Infračervené okno - Infrared window

Jako hlavní část „okenního“ spektra lze vidět „okno“ jasného elektromagnetického spektrálního přenosu mezi 8 a 14 μm. Fragmentovanou část „okenního“ spektra (dalo by se říci, že lamelovou část „okna“) lze také vidět ve viditelné až střední vlnové délce infračerveného záření mezi 0,2 a 5,5 μm.

Atmosférický okno infračerveného týká oblasti infračerveného spektra, kde je poměrně málo absorpce tepelného záření pozemní atmosférickými plyny. Okno hraje důležitou roli v atmosférickém skleníkovém efektu tím, že udržuje rovnováhu mezi příchozím slunečním zářením a odcházejícím IR do vesmíru. V zemské atmosféře je toto okno zhruba oblastí mezi 8 a 14 μm, i když může být občas zúženo nebo uzavřeno a na místech s vysokou vlhkostí kvůli silné absorpci v kontinuu vodní páry nebo blokování mraků. Pokrývá podstatnou část spektra z povrchové tepelné emise, která začíná na zhruba 5 μm . V zásadě se jedná o velkou mezeru v absorpčním spektru vodní páry. Oxid uhličitý hraje důležitou roli při stanovení hranice na konci dlouhé vlnové délky. Ozón částečně blokuje přenos uprostřed okna.

Důležitost infračerveného atmosférického okna v atmosférické energetické bilanci objevil George Simpson v roce 1928 na základě laboratorních studií G. Hettnera z roku 1918 o mezeře v absorpčním spektru vodní páry. V té době nebyly počítače k ​​dispozici a Simpson poznamenává, že používal aproximace; píše o tom, že je to nutné pro výpočet odchozího IR záření: „Neexistuje žádná naděje na získání přesného řešení, ale vytvořením vhodných zjednodušujících předpokladů ...“ V dnešní době jsou možné přesné výpočty řádek po řádku a byly publikovány pečlivé studie spektroskopie infračervených atmosférických plynů.

Mechanismy v infračerveném atmosférickém okně

Hlavními přírodními skleníkovými plyny jsou podle vodní důležitosti vodní pára H
2 O , oxid uhličitý CO
2 ozon O.
3 , metan CH
4 a oxid dusný N
2 O . Koncentrace nejméně běžné z nich, N
2 O , je asi 400 ppbV. Další plyny, které přispívají ke skleníkovému efektu, jsou přítomny na úrovních pptV. Patří mezi ně chlorfluoruhlovodíky (CFC) a hydrofluorované uhlovodíky (HFC a HCFC). Jak je uvedeno níže, hlavním důvodem, proč jsou tak účinné jako skleníkové plyny, je to, že mají silné vibrační pásy, které spadají do infračerveného atmosférického okna. IR absorpce CO
2 na 14,7 μm nastavuje hranici dlouhé vlnové délky infračerveného atmosférického okna spolu s absorpcí rotačními přechody H
2 O při mírně delších vlnových délkách. Hranice krátkých vlnových délek atmosférického infračerveného okna je dána absorpcí ve vibračních pásmech vodní páry s nejnižší frekvencí. Uprostřed okna je silný pás ozónu o velikosti 9,6 μm, a proto působí jako tak silný skleníkový plyn. Vodní pára má absorpci kontinua kvůli koliznímu rozšíření absorpčních linií, které prochází oknem. Místní velmi vysoká vlhkost může infračervené vibrační okno zcela zablokovat.

Přes pohoří Atlas ukazují interferometricky zaznamenaná spektra odchozího dlouhovlnného záření emise, které vznikly z povrchu země při teplotě asi 320 K a prošly atmosférickým oknem, a emise mimo okno, které vznikly hlavně z troposféry při teplotách kolem 260 K.

Na Pobřeží slonoviny interferometricky zaznamenaná spektra odcházejícího dlouhovlnného záření ukazují emise, které vznikly z vrcholů mraků při teplotě asi 265 K a prošly atmosférickým oknem, a emise mimo okno, které vznikly hlavně z troposféry při teplotách asi 240 K. To znamená, že na sotva absorbovaném kontinuu vlnových délek (8 až 14 μm) záření emitované zemským povrchem do suché atmosféry a vrcholy mraků prochází atmosférou většinou neabsorbováno a je emitované přímo do vesmíru; existuje také částečný okenní přenos v daleko infračervených spektrálních čarách mezi 16 a 28 μm. Mraky jsou vynikajícími vysílači infračerveného záření. Okenní záření z vrcholků mraků vzniká v nadmořských výškách, kde je nízká teplota vzduchu, ale jak je patrné z těchto nadmořských výšek, je obsah vodní páry ve vzduchu nahoře mnohem nižší než ve vzduchu na povrchu pevniny a moře. Kromě toho absorpce kontinua vodní páry, molekula pro molekulu, klesá s poklesem tlaku. Vodní pára nad oblaky je tedy kromě toho, že je méně koncentrovaná, také méně absorpční než vodní pára v nižších nadmořských výškách. V důsledku toho je efektivní okno, jak je patrné z nadmořských výšek mraků, otevřenější, což má za následek, že vrcholy mraků jsou účinně silnými zdroji záření okna; to znamená, že ve skutečnosti mraky brání v okně jen v malé míře (viz další názor na toto, navržený Ahrensem (2009) na straně 43).

Důležitost pro život

Bez infračerveného atmosférického okna by se Země stala příliš teplou na to, aby podpořila život, a možná tak teplou, že by ztratila vodu, jako to udělala Venuše na začátku historie sluneční soustavy . Existence atmosférického okna je tedy zásadní pro to, aby Země zůstala obyvatelnou planetou .

Hrozby

V posledních desetiletích byla existence infračerveného atmosférického okna ohrožena vývojem vysoce nereaktivních plynů obsahujících vazby mezi fluorem a uhlíkem , sírou nebo dusíkem . Dopad těchto sloučenin poprvé objevil indicko-americký vědec ve vědě o atmosféře Veerabhadran Ramanathan v roce 1975, rok poté, co Roland a Molina oslavovali dokument o schopnosti chlorofluorovaných uhlovodíků ničit stratosférický ozon .

„Roztahovací frekvence“ vazeb mezi fluorem a jinými lehkými nekovy jsou takové, že silná absorpce v atmosférickém okénku bude vždy charakteristická pro sloučeniny obsahující tyto vazby, i když fluoridy nekovů jiné než uhlík, dusík nebo síra jsou krátkodobé kvůli hydrolýze . Tato absorpce je posílena, protože tyto vazby jsou vysoce polární kvůli extrémní elektronegativitě atomu fluoru. Vazby na jiné halogeny také absorbují v atmosférickém okně, i když mnohem méně silně.

Nereaktivní povaha takových sloučenin, které je činí tak cennými pro mnoho průmyslových účelů, navíc znamená, že nejsou odstranitelné v přirozeném oběhu spodní atmosféry Země. Extrémně malé přírodní zdroje vytvořené radioaktivní oxidací fluoritů a následnou reakcí se síranovými nebo uhličitanovými minerály produkují prostřednictvím odplyňování atmosférické koncentrace asi 40 ppt pro všechny perfluorované uhlovodíky a 0,01 ppt pro hexafluorid sírový, ale jediný přirozený strop je fotolýza v mezosféře a horní stratosféra. Odhaduje se například, že perfluorované uhlovodíky ( CF
4 , C.
2 F
6 , C.
3 F
8 ) může zůstat v atmosféře po dobu dvou tisíc šest set padesáti tisíc let.

To znamená, že takové sloučeniny mají obrovský potenciál globálního oteplování . Jeden kilogram hexafluoridu sírového například způsobí za 100 let tolik oteplování jako 23 tun oxidu uhličitého. Perfluorované uhlovodíky jsou v tomto ohledu podobné a dokonce i tetrachlormethan ( CCl
4 ) má potenciál globálního oteplování 1800 ve srovnání s oxidem uhličitým. Tyto sloučeniny stále zůstávají vysoce problematické s pokračující snahou najít jejich náhražky.

Viz také

Reference

Knihy

externí odkazy