stringtranslate.com

Инфракрасное окно

Как основная часть спектра «окна», можно увидеть четкое электромагнитное спектральное пропускание «окна» между 8 и 14 мкм. Фрагментированная часть спектра «окна» (можно сказать, решетчатая часть «окна») также может быть видна в видимом и средневолновом инфракрасном диапазоне между 0,2 и 5,5 мкм.

Инфракрасное атмосферное окно — это атмосферное окно в инфракрасном спектре, в котором наблюдается относительно небольшое поглощение земного теплового излучения атмосферными газами. [1] Окно играет важную роль в парниковом эффекте атмосферы, поддерживая баланс между входящим солнечным излучением и исходящим ИК-излучением в космос. В атмосфере Земли это окно примерно находится в области между 8 и 14 мкм, хотя оно может быть сужено или закрыто в моменты и в местах высокой влажности из-за сильного поглощения в континууме водяного пара или из-за блокировки облаками. [2] [3] [4] [5] [6] Оно охватывает значительную часть спектра от поверхностного теплового излучения, которое начинается примерно с 5 мкм . В основном это большой разрыв в спектре поглощения водяного пара. Углекислый газ играет важную роль в установлении границы на конце длинной волны. Озон частично блокирует передачу в середине окна.

Важность инфракрасного атмосферного окна в энергетическом балансе атмосферы была открыта Джорджем Симпсоном в 1928 году на основе лабораторных исследований Г. Геттнера 1918 года [7] щели в спектре поглощения водяного пара. В те дни компьютеры были недоступны, и Симпсон отмечает, что он использовал приближения; он пишет о необходимости этого для расчета исходящего ИК-излучения: «Нет никакой надежды получить точное решение; но, делая подходящие упрощающие предположения ...». [8] В настоящее время возможны точные построчные вычисления, и были опубликованы тщательные исследования спектроскопии инфракрасных атмосферных газов.

Механизмы

Основными природными парниковыми газами в порядке их важности являются водяной пар H2O , углекислый газ CO2, озон О3, метан CH4и закись азота N2O. Концентрация наименее распространенного из них, N2O , составляет около 400 ppb (по объему). [ необходимо разъяснение ] [9] Другие газы, которые способствуют парниковому эффекту, присутствуют на уровнях ppt. К ним относятся хлорфторуглероды (CFC), галоны 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, которые попадают в инфракрасное атмосферное окно. ИК-поглощение CO2при 14,7 мкм устанавливает предел длинных волн инфракрасного атмосферного окна вместе с поглощением вращательными переходами H2O на немного более длинных волнах. Коротковолновая граница атмосферного ИК-окна устанавливается поглощением в самых низкочастотных колебательных полосах водяного пара. В середине окна находится сильная полоса озона на 9,6 мкм , поэтому он действует как такой сильный парниковый газ. Водяной пар имеет континуальное поглощение из-за столкновительного уширения линий поглощения, которое простирается через окно. [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [10] Локальная очень высокая влажность может полностью блокировать инфракрасное колебательное окно.

Над Атласскими горами интерферометрически зарегистрированные спектры уходящего длинноволнового излучения [11] показывают излучение, возникшее на поверхности земли при температуре около 320 К и прошедшее через атмосферное окно, и неоконное излучение, возникшее в основном из тропосферы при температуре около 260 К.

Над Кот-д'Ивуаром интерферометрически зарегистрированные спектры исходящего длинноволнового излучения [11] показывают излучение, которое возникло из вершин облаков при температуре около 265 К и прошло через атмосферное окно, и неоконное излучение, которое возникло в основном из тропосферы при температуре около 240 К. Это означает, что в едва поглощаемом континууме длин волн (от 8 до 14 мкм) излучение, испускаемое поверхностью Земли в сухую атмосферу и вершинами облаков, в основном проходит непоглощенным через атмосферу и испускается непосредственно в космос; также существует частичное оконное пропускание в дальних инфракрасных спектральных линиях между примерно 16 и 28 мкм. Облака являются превосходными излучателями инфракрасного излучения. Оконное излучение из вершин облаков возникает на высотах, где температура воздуха низкая, но, как видно с этих высот, содержание водяного пара в воздухе над ним намного ниже, чем в воздухе на поверхности суши и моря. Более того, [10] поглощательная способность континуума водяного пара, молекула за молекулой, уменьшается с уменьшением давления. Таким образом, водяной пар над облаками, помимо того, что он менее концентрирован, также обладает меньшей поглощающей способностью, чем водяной пар на более низких высотах. Следовательно, эффективное окно, как видно с высот верхней границы облаков, более открыто, в результате чего верхние границы облаков являются эффективными источниками излучения окна; то есть, по сути, облака закрывают окно лишь в небольшой степени (см. другое мнение по этому поводу, предложенное Аренсом (2009) на стр. 43 [12] ).

Важность для жизни

Без инфракрасного атмосферного окна Земля стала бы слишком теплой для поддержания жизни, и, возможно, настолько теплой, что она потеряла бы воду, как это произошло с Венерой в начале истории Солнечной системы . Таким образом, существование атмосферного окна имеет решающее значение для того, чтобы Земля оставалась пригодной для жизни планетой .

В качестве предлагаемой стратегии управления глобальным потеплением пассивное дневное радиационное охлаждение (PDRC) поверхностей использует инфракрасное окно для отправки тепла обратно в космическое пространство с целью обращения вспять роста температуры, вызванного изменением климата . [13] [14]

Угрозы

В последние десятилетия существование инфракрасного атмосферного окна оказалось под угрозой из-за развития крайне инертных газов, содержащих связи между фтором и углеродом , серой или азотом . Влияние этих соединений было впервые обнаружено индийско-американским ученым-атмосферщиком Вирабхадраном Раманатаном в 1975 году [15] , через год после гораздо более знаменитой статьи Роланда и Молины о способности хлорфторуглеродов разрушать стратосферный озон .

«Частоты растяжения» связей между фтором и другими легкими неметаллами таковы, что сильное поглощение в атмосферном окне всегда будет характерно для соединений, содержащих такие связи, [16], хотя фториды неметаллов, отличных от углерода, азота или серы, недолговечны из-за гидролиза . Это поглощение усиливается, поскольку эти связи являются высокополярными из-за чрезвычайной электроотрицательности атома фтора. Связи с хлором [16] и бромом [17] также поглощают в атмосферном окне, хотя и гораздо менее сильно.

Более того, нереакционноспособная 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 малые природные источники, созданные посредством радиоактивного окисления флюорита и последующей реакции с сульфатными или карбонатными минералами, производят посредством дегазации атмосферные концентрации около 40 ppt для всех перфторуглеродов и 0,01 ppt для гексафторида серы, [18] но единственный естественный потолок — это фотолиз в мезосфере и верхней стратосфере. [19] Подсчитано, что перфторуглероды ( CF4, С2Ф6, С3Ф8), образующиеся в результате промышленного производства анестетиков, хладагентов и полимеров [20], могут оставаться в атмосфере от двух тысяч шестисот пятидесяти тысяч лет. [21]

Это означает, что такие соединения обладают огромным потенциалом глобального потепления . Один килограмм гексафторида серы , например, вызовет такое же потепление, как 26,7 тонн углекислого газа за 100 лет и 37,6 тонн за 500 лет. [22] Перфторуглероды в этом отношении похожи, и даже четыреххлористый углерод ( CCl
4) имеет потенциал глобального потепления 2310 по сравнению с диоксидом углерода. [22] Довольно короткоживущие галогенированные соединения могут все еще иметь довольно высокие потенциалы глобального потепления: например, хлороформ , со сроком жизни 0,5 года, все еще имеет потенциал глобального потепления 22; галотан , со сроком жизни всего один год, имеет ПГП 47 за 100 лет, [22] а галон 1202 , со сроком жизни 2,9 года, имеет 100-летний потенциал глобального потепления в 231 раз больше, чем диоксид углерода. [23] Эти соединения все еще остаются весьма проблематичными, и продолжаются попытки найти им замену.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ «Глоссарий метеорологии Американского метеорологического общества».
  2. ^ ab Paltridge, GW; Platt, CMR (1976). Радиационные процессы в метеорологии и климатологии. Elsevier. стр. 139–140, 144–7, 161–4. ISBN 0-444-41444-4.
  3. ^ ab Goody, RM; Yung, YL (1989). Атмосферная радиация. Теоретическая основа (2-е изд.). Oxford University Press. стр. 201–4. ISBN 0-19-505134-3.
  4. ^ ab Liou, KN (2002). Введение в атмосферную радиацию (2-е изд.). Academic. стр. 119. ISBN 0-12-451451-0.
  5. ^ ab Stull, R. (2000). Метеорология для ученых и инженеров. Delmont CA: Brooks/Cole. стр. 402. ISBN 978-0-534-37214-9.
  6. ^ ab Houghton, JT (2002). Физика атмосфер (3-е изд.). Cambridge University Press. стр. 50, 208. ISBN 0-521-80456-6.
  7. ^ аб Хеттнер, Г. (1918). «Über das ultrarote Absorbsspektrum des Wasserdampfes». Аннален дер Физик . 4. 55 (6): 476–497, включая раскладной рисунок. Бибкод : 1918AnP...360..476H. дои : 10.1002/andp.19183600603. hdl : 2027/uc1.b2596204 .
  8. ^ ab "Архивная копия". Архивировано из оригинала 2008-04-22 . Получено 2009-06-26 .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ) Симпсон, GC (1928). «Дальнейшие исследования земной радиации». Мемуары Королевского метеорологического общества . 3 (21): 1–26.
  9. ^ Blasing, TJ (2009). "54 Environmental Sciences" (PDF) . Современные концентрации парниковых газов . Инфраструктура данных по науке об окружающей среде для виртуальной экосистемы; Центр анализа информации о диоксиде углерода (CDIAC), Национальная лаборатория Оук-Ридж (ORNL), Оук-Ридж, штат Теннесси (США). doi : 10.3334/CDIAC/atg.032.
  10. ^ ab Daniel, JS; Solomon, S.; Kjaergaard, HG; Schofield, DP (2004). "Атмосферные комплексы водяного пара и континуум". Geophysical Research Letters . 31 (6): L06118. Bibcode : 2004GeoRL..31.6118D. doi : 10.1029/2003GL018914. S2CID  56320625.
  11. ^ ab Hanel, RA; Conrath, BJ; Kunde, VG; Prabhakara, C.; Revah, I.; Salomonson, VV; Wolford, G. (1972). "Эксперимент по инфракрасной спектроскопии Nimbus 4. 1. Калиброванные спектры термического излучения". Journal of Geophysical Research . 77 (15): 2629–41. Bibcode :1972JGR....77.2629H. doi :10.1029/JC077i015p02629.
  12. ^ Аренс, CD (2009). Метеорология сегодня . Белмонт, Калифорния: Брукс/Коул. ISBN 978-0-495-55573-5.
  13. ^ Чэнь, Мэйцзе; Панг, Дэн; Чэнь, Синюй; Янь, Хунцзе; Ян, Юань (2022). «Пассивное дневное радиационное охлаждение: основы, конструкции материалов и применение». EcoMat . 4 (1). doi : 10.1002/eom2.12153 . S2CID  240331557.
  14. ^ Мандей, Джереми (2019). «Борьба с изменением климата посредством радиационного охлаждения». Джоуль . 3 (9): 2057–2060. Bibcode : 2019Joule...3.2057M. doi : 10.1016/j.joule.2019.07.010 . S2CID  201590290.
  15. ^ Раманатан, Вирабхадран; «Парниковый эффект из-за хлорфторуглеродов: климатические последствия»; Science , т. 190, № 4209 (3 октября 1975 г.), стр. 50–52
  16. ^ ab Bera, Partha P.; Francisco, Joseph S.; Lee, Timothy J. (2009). «Определение молекулярного происхождения глобального потепления». Журнал физической химии . 113 (45): 12694–12699. Bibcode : 2009JPCA..11312694B. doi : 10.1021/jp905097g. hdl : 2060/20110023746 . PMID  19694447.
  17. ^ Ганн, Ричард Г.; Барнс, Джон Д.; Дэвис, Сэнфорд; Харрис, Йонис С.; Харрис-младший, Ричард Х.; Херрон, Джон Т.; Левин, Барбара К.; Моспик, Фредерик И.; Нотарианни, Кэти А.; Найден, Марк Р.; Паабо, Майя; Рикер, Ричард Э. (1990). Предварительные процедуры отбора и критерии замены галонов 1211 и 1301 (Технический отчет). стр. 135.
  18. ^ Харниш, Йохен; Эйзенхауэр, Антон (1998). «Природные CF4 и SF6 на Земле». Письма о геофизических исследованиях . 25 (13): 2401–2404. Бибкод : 1998GeoRL..25.2401H. дои : 10.1029/98GL01779 . S2CID  129805049.
  19. ^ Ковач, Тамаш; Фэн, Уху; Тоттердилл, Анна; Плейн, Джон М.К.; Домсе, Сандип; Гомес-Мартин, Хуан Карлос; Стиллер, Габриэле П.; Хенель, Флориан Дж.; Смит, Кристофер; Форстер, Пирс М.; Гарсия, Роландо Р.; Марш, Дэниел Р.; Чипперфилд, Мартин П. (20 января 2017 г.). «Определение времени жизни в атмосфере и потенциала глобального потепления гексафторида серы с использованием трехмерной модели» (PDF) . Атмосферная химия и физика . 17 (2): 883–898. Bibcode :2017ACP....17..883K. doi : 10.5194/acp-17-883-2017 . S2CID  54586431.
  20. ^ Lemal DM (январь 2004 г.). «Перспективы химии фторуглеродов». J. Org. Chem . 69 (1): 1–11. doi :10.1021/jo0302556. PMID  14703372.
  21. ^ Midgeley, PM; McCulloch, A. (9 апреля 1999 г.). "Свойства и применение промышленных галогеноуглеродов". В Fabian, Peter; Singh, Onkar N. (ред.). Реактивные галогеновые соединения в атмосфере, том 4. Springer. стр. 134. ISBN 3540640908.
  22. ^ abc Ходнеброг, Ойвинд; Амос, Боргар; Фуглеведт, Ян; Марстон, Джордж; Мире, Гуннар; Нильсен, Клаус Йорген; Сандстад, Марит; Шайн, Кейт П.; Уоллингтон, Тим Дж. (9 июля 2020 г.). «Обновленные потенциалы глобального потепления и радиационная эффективность галогенуглеродов и других слабых атмосферных поглотителей». Обзоры геофизики . 58 (3): e2019RG000691. Бибкод : 2020RvGeo..5800691H. дои : 10.1029/2019RG000691. ПМЦ 7518032 . ПМИД  33015672. 
  23. ^ Ходнеброг, Оивинд; Этминан, Марьям; Фуглеведт, Ян; Марстон, Джордж; Мире, Гуннар; Нильсен, Клаус Йорген; Шайн, Кейт П.; Уоллингтон, Тим Дж. (24 апреля 2013 г.). «Потенциал глобального потепления и радиационная эффективность галогенуглеродов и родственных соединений: комплексный обзор» (PDF) . Обзоры геофизики . 51 (2): 300–378. Бибкод : 2013RvGeo..51..300H. дои : 10.1002/rog.20013.

Книги

Внешние ссылки