stringtranslate.com

Электромагнитное поглощение водой

Спектр поглощения ( коэффициент затухания в зависимости от длины волны) жидкой воды (красный), [1] [2] [3] атмосферного водяного пара (зеленый) [4] [5] [6] [4] [7] и льда (синий) линия) [8] [9] [10] между 667 нм и 200 мкм. [11] График для пара представляет собой преобразование данных Синтетический спектр газовой смеси « Чистая H 2 O » (296 К, 1 атм), полученный из Hitran в информационной веб-системе. [6]
Спектр поглощения жидкой воды в широком диапазоне длин волн

Поглощение электромагнитного излучения водой зависит от состояния воды.

Поглощение в газовой фазе происходит в трех областях спектра. Вращательные переходы отвечают за поглощение в микроволновом и дальнем инфракрасном диапазоне , колебательные переходы в среднем и ближнем инфракрасном диапазоне . Колебательные полосы имеют вращательную тонкую структуру. Электронные переходы происходят в области вакуумного ультрафиолета .

Жидкая вода не имеет вращательного спектра, но поглощает в микроволновой области. Его слабое поглощение в видимом спектре приводит к бледно-голубому цвету воды .

Обзор

Молекула воды в газообразном состоянии имеет три типа перехода, которые могут привести к поглощению электромагнитного излучения:

В действительности колебания молекул в газообразном состоянии сопровождаются вращательными переходами, приводящими к возникновению колебательно-вращательного спектра. Кроме того, в ближней инфракрасной области возникают колебательные обертоны и комбинированные полосы . В базе данных спектроскопии HITRAN перечислено более 37 000 спектральных линий газообразного H 2 16 O, начиная от микроволновой области и заканчивая видимым спектром . [5] [12]

В жидкой воде вращательные переходы эффективно тушатся, но на полосы поглощения влияют водородные связи . В кристаллическом льду на колебательный спектр также влияют водородные связи, и колебания решетки вызывают поглощение в дальней инфракрасной области. Электронные переходы газообразных молекул будут демонстрировать как колебательную, так и вращательную тонкую структуру.

Единицы

Положения инфракрасных полос поглощения могут быть указаны либо в масштабе длины волны (обычно в микрометрах , мкм), либо в масштабе волнового числа (обычно в обратных сантиметрах , см -1 ).

Вращательный спектр

Часть спектра поглощения чистого вращения водяного пара.
Вращающаяся молекула воды

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 большое количество переходов можно наблюдать в дальней инфракрасной области спектра. Измерения микроволновых спектров дали очень точное значение длины связи O-H 95,84 ± 0,05 пм и валентного угла H-O-H 104,5 ± 0,3 °. [13]

Колебательный спектр

Три фундаментальных колебания молекулы воды

Молекула воды имеет три фундаментальных молекулярных колебания . Валентные колебания ОН приводят к появлению полос поглощения с началом полос при 3657 см -1 (ν 1 , 2,734 мкм) и 3756 см -1 (ν 3 , 2,662 мкм) в газовой фазе. Асимметричное валентное колебание симметрии B 2 в точечной группе C 2v является нормальным колебанием . Происхождение изгибной моды HOH находится при 1595 см -1 (ν 2 , 6,269 мкм). Как симметричные растяжение, так и изгибные колебания имеют симметрию А1 , но разница частот между ними настолько велика, что смешение фактически равно нулю. В газовой фазе все три полосы демонстрируют обширную тонкую вращательную структуру. [14] В ближнем инфракрасном спектре ν 3 имеет ряд обертонов с волновыми числами несколько меньшими, чем n·ν 3 , n=2,3,4,5... Комбинированные полосы, такие как ν 2 + ν 3 , также являются легко наблюдать в ближней инфракрасной области. [15] [16] Присутствие водяного пара в атмосфере важно для химии атмосферы, особенно потому, что инфракрасные и ближние инфракрасные спектры легко наблюдать. Стандартные (атмосферно-оптические) коды полосам поглощения присваиваются 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 земном пространстве. атмосфера. [17]

В инфракрасном спектре жидкой воды преобладает интенсивное поглощение, обусловленное фундаментальными валентными колебаниями ОН. Из-за высокой интенсивности для регистрации спектров водных растворов необходимы очень короткие длины пути, обычно менее 50 мкм. Вращательной тонкой структуры нет, но полосы поглощения шире, чем можно было бы ожидать, из-за водородных связей . [18] Максимумы пиков жидкой воды наблюдаются при 3450 см -1 (2,898 мкм), 3615 см -1 (2,766 мкм) и 1640 см -1 (6,097 мкм). [14] Прямое измерение инфракрасных спектров водных растворов требует, чтобы окна кювет были изготовлены из нерастворимых в воде веществ, таких как фторид кальция . Альтернативно эту трудность можно преодолеть, используя устройство пониженного полного отражения (НПВО), а не пропускающее устройство .

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 можно использовать в ближней инфракрасной спектроскопии для измерения спектров водных растворов, причем то преимущество, что стекло прозрачно в этой области, поэтому можно использовать стеклянные кюветы. Интенсивность поглощения меньше, чем у основных колебаний, но это не важно, поскольку можно использовать кюветы с большей длиной пробега. Полоса поглощения при 698 нм (14300 см -1 ) представляет собой 3-й обертон (n=4). Он спускается в видимую область и отвечает за внутренний синий цвет воды . Это можно наблюдать с помощью стандартного УФ/видимого спектрофотометра с длиной оптического пути 10 см. Цвет можно увидеть на глаз, глядя сквозь столб воды длиной около 10 м; воду необходимо пропустить через ультрафильтр , чтобы устранить цвет из-за рэлеевского рассеяния , из-за которого вода также может казаться синей. [16] [21] [22]

Спектр льда аналогичен спектру жидкой воды с максимумами пиков 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 кластерах льда возникают низкочастотные колебания, связанные с растяжением (TS) или изгибом (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) относят к TS, межмолекулярному растяжению и 200 мкм или 50 см- 1 (166 мкм, 60 см-1). −1 во льду), до ТБ, межмолекулярный изгиб [11]

Видимая область

Коэффициенты поглощения для 200 нм и 900 нм практически равны при 6,9 м -1 ( длина затухания 14,5 см). Очень слабое поглощение света в видимой области жидкой водой было измерено с использованием измерителя поглощения с интегрирующей полостью (ICAM). [16] Поглощение было приписано последовательности обертоновых и комбинированных полос, интенсивность которых уменьшается на каждом этапе, приводя к абсолютному минимуму при 418 нм, на которой длина волны коэффициент затухания составляет около 0,0044 м -1 , что представляет собой длину затухания. около 227 метров. Эти значения соответствуют чистому поглощению без эффектов рассеяния. Ослабление, например, лазерного луча будет немного сильнее.

Спектр поглощения видимого света чистой воды ( коэффициент поглощения в зависимости от длины волны) [16] [21] [22]

Электронный спектр

Электронные переходы молекулы воды лежат в области вакуумного ультрафиолета . Для водяного пара полосы распределились следующим образом. [11]

По крайней мере, некоторые из этих переходов приводят к фотодиссоциации воды на H+OH. Среди них наиболее известен тот, что на 166,5 нм.

Микроволны и радиоволны

Диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери воды в диапазоне от 0  ° C до 100  ° C, стрелки показывают эффект повышения температуры [23]

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 широкому, безликому микроволновому спектру. [24] Поглощение (эквивалентное диэлектрическим потерям ) используется в микроволновых печах для нагрева пищи, содержащей молекулы воды. Обычно используется частота 2,45 ГГц и длина волны 122 мм.

Радиосвязь на гигагерцовых частотах очень затруднена в пресных и тем более в соленых водах. [11]

Атмосферные эффекты

Синтетический спектр поглощения простой газовой смеси, соответствующий составу атмосферы Земли, на основе данных HITRAN [5] , созданных с помощью Hitran в веб-системе. [6] Зеленый цвет – водяной пар, WN – волновое число (внимание: справа более низкие длины волн , слева более высокие). Концентрация водяного пара для данной газовой смеси составляет 0,4%.

Водяной пар — это парниковый газ в атмосфере Земли , ответственный за 70% известного поглощения падающего солнечного света , особенно в инфракрасной области, и около 60% атмосферного поглощения теплового излучения Землей, известного как парниковый эффект . [25] Это также важный фактор при мультиспектральной визуализации и гиперспектральной визуализации , используемой в дистанционном зондировании [12] , поскольку водяной пар по-разному поглощает излучение в разных спектральных диапазонах. Его эффекты также являются важным фактором в инфракрасной астрономии и радиоастрономии в микроволновом или миллиметровом диапазонах волн. Телескоп Южного полюса был построен в Антарктиде отчасти потому, что высота над уровнем моря и низкие температуры означают, что в атмосфере очень мало водяного пара. [26]

Точно так же полосы поглощения углекислого газа встречаются в районе 1400, 1600 и 2000 нм, [27] , но его присутствие в атмосфере Земли составляет лишь 26% парникового эффекта. [25] Углекислый газ поглощает энергию в некоторых небольших сегментах теплового инфракрасного спектра, которые пропускает водяной пар. Это дополнительное поглощение атмосферой приводит к тому, что воздух нагревается еще немного, 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 примерно 8000 и 14000 нм, в дальнем инфракрасном спектре, поглощение углекислого газа и воды слабое. [29] Это окно позволяет излучать большую часть теплового излучения в этом диапазоне в космос непосредственно с поверхности Земли. Этот диапазон также используется для дистанционного зондирования Земли из космоса, например, с помощью тепловизионного инфракрасного изображения.

Помимо поглощения радиации, водяной пар иногда излучает излучение во всех направлениях, в соответствии с кривой излучения черного тела для его текущей температуры, наложенной на спектр поглощения воды. Большая часть этой энергии будет перехвачена другими молекулами воды, но на больших высотах излучение, посланное в космос, с меньшей вероятностью будет перехвачено, поскольку меньше воды доступно для повторного улавливания излучения с поглощающими длинами волн, специфичными для воды. В верхней части тропосферы , примерно в 12 км над уровнем моря, большая часть водяного пара конденсируется в жидкую воду или лед, выделяя тепло испарения . Изменив состояние, жидкая вода и лед отпадают на более низкие высоты. Это будет уравновешиваться поступающим водяным паром, поднимающимся посредством конвекционных потоков.

Жидкая вода и лед излучают больше радиации, чем водяной пар (см. график выше). Вода в верхней части тропосферы, особенно в жидком и твердом состояниях, охлаждается, испуская чистые фотоны в космос. Соседние молекулы газа, кроме воды (например, азота), охлаждаются за счет кинетической передачи тепла воде. Вот почему температура в верхней части тропосферы (известной как тропопауза ) составляет около -50 градусов по Цельсию.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Джон Берти. «Сайт загрузки Джона Берти — Spectra» . Проверено 8 августа 2012 г.
  2. ^ Берти Дж. Э.; Лан З. (1996). «Интенсивность инфракрасного излучения жидкостей XX: новый взгляд на интенсивность полосы растяжения OH жидкой воды и лучшие текущие значения оптических констант H2O (l) при 25 ° C между 15 000 и 1 см-1». Прикладная спектроскопия . 50 (8): 1047–1057. Бибкод : 1996ApSpe..50.1047B. дои : 10.1366/0003702963905385. S2CID  97329854 . Проверено 8 августа 2012 г.
  3. ^ Данные Берти Дж. Э. и Лана, 1996 г. В: Мирослав Йонаш, Вверх. Часть. Дисп. наук. 2007 978-0-9780628-0-4
  4. ^ ab «Спектроскопия атмосферных газов (спектральные базы данных)». Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН. Архивировано из оригинала 16 апреля 2013 года . Проверено 8 августа 2012 г. ... различные источники данных: банки спектральных данных HITRAN и GEISA, оригинальные данные, полученные исследователями IAO в сотрудничестве с другими учеными, спектры H2O, смоделированные Партриджем и Швенке и т. д.
  5. ^ abc "База данных HITRAN". Отдел атомной и молекулярной физики Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики . Проверено 8 августа 2012 г. HITRAN — это совокупность спектроскопических параметров, которые используются различными компьютерными программами для прогнозирования и моделирования передачи и излучения света в атмосфере.
  6. ^ abc «Hitran в информационной веб-системе». Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики (CFA), Кембридж, Массачусетс, США; Институт оптики атмосферы (ИАО) им. В.Е. Зуева, Томск, Россия . Проверено 11 августа 2012 г.
  7. ^ Арингер Б.; Кершбаум Ф.; Йоргенсен Ю.Г. (2002). «H2O в звездных атмосферах» (PDF) . Астрономия и астрофизика . 395 (3): 915–927. Бибкод : 2002A&A...395..915A. дои : 10.1051/0004-6361:20021313 . Проверено 8 августа 2012 г.
  8. ^ Ричард Брандт. «Оптические константы льда от ультрафиолета до микроволновой печи».
  9. ^ Уоррен С.Г. (1984). «Оптические константы льда от ультрафиолета до микроволнового излучения» (PDF) . Прикладная оптика . 23 (8): 1206. Бибкод : 1984ApOpt..23.1206W. дои : 10.1364/AO.23.001206. ПМИД  18204705 . Проверено 8 августа 2012 г.
  10. ^ Уоррен С.Г.; Брандт Р.Э. (2008). «Оптические константы льда от ультрафиолета до микроволновой печи: пересмотренный сборник» (PDF) . Дж. Геофиз. Рез . 113 (Д14): Д14220. Бибкод : 2008JGRD..11314220W. дои : 10.1029/2007JD009744 . Проверено 8 августа 2012 г.
  11. ^ abcd Возняк Б.; Дера Дж. (2007). Библиотека атмосферных и океанографических наук (PDF) . Нью-Йорк: Springer Science + Business Media. ООО. ISBN 978-0-387-30753-4. Проверено 4 августа 2012 г.
  12. ^ аб Гордон, Юли Э.; Лоуренс С. Ротман; Роберт Р. Гамаш; Давид Жакмар; Крис Бун; Питер Ф. Бернат; Марк В. Шепард; Дженнифер С. Деламер; Шепард А. Клаф (24 июня 2007 г.). «Текущие обновления списка линий водяного пара в HITRAN: новая диета для полуширины, расширяемой воздухом» (PDF) . Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения . Проверено 3 ноября 2007 г. 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 значительных переходов водяного пара в диапазоне от микроволнового диапазона до видимого, с интенсивностью, охватывающей многие порядки величины. Эти переходы используются или должны учитываться в различных приложениях дистанционного зондирования.
  13. ^ Банвелл, Колин Н.; Маккэш, Элейн М. (1994). Основы молекулярной спектроскопии (4-е изд.). МакГроу-Хилл. п. 50. ISBN 978-0-07-707976-5.
  14. ^ abc Накамото, Кадзуо (1997). Инфракрасные и рамановские спектры неорганических и координационных соединений (5-е изд.). Уайли. п. 170. ИСБН 978-0-47116394-7.
  15. ^ аб Жакмуд, С.; Устин, С.Л. (2003). «Применение моделей переноса радиации для оценки содержания влаги и картографирования выжженных земель» (PDF) . Объединенная Европейская ассоциация лабораторий дистанционного зондирования (EARSeL) и программа GOFC/GOLD-Fire, 4-й семинар по лесным пожарам, Гентский университет, Бельгия, 5-7 июня 2003 г. Проверено 15 октября 2008 г. ...в спектре действия воды три основных пика вблизи 1400, 1950 и 2500 нм и два второстепенных при 970 и 1200 нм.
  16. ^ abcde Папа РМ; Фрай Э.С. (1997). «Спектр поглощения (380–700 нм) чистой воды. II. Измерения интегрирующей полости». Прикладная оптика . 36 (33): 8710–8723. Бибкод : 1997ApOpt..36.8710P. дои : 10.1364/AO.36.008710. PMID  18264420. S2CID  11061625.
  17. ^ Дуарте, FJ , изд. (1995). Применение перестраиваемого лазера . Нью-Йорк: М. Деккер. ISBN 978-0-8247-8928-2. В ближней ИК-области спектра имеются три набора линий поглощения водяного пара. Длины волн около 730 и 820 нм полезны для измерений в нижней тропосфере, тогда как длины волн около 930 нм полезны для измерений в верхней тропосфере...
  18. ^ Чаплин, Мартин (28 октября 2007 г.). «Спектр водопоглощения». Архивировано из оригинала 11 ноября 2020 г. Проверено 4 ноября 2007 г. В жидкости вращение ограничивается водородными связями, что приводит к либрациям. Кроме того, спектральные линии шире, что приводит к перекрытию многих пиков поглощения. Основная полоса растяжения в жидкой воде смещается в сторону более низкой частоты, а частота изгиба увеличивается за счет водородных связей.
  19. ^ Картер, Джорджия; Маккейн, округ Колумбия (1993). «Связь спектральной отражательной способности листьев с содержанием воды в хлоропластах, определенная с помощью ЯМР-микроскопии». Дистанционное зондирование окружающей среды . 46 (3): 305–310. Бибкод : 1993RSEnv..46..305C. дои : 10.1016/0034-4257(93)90050-8 . Проверено 31 октября 2007 г. Реакция отражения на содержание воды в листьях была самой высокой в ​​полосах поглощения воды вблизи длин волн 1450 нм, 1950 нм и 2500 нм.
  20. ^ Россель, РАВ; МакБрэтни, AB (1998). «Лабораторная оценка метода проксимального зондирования для одновременного измерения содержания глины и воды в почве». Геодерма . 85 (1): 19–39. Бибкод : 1998Geode..85...19В. дои : 10.1016/S0016-7061(98)00023-8. сильные полосы поглощения ОН-групп в почвенной воде около 1450, 1950 и 2500 нм.
  21. ^ аб Коу Л.; Лабри Д.; Чилек П. (1993). «Показатели преломления воды и льда в спектральном диапазоне от 0,65 до 2,5 мкм». Прикладная оптика . 32 (19): 3531–3540. Бибкод : 1993ApOpt..32.3531K. дои : 10.1364/AO.32.003531. ПМИД  20829977.
  22. ^ ab Данные Поупа Р.М. и Фрая, 1997 г., а также Коу Л. и др. 1993. В: Мирослав Йонаш, Вверх. Часть. Дисп. наук. 2007 978-0-9780628-0-4
  23. ^ Чаплин, Мартин. «Вода и микроволновая печь». Структура воды и наука . Архивировано из оригинала 11 ноября 2020 г.
  24. ^ Каатце, Джорджия; Берендс, Р.; Поттель, Р. (2002). «Флуктуации водородной сетки и диэлектрическая спектрометрия жидкостей». Дж. Некристаллический. Твердые тела . 305 (1–3): 19–29. Бибкод : 2002JNCS..305...19K. дои : 10.1016/S0022-3093(02)01084-0.
  25. ^ аб Мореллис, Ахиллеас (1 мая 2003 г.). «Климатическое воздействие водяного пара - Physicsworld.com». Мир физики . Институт физики . Проверено 18 февраля 2019 г.
  26. ^ «Телескоп Южного полюса: Южный полюс: Почему телескоп находится на Южном полюсе?». Чикагский университет . Архивировано из оригинала 15 октября 2007 г. Проверено 3 ноября 2007 г. Быстрый ответ: Потому что Южный полюс, вероятно, лучшее место на Земле для этого телескопа. Он чрезвычайно сух, что делает атмосферу исключительно прозрачной для СПП.
  27. ^ Прието-Бланко, Ана; Питер Р.Дж. Норт; Найджел Фокс; Майкл Дж. Барнсли. «Спутниковая оценка параметров поверхности/атмосферы: исследование чувствительности» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 26 июля 2011 г. Проверено 31 октября 2007 г. ...полосы поглощения воды (около 940, 1100, 1450, 1950 и 2500 нм) и полосы поглощения углекислого газа (1400, 1600 и 2000 нм)...
  28. ^ «Исследование EO: есть ли у Земли аналог радужной оболочки глаза» . НАСА . 17 июня 2002 г. Проверено 4 ноября 2007 г.
  29. ^ Коттон, Уильям (2006). Воздействие человека на погоду и климат . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-84086-6. Незначительное поглощение очевидно в области, называемой атмосферным окном, между 8 и 14 мкм.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме электромагнитного поглощения водой.