

Oznacza to, że takie związki mają ogromny potencjał tworzenia efektu cieplarnianego . Na przykład jeden kilogram heksafluorku siarki spowoduje ocieplenie aż 23 ton dwutlenku węgla w ciągu 100 lat. Perfluorowęglowodory są pod tym względem podobne, a nawet czterochlorek węgla ( CCl
4 ) ma potencjał tworzenia efektu cieplarnianego równy 1800 w porównaniu z dwutlenkiem węgla. Związki te nadal pozostają wysoce problematyczne przy ciągłych próbach znalezienia dla nich substytutów.

Zobacz też

Bibliografia

Książki

Linki zewnętrzne