Поглощение электромагнитного излучения водой зависит от состояния воды.
Поглощение в газовой фазе происходит в трех областях спектра. Вращательные переходы ответственны за поглощение в микроволновом и дальнем инфракрасном диапазонах , колебательные переходы в среднем инфракрасном и ближнем инфракрасном диапазонах . Колебательные полосы имеют вращательную тонкую структуру. Электронные переходы происходят в областях вакуумного ультрафиолета .
Жидкая вода не имеет вращательного спектра, но поглощает в микроволновом диапазоне. Ее слабое поглощение в видимом спектре приводит к бледно-голубому цвету воды .
Молекула воды в газообразном состоянии имеет три типа переходов, которые могут привести к поглощению электромагнитного излучения:
В действительности колебания молекул в газообразном состоянии сопровождаются вращательными переходами, что приводит к возникновению колебательно-вращательного спектра. Кроме того, в ближнем инфракрасном диапазоне возникают колебательные обертоны и комбинированные полосы . В базе данных спектроскопии HITRAN перечислено более 37 000 спектральных линий для газообразного H 2 16 O, от микроволнового диапазона до видимого спектра . [5] [12]
В жидкой воде вращательные переходы эффективно гасятся, но полосы поглощения подвержены влиянию водородных связей . В кристаллическом льду колебательный спектр также подвержен влиянию водородных связей, и существуют колебания решетки, вызывающие поглощение в дальнем инфракрасном диапазоне. Электронные переходы газообразных молекул будут демонстрировать как колебательную, так и вращательную тонкую структуру.
Положения полос инфракрасного поглощения могут быть заданы либо в шкале длин волн (обычно в микрометрах , мкм), либо в шкале волновых чисел (обычно в обратных сантиметрах , см −1 ).
.svg/1280px-Atmospheric_terahertz_transmittance_at_Mauna_Kea_(simulated).svg.png){kind=spacer}
Молекула воды представляет собой асимметричный волчок , то есть имеет три независимых момента инерции . Вращение вокруг оси симметрии 2-го порядка показано слева. Из-за низкой симметрии молекулы в дальней инфракрасной области спектра можно наблюдать большое количество переходов. Измерения микроволновых спектров дали очень точное значение для длины связи O−H , 95,84 ± 0,05 пм и угла связи H−O−H , 104,5 ± 0,3°. [13]
Молекула воды имеет три фундаментальных молекулярных колебания . Колебания растяжения OH приводят к полосам поглощения с началом полосы при 3657 см −1 (ν 1 , 2,734 мкм) и 3756 см −1 (ν 3 , 2,662 мкм) в газовой фазе. Асимметричное колебание растяжения симметрии B 2 в точечной группе C 2v является нормальным колебанием . Начало изгибной моды HOH находится при 1595 см −1 (ν 2 , 6,269 мкм). Как симметричные колебания растяжения, так и изгиба имеют симметрию A 1 , но разница частот между ними настолько велика, что смешивание фактически равно нулю. В газовой фазе все три полосы показывают обширную вращательную тонкую структуру. [14] В ближнем инфракрасном спектре ν 3 имеет ряд обертонов при волновых числах несколько меньших, чем n·ν 3 , n=2,3,4,5... Комбинированные полосы, такие как ν 2 + ν 3 также легко наблюдаются в ближнем инфракрасном диапазоне. [15] [16] Наличие водяного пара в атмосфере важно для химии атмосферы, особенно потому, что инфракрасный и ближний инфракрасный спектры легко наблюдать. Стандартные (атмосферные оптические) коды присваиваются полосам поглощения следующим образом. 0,718 мкм (видимый): α, 0,810 мкм: μ, 0,935 мкм: ρστ, 1,13 мкм: φ, 1,38 мкм: ψ, 1,88 мкм: Ω, 2,68 мкм: X. Промежутки между полосами определяют инфракрасное окно в атмосфере Земли. [17]
В инфракрасном спектре жидкой воды доминирует интенсивное поглощение из-за фундаментальных колебаний ОН-растяжения. Из-за высокой интенсивности для регистрации спектров водных растворов требуются очень короткие длины пути, обычно менее 50 мкм. Тонкая вращательная структура отсутствует, но полосы поглощения шире, чем можно было бы ожидать, из-за водородных связей . [18] Максимумы пиков для жидкой воды наблюдаются при 3450 см −1 (2,898 мкм), 3615 см −1 (2,766 мкм) и 1640 см −1 (6,097 мкм). [14] Для прямого измерения инфракрасных спектров водных растворов требуется, чтобы окна кюветы были изготовлены из веществ, таких как фторид кальция, которые нерастворимы в воде. Эту трудность можно преодолеть, используя устройство с ослабленным полным внутренним отражением (НПВО) вместо пропускания .
В ближнем инфракрасном диапазоне жидкая вода имеет полосы поглощения около 1950 нм (5128 см −1 ), 1450 нм (6896 см −1 ), 1200 нм (8333 см −1 ) и 970 нм (10300 см −1 ). [19] [20] [15] Области между этими полосами могут использоваться в ближней инфракрасной спектроскопии для измерения спектров водных растворов, с тем преимуществом, что стекло прозрачно в этой области, поэтому можно использовать стеклянные кюветы. Интенсивность поглощения слабее, чем для основных колебаний, но это не важно, поскольку можно использовать кюветы с большей длиной пути. Полоса поглощения при 698 нм (14300 см −1 ) является 3-м обертоном (n=4). Она спадает в видимой области и отвечает за собственный синий цвет воды . Это можно наблюдать с помощью стандартного УФ/видимого спектрофотометра , используя длину пути 10 см. Цвет можно увидеть невооруженным глазом, глядя через столб воды длиной около 10 м; воду необходимо пропустить через ультрафильтр, чтобы устранить цвет из-за рэлеевского рассеяния , которое также может сделать воду синей. [16] [21] [22]
Спектр льда похож на спектр жидкой воды, с пиковыми максимумами при 3400 см −1 (2,941 мкм), 3220 см −1 (3,105 мкм) и 1620 см −1 (6,17 мкм) [14]
Как в жидкой воде, так и в ледяных кластерах происходят низкочастотные колебания, которые включают растяжение (TS) или изгиб (TB) межмолекулярных водородных связей (O–H•••O). Полосы на длинах волн λ = 50-55 мкм или 182-200 см −1 (44 мкм, 227 см −1 во льду) были приписаны TS, межмолекулярному растяжению, и 200 мкм или 50 см −1 (166 мкм, 60 см −1 во льду), TB, межмолекулярному изгибу [11]
Коэффициенты поглощения для 200 нм и 900 нм почти равны и составляют 6,9 м −1 ( длина затухания 14,5 см). Очень слабое поглощение света в видимой области жидкой водой было измерено с помощью измерителя поглощения с интегрирующей полостью (ICAM). [16] Поглощение было приписано последовательности обертонных и комбинированных полос, интенсивность которых уменьшается на каждом шаге, что приводит к абсолютному минимуму при 418 нм, на этой длине волны коэффициент затухания составляет около 0,0044 м −1 , что составляет длину затухания около 227 метров. Эти значения соответствуют чистому поглощению без эффектов рассеяния. Затухание, например, лазерного луча будет немного сильнее.
Электронные переходы молекулы воды лежат в области вакуумного ультрафиолета . Для водяного пара полосы были назначены следующим образом. [11]
Спектр чистого вращения водяного пара простирается в микроволновую область.
Жидкая вода имеет широкий спектр поглощения в микроволновой области, что объясняется изменениями в сети водородных связей , приводящими к появлению широкого, невыразительного микроволнового спектра. [24] Поглощение (эквивалентное диэлектрическим потерям ) используется в микроволновых печах для нагрева пищи, содержащей молекулы воды. Обычно используется частота 2,45 ГГц , длина волны 122 мм.
Радиосвязь на частотах ГГц очень затруднена в пресных водах и тем более в соленых водах. [11]
Водяной пар является парниковым газом в атмосфере Земли , ответственным за 70% известного поглощения входящего солнечного света , особенно в инфракрасном диапазоне, и около 60% атмосферного поглощения теплового излучения Землей, известного как парниковый эффект . [25] Он также является важным фактором в мультиспектральной визуализации и гиперспектральной визуализации, используемых в дистанционном зондировании [12], поскольку водяной пар поглощает излучение по-разному в разных спектральных диапазонах. Его эффекты также являются важным соображением в инфракрасной астрономии и радиоастрономии в микроволновом или миллиметровом диапазонах волн . Телескоп Южного полюса был построен в Антарктиде отчасти потому, что высота и низкие температуры там означают, что в атмосфере очень мало водяного пара. [26]
Аналогично, полосы поглощения углекислого газа возникают около 1400, 1600 и 2000 нм, [27] но его присутствие в атмосфере Земли составляет всего 26% парникового эффекта. [25] Углекислый газ поглощает энергию в некоторых небольших сегментах теплового инфракрасного спектра, которые пропускает водяной пар. Это дополнительное поглощение в атмосфере заставляет воздух нагреваться немного больше, и чем теплее атмосфера, тем больше ее способность удерживать больше водяного пара. Это дополнительное поглощение водяного пара еще больше усиливает парниковый эффект Земли. [28]
В атмосферном окне между приблизительно 8000 и 14000 нм, в дальнем инфракрасном спектре, поглощение углекислого газа и воды слабое. [29] Это окно позволяет большей части теплового излучения в этом диапазоне излучаться в космос непосредственно с поверхности Земли. Этот диапазон также используется для дистанционного зондирования Земли из космоса, например, с помощью тепловых инфракрасных изображений.
Помимо поглощения излучения, водяной пар иногда испускает излучение во всех направлениях, согласно кривой излучения черного тела для его текущей температуры, наложенной на спектр поглощения воды. Большая часть этой энергии будет повторно захвачена другими молекулами воды, но на больших высотах излучение, отправленное в космос, с меньшей вероятностью будет повторно захвачено, поскольку меньше воды доступно для повторного захвата излучения с длинами волн, поглощаемыми водой. В верхней части тропосферы , примерно в 12 км над уровнем моря, большая часть водяного пара конденсируется в жидкую воду или лед, поскольку он выделяет свое тепло испарения . После изменения состояния жидкая вода и лед падают на более низкие высоты. Это будет уравновешено входящим водяным паром, поднимающимся через конвекционные потоки.
Жидкая вода и лед испускают излучение с большей скоростью, чем водяной пар (см. график выше). Вода в верхней части тропосферы, особенно в жидком и твердом состояниях, охлаждается, поскольку она испускает чистые фотоны в космос. Соседние молекулы газа, отличные от воды (например, азота), охлаждаются, передавая свое тепло кинетически воде. Вот почему температура в верхней части тропосферы (известной как тропопауза ) составляет около -50 градусов по Цельсию.
... различные источники данных: спектральные банки данных HITRAN и GEISA, оригинальные данные, полученные исследователями IAO в сотрудничестве с другими учеными, спектры H2O, смоделированные Партриджем и Швенке и т. д.
— это сборник спектроскопических параметров, которые различные компьютерные коды используют для прогнозирования и моделирования передачи и излучения света в атмосфере.
Водяной пар является основным поглотителем длинноволнового излучения в земной атмосфере и оказывает глубокое влияние на энергетический баланс атмосферы во многих спектральных областях. В базе данных HITRAN перечислено более 64 000 значимых переходов водяного пара в диапазоне от микроволнового до видимого диапазона с интенсивностями, охватывающими многие порядки величины. Эти переходы используются или должны учитываться в различных приложениях дистанционного зондирования.
...в спектре действия воды три основных пика вблизи 1400, 1950 и 2500 нм и два второстепенных при 970 и 1200 нм
В ближнем ИК-диапазоне спектра есть три набора линий поглощения водяного пара. Те, что около 730 и 820 нм, полезны для измерений в нижней тропосфере, тогда как те, что около 930 нм, полезны для измерений в верхней тропосфере...
В жидкости вращения, как правило, ограничиваются водородными связями, что приводит к либрациям. Кроме того, спектральные линии шире, что приводит к перекрытию многих пиков поглощения. Основная полоса растяжения в жидкой воде смещена в сторону более низкой частоты, а частота изгиба увеличивается за счет водородных связей.
Реакции отражения на содержание воды в листьях были наибольшими в полосах поглощения воды вблизи длин волн 1450 нм, 1950 нм и 2500 нм.
сильные полосы поглощения групп ОН в почвенной воде около 1450, 1950 и 2500 нм.
Быстрый ответ: Потому что Южный полюс, вероятно, лучшее место на Земле для этого телескопа. Там чрезвычайно сухо, что делает атмосферу исключительно прозрачной для SPT.
...полосы поглощения воды (около 940 нм, 1100 нм, 1450 нм, 1950 нм и 2500 нм) и полосы поглощения углекислого газа (1400 нм, 1600 нм и 2000 нм)...
Небольшое поглощение наблюдается в области, называемой атмосферным окном, между 8 и 14 мкм.
