Инфракрасное окно - Infrared window

В качестве основной части «оконного» спектра можно увидеть четкое «окно» электромагнитного спектрального пропускания между 8 и 14 мкм. Фрагментарная часть спектра «окна» (можно сказать, решетчатая часть «окна») также может быть видна в видимом и средневолновом инфракрасном диапазоне от 0,2 до 5,5 мкм.

В инфракрасное атмосферное окно относится к региону Инфракрасный спектр, в котором наблюдается относительно небольшое поглощение теплового излучения Земли атмосферными газами.[1] Окно играет важную роль в парниковом эффекте атмосферы, поддерживая баланс между поступающим солнечным излучением и исходящим ИК-излучением в космос. в земная атмосфера это окно составляет примерно область от 8 до 14 мкм, хотя иногда и в местах с высокой влажностью оно может сужаться или закрываться из-за сильного поглощения континуумом водяного пара или из-за блокировки облаками. [2][3][4][5][6] Он охватывает значительную часть спектра от поверхностного теплового излучения, которое начинается примерно с 5 мкм. В основном это большой пробел в поглощение спектр водяного пара. Углекислый газ играет важную роль в установке границы на длинноволновом конце. Озон частично блокирует передачу в середине окна.

Важность инфракрасного атмосферного окна в энергетическом балансе атмосферы была обнаружена Джордж Симпсон в 1928 г. по мотивам работы Г. Хеттнера 1918 г.[7] лабораторные исследования щели в спектре поглощения водяного пара. В те дни компьютеров не было, и Симпсон отмечает, что он использовал приблизительные значения; он пишет о необходимости этого для расчета исходящего ИК-излучения: «Нет никакой надежды на получение точного решения; кроме подходящих упрощающих предположений ...».[8] В настоящее время возможны точные построчные вычисления и тщательное изучение спектроскопия инфракрасных атмосферных газов.

Механизмы в инфракрасном атмосферном окне

Основное естественное парниковые газы водяной пар в порядке их важности ЧАС
2О, углекислый газ CO
2, озон О
3, метан CH
4 и закись азота N
2О. Концентрация наименее распространенных из них, N
2О, составляет около 400 частей на миллиард.[9] Другие газы, способствующие парниковому эффекту, присутствуют на уровнях pptV. К ним относятся хлорфторуглероды (CFC) и гидрофторуглероды (HFC и HCFC). Как обсуждается ниже, основная причина того, что они так эффективны как парниковые газы, заключается в том, что они имеют сильные колебательные полосы, попадающие в инфракрасное атмосферное окно. ИК-поглощение CO
2 при 14,7 мкм задает длинноволновый предел инфракрасного атмосферного окна вместе с поглощением вращательными переходами ЧАС
2О на немного более длинных волнах. Коротковолновая граница атмосферного ИК-окна задается поглощением в низкочастотных колебательных полосах водяного пара. Есть сильная полоса озона на уровне 9,6. мкм в середине окна, поэтому он действует как сильный парниковый газ. Водяной пар имеет непрерывное поглощение из-за столкновительного уширения линий поглощения, проходящих через окно.[2][3][4][5][6][7][8][10] Местная очень высокая влажность может полностью перекрыть инфракрасное вибрационное окно.

Над Атласские горы, интерферометрически зарегистрированные спектры уходящего длинноволнового излучения[11] показывают излучение, которое возникло с поверхности земли при температуре около 320 К и прошло через атмосферное окно, и излучение без окна, которое возникло в основном из тропосферы при температурах около 260 К.

Над Берег Слоновой Кости, интерферометрически зарегистрированные спектры уходящего длинноволнового излучения[11] показывают излучение, которое возникло из верхних слоев облаков при температуре около 265 К и прошло через атмосферное окно, а также излучение без окна, которое возникло в основном из тропосферы при температуре около 240 К. Это означает, что при почти поглощенном континууме с длинами волн (от 8 до 14 мкм) излучение, излучаемое земной поверхностью в сухую атмосферу и верхушками облаков, в основном проходит непоглощенным через атмосферу и излучается непосредственно в космос; также наблюдается частичное оконное пропускание в дальних инфракрасных спектральных линиях между примерно 16 и 28 мкм. Облака отлично излучают инфракрасное излучение. Излучение из окон из верхних слоев облаков возникает на высотах с низкой температурой воздуха, но, как видно с этих высот, содержание водяного пара в воздухе выше намного ниже, чем в воздухе на поверхности суши и моря. Более того,[10] Поглощающая способность континуума водяного пара, молекула за молекулой, уменьшается с понижением давления. Таким образом, водяной пар над облаками, помимо того, что он менее концентрированный, также менее поглощает, чем водяной пар на более низких высотах. Следовательно, эффективное окно, видимое с высоты верхней границы облаков, более открыто, в результате чего верхняя часть облаков является эффективным источником излучения окна; иными словами, в действительности облака закрывают окно лишь в небольшой степени (см. другое мнение по этому поводу, предложенное Аренсом (2009) на стр.[12]).

Важность для жизни

Без инфракрасного атмосферного окна Земля стала бы слишком теплой, чтобы поддерживать жизнь, и, возможно, настолько теплой, что потеряла бы воду, поскольку Венера сделал рано в Солнечная система история. Таким образом, наличие атмосферного окна имеет решающее значение для того, чтобы Земля оставалась обитаемая планета.

Угрозы

В последние десятилетия существованию инфракрасного атмосферного окна стало угрожать появление крайне инертных газов, содержащих связи между фтор и углерод, сера или азот. Воздействие этих соединений было впервые обнаружено индийско-американскими исследователями атмосферы. Вирабхадран Раманатан в 1975 г.,[13] через год Роланд и Молина гораздо более знаменитая статья о способности хлорфторуглеродов разрушать стратосферный озон.

«Частоты растяжения» связей между фтором и другим светом неметаллы таковы, что сильное поглощение в атмосферном окне всегда будет характерно для соединений, содержащих такие связи,[14] хотя фториды неметаллов, кроме углерода, азота или серы, недолговечны из-за гидролиз. Это поглощение усиливается, потому что эти связи очень полярны из-за экстремального электроотрицательность атома фтора. Связи с другими галогены также поглощают в атмосферном окне, но гораздо менее сильно.[14]

Более того, инертная природа таких соединений, которая делает их столь ценными для многих промышленных целей, означает, что они не удаляются в естественной циркуляции нижних слоев атмосферы Земли. Чрезвычайно маленькие природные источники, созданные с помощью радиоактивный окисление флюорит и последующая реакция с сульфатными или карбонатными минералами дает через дегазация атмосферные концентрации около 40 ppt для всех перфторуглеродов и 0,01 ppt для гексафторида серы,[15] но единственный естественный потолок - это фотолиз в мезосфера и верхняя стратосфера.[16] По оценкам, например, перфторуглероды (CF
4, C
2F
6, C
3F
8) может оставаться в атмосфере от двух тысяч шестисот пятидесяти тысяч лет.[17]

Это означает, что такие соединения обладают огромным потенциал глобального потепления. Один килограмм гексафторид серы приведет, например, к потеплению на 23 тонны углекислого газа за 100 лет. В этом отношении перфторуглероды похожи, и даже четыреххлористый углерод (CCl
4) имеет потенциал глобального потепления 1800 по сравнению с углекислым газом. Эти соединения по-прежнему остаются весьма проблематичными, и предпринимаются попытки найти им замену.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ «Глоссарий по метеорологии Американского метеорологического общества».
  2. ^ а б Paltridge, G.W .; Platt, C.M.R. (1976). Радиационные процессы в метеорологии и климатологии. Эльзевир. С. 139–140, 144–7, 161–4. ISBN  0-444-41444-4.
  3. ^ а б Goody, R.M .; Юнг, Ю. (1989). Атмосферное излучение. Теоретические основы (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. С. 201–4. ISBN  0-19-505134-3.
  4. ^ а б Лиу, К. (2002). Введение в атмосферную радиацию (2-е изд.). Академический. п. 119. ISBN  0-12-451451-0.
  5. ^ а б Стулл, Р. (2000). Метеорология, для ученых и инженеров. Дельмонт, Калифорния: Брукс / Коул. п. 402. ISBN  978-0-534-37214-9.
  6. ^ а б Houghton, J.T. (2002). Физика атмосферы (3-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 50, 208. ISBN  0-521-80456-6.
  7. ^ а б Хеттнер, Г. (1918). "Über das ultrarote Absorptionsspektrum des Wasserdampfes". Annalen der Physik. 4. 55 (6): 476–497, включая складной рисунок. Дои:10.1002 / andp.19183600603.
  8. ^ а б «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2008-04-22. Получено 2009-06-26.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт) Симпсон, Г. (1928). «Дальнейшие исследования земной радиации». Мемуары Королевского метеорологического общества. 3 (21): 1–26.
  9. ^ Blasing, T.J. «Последние концентрации парниковых газов». Дои:10.3334 / CDIAC / atg.032.
  10. ^ а б Daniel, J.S .; Соломон, S .; Kjaergaard, H.G .; Скофилд, Д. (2004). «Атмосферные паровые комплексы и континуум». Письма о геофизических исследованиях. 31 (6): L06118. Bibcode:2004GeoRL..31.6118D. Дои:10.1029 / 2003GL018914.
  11. ^ а б Hanel, R.A .; Conrath, B.J .; Кунде, В.Г .; Прабхакара, Ч .; Рева, I .; Саломонсон, В.В .; Вулфорд, Г. (1972). «Эксперимент по инфракрасной спектроскопии Nimbus 4. 1. Калиброванные спектры термоэмиссии». Журнал геофизических исследований. 77 (15): 2629–41. Bibcode:1972JGR .... 77.2629H. Дои:10.1029 / JC077i015p02629.
  12. ^ Аренс, К. (2009). Метеорология сегодня. Бельмонт, Калифорния: Брукс / Коул. ISBN  978-0-495-55573-5.
  13. ^ Раманатан, Вирабхадран; «Парниковый эффект из-за хлорфторуглеродов: климатические последствия»; Наука, т. 190, нет. 4209 (3 октября 1975 г.), стр. 50–52
  14. ^ а б Bera, Partha P .; Франциско, Джозеф С. и Ли, Тимоти Дж .; «Определение молекулярного происхождения глобального потепления»; Журнал физической химии; 113 (2009), стр. 12694-12699.
  15. ^ Харниш, Дж. И Эйзенхауэр, А .: «Натуральный CF4 и SF6 на земле', Письма о геофизических исследованиях, т. 25 (1998), стр. 2401–2404
  16. ^ Ковач, Тамаш; Уху Фэн; Тоттердилл, Анна; Самолет, Джон М.К .; Домсе, Сандип; Гомес-Мартин, Хуан Карлос; Стиллер, Габриэле П .; Haenel, Florian J .; Смит, Кристофер; Forster, Piers M .; Гарсия, Роландо Р.; Марш, Дэниел Р. и Чипперфилд, Мартин П.; «Определение продолжительности жизни гексафторида серы в атмосфере и потенциала глобального потепления с использованием трехмерной модели»
  17. ^ Миджли, П. и McCulloch, A .; Свойства и применение промышленных галогенуглеродов, в Fabian, Peter and Singh, Onkar N. (редакторы); Реактивные галогенные соединения в атмосфере, Том 4, п. 134 ISBN  3540640908

Книги

внешние ссылки