Оптические свойства воды и льда

Показатель преломления воды . при 20 °C для видимого света составляет 1,33 ^[1]Показатель преломления нормального льда равен 1,31 (из Списка показателей преломления ). В общем, показатель преломления представляет собой комплексное число с действительной и мнимой частями, причем последняя указывает на силу потерь на поглощение на определенной длине волны. В видимой части электромагнитного спектра мнимая часть показателя преломления очень мала. Однако вода и лед поглощают инфракрасное излучение и закрывают инфракрасное окно атмосферы , тем самым способствуя парниковому эффекту .

Спектр поглощения чистой воды используется во многих приложениях, включая рассеяние и поглощение света кристаллами льда и капельками облачной воды , теории радуги , определение альбедо однократного рассеяния , цвета океана и многие другие.

Количественное описание показателя преломления [ править ]

Для длин волн от 0,2 мкм до 1,2 мкм и температур от -12 °С до 500 °С действительную часть показателя преломления воды можно рассчитать по следующему эмпирическому выражению: ^[2]

{\frac {n^{2}-1}{n^{2}+2}}(1/{\overline {\rho }})=a_{0}+a_{1}{\overline {\rho }}+a_{2}{\overline {T}}+a_{3}{\overline {\lambda }}^{2}{\overline {T}}+{\frac {a_{4}}{{\overline {\lambda }}^{2}}}+{\frac {a_{5}}{{\overline {\lambda }}^{2}-{\overline {\lambda }}_{\mathit {UV}}^{2}}}+{\frac {a_{6}}{{\overline {\lambda }}^{2}-{\overline {\lambda }}_{\mathit {IR}}^{2}}}+a_{7}{\overline {\rho }}^{2}

Где:

{\overline {T}}={\frac {T}{T^{\text{*}}}}

,

{\overline {\rho }}={\frac {\rho }{\rho ^{\text{*}}}}

, и

{\overline {\lambda }}={\frac {\lambda }{\lambda ^{\text{*}}}}

и соответствующие константы $a_{0}$ = 0.244257733, $a_{1}$ = 0.00974634476, $a_{2}$ = −0.00373234996, $a_{3}$ = 0.000268678472, $a_{4}$ = 0.0015892057, $a_{5}$ = 0.00245934259, $a_{6}$ = 0.90070492, $a_{7}$ = −0.0166626219, $T^{*}$ = 273,15 К, $\rho ^{*}$ = 1000 кг/м ³, $\lambda ^{*}$ = 589 нм, ${\overline {\lambda }}_{\text{IR}}$ = 5,432937, и ${\overline {\lambda }}_{\text{UV}}$ = 0.229202.

В приведенном выше выражении T — абсолютная температура воды (в К), $\lambda$ длина волны света в нм, $\rho$ плотность воды в кг/м ³, а n — действительная часть показателя преломления воды.

Объемная масса воды [ править ]

В приведенной выше формуле плотность воды также зависит от температуры и определяется по формуле: ^[3]^[4]

$\rho (t)=a_{5}\left(1-{\frac {(t+a_{1})^{2}(t+a_{2})}{a_{3}(t+a_{4})}}\right)$

с:

$a_{1}$ = −3,983035 °С
$a_{2}$ = 301,797 °С
$a_{3}$ = 522528,9 °С ²
$a_{4}$ = 69,34881 °С
$a_{5}$ = 999,974950 кг/м ³

) жидкой воды преломления (действительная и мнимая части Показатель

Показатель преломления жидкой воды
Длина волны (мкм)	Волновое число (см ⁻¹)	Частота (ТГц)	н	к	а' (см ⁻¹)
0.200	5.00 × 10 ⁴	1.50 × 10 ³	1.396	1.1 × 10 ⁻⁷	0.069
0.225	4.44 × 10 ⁴	1.33 × 10 ³	1.373	4.9 × 10 ⁻⁸	0.027
0.250	4.00 × 10 ⁴	1.20 × 10 ³	1.362	3.35 × 10 ⁻⁸	0.0168
0.275	3.64 × 10 ⁴	1.09 × 10 ³	1.354	2.35 × 10 ⁻⁸	0.0107
0.300	3.33 × 10 ⁴	999	1.349	1.6 × 10 ⁻⁸	6.7 × 10 ⁻³
0.325	3.08 × 10 ⁴	922	1.346	1.08 × 10 ⁻⁸	4.18 × 10 ⁻³
0.350	2.86 × 10 ⁴	857	1.343	6.5 × 10 ⁻⁹	2.3 × 10 ⁻³
0.375	2.67 × 10 ⁴	799	1.341	3.5 × 10 ⁻⁹	1.2 × 10 ⁻³
0.400	2.50 × 10 ⁴	749	1.339	1.86 × 10 ⁻⁹	5.84 × 10 ⁻⁴
0.425	2.35 × 10 ⁴	705	1.338	1.3 × 10 ⁻⁹	3.8 × 10 ⁻⁴
0.450	2.22 × 10 ⁴	666	1.337	1.02 × 10 ⁻⁹	2.85 × 10 ⁻⁴
0.475	2.11 × 10 ⁴	631	1.336	9.35 × 10 ⁻¹⁰	2.47 × 10 ⁻⁴
0.500	2.00 × 10 ⁴	600	1.335	1.00 × 10 ⁻⁹	2.51 × 10 ⁻⁴
0.525	1.90 × 10 ⁴	571	1.334	1.32 × 10 ⁻⁹	3.16 × 10 ⁻⁴
0.550	1.82 × 10 ⁴	545	1.333	1.96 × 10 ⁻⁹	4.48 × 10 ⁻⁴
0.575	1.74 × 10 ⁴	521	1.333	3.60 × 10 ⁻⁹	7.87 × 10 ⁻⁴
0.600	1.67 × 10 ⁴	500	1.332	1.09 × 10 ⁻⁸	2.28 × 10 ⁻³
0.625	1.60 × 10 ⁴	480	1.332	1.39 × 10 ⁻⁸	2.79 × 10 ⁻³
0.650	1.54 × 10 ⁴	461	1.331	1.64 × 10 ⁻⁸	3.17 × 10 ⁻³
0.675	1.48 × 10 ⁴	444	1.331	2.23 × 10 ⁻⁸	4.15 × 10 ⁻³
0.700	1.43 × 10 ⁴	428	1.331	3.35 × 10 ⁻⁸	6.01 × 10 ⁻³
0.725	1.38 × 10 ⁴	414	1.330	9.15 × 10 ⁻⁸	0.0159
0.750	1.33 × 10 ⁴	400	1.330	1.56 × 10 ⁻⁷	0.0261
0.775	1.29 × 10 ⁴	387	1.330	1.48 × 10 ⁻⁷	0.0240
0.800	1.25 × 10 ⁴	375	1.329	1.25 × 10 ⁻⁷	0.0196
0.825	1.21 × 10 ⁴	363	1.329	1.82 × 10 ⁻⁷	0.0282
0.850	1.18 × 10 ⁴	353	1.329	2.93 × 10 ⁻⁷	0.0433
0.875	1.14 × 10 ⁴	343	1.328	3.91 × 10 ⁻⁷	0.0562
0.900	1.11 × 10 ⁴	333	1.328	4.86 × 10 ⁻⁷	0.0679
0.925	1.08 × 10 ⁴	324	1.328	1.06 × 10 ⁻⁶	0.144
0.950	1.05 × 10 ⁴	316	1.327	2.93 × 10 ⁻⁶	0.388
0.975	1.03 × 10 ⁴	307	1.327	3.48 × 10 ⁻⁶	0.449
1.0	1.0 × 10 ⁴	300	1.327	2.89 × 10 ⁻⁶	0.36
1.2	8300	250	1.324	9.89 × 10 ⁻⁶	1.0
1.4	7100	210	1.321	1.38 × 10 ⁻⁴	12
1.6	6200	190	1.317	8.55 × 10 ⁻⁵	6.7
1.8	5600	170	1.312	1.15 × 10 ⁻⁴	8.0
2.0	5000	150	1.306	1.1 × 10 ⁻³	69
2.2	4500	136	1.296	2.89 × 10 ⁻⁴	17
2.4	4200	125	1.279	9.56 × 10 ⁻⁴	50.
2.6	3800	115	1.242	3.17 × 10 ⁻³	150
2.65	3770	113	1.219	6.7 × 10 ⁻⁵	318
2.70	3700	111	1.188	0.019	880
2.75	3640	109	1.157	0.059	2700
2.80	3570	107	1.142	0.115	5160
2.85	3510	105	1.149	0.185	8160
2.90	3450	103	1.201	0.268	11600
2.95	3390	102	1.292	0.298	12700
3.00	3330	100.	1.371	0.272	11400
3.05	3280	98.3	1.426	0.240	9990
3.10	3230	96.7	1.467	0.192	7780
3.15	3170	95.2	1.483	0.135	5390
3.20	3120	93.7	1.478	0.0924	3630
3.25	3080	92.2	1.467	0.0610	2360
3.30	3030	90.8	1.450	0.0368	1400
3.35	2990	89.5	1.432	0.0261	979
3.40	2940	88.2	1.420	0.0195	721
3.45	2900	86.9	1.410	0.0132	481
3.50	2860	85.7	1.400	0.0094	340
3.6	2780	83	1.385	0.00515	180
3.7	2700	81	1.374	0.00360	120
3.8	2630	79	1.364	0.00340	110
3.9	2560	77	1.357	0.00380	120
4.0	2500	75	1.351	0.00460	140
4.1	2440	73	1.346	0.00562	170
4.2	2380	71	1.342	0.00688	210
4.3	2330	70.	1.338	0.00845	250
4.4	2270	69	1.334	0.0103	290
4.5	2220	67	1.332	0.0134	370
4.6	2170	65	1.330	0.0147	400
4.7	2130	64	1.330	0.0157	420
4.8	2080	62	1.330	0.0150	390
4.9	2040	61	1.328	0.0137	350
5.0	2000	60.	1.325	0.0124	310
5.1	1960	59	1.322	0.0111	270
5.2	1920	58	1.317	0.0101	240
5.3	1890	57	1.312	0.0098	230
5.4	1850	56	1.305	0.0103	240
5.5	1820	55	1.298	0.0116	380
5.6	1790	54	1.289	0.0142	320
5.7	1750	53	1.277	0.0203	450
5.8	1720	52	1.262	0.0330	710
5.9	1690	51	1.248	0.0622	1300
6.0	1670	50.	1.265	0.107	2200
6.1	1640	49	1.319	0.131	2700
6.2	1610	48.4	1.363	0.0880	1800
6.3	1590	47.6	1.357	0.0570	1100
6.4	1560	46.8	1.347	0.0449	880
6.5	1540	46.1	1.339	0.0392	760
6.6	1520	45.4	1.334	0.0356	680
6.7	1490	44.7	1.329	0.0337	630
6.8	1470	44.1	1.324	0.0327	600
6.9	1450	43.4	1.321	0.0322	590
7.0	1430	42.8	1.317	0.0320	570

Полный показатель преломления воды определяется как m = n + ik . Коэффициент поглощения α 'используется в законе Бера-Ламберта, где штрих обозначает соглашение по основанию e . Значения приведены для воды при 25 °C и были получены из различных источников в цитируемом обзоре литературы. ^[5]

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

^ Лиде, Дэвид Р. (19 июня 2003 г.). Справочник CRC по химии и физике, 84-е издание . Справочник ЦРК . ЦРК Пресс . 8 — Концентрационные свойства водных растворов: плотность, показатель преломления, понижение температуры замерзания и вязкость. ISBN 9780849304842 .
^ Международная ассоциация свойств воды и пара (сентябрь 1997 г.). Влияние показателя преломления обычного водного вещества как функция длины волны, температуры и давления (IAPWS R9-97) (PDF) (Отчет) . Проверено 8 октября 2008 г.
^ «Расчет плотности ВОДЫ» .
^ «Плотность воды и температура – Физические науки, химия и биология» . 10 февраля 2009 г.
^ Хейл, Джордж; Куэрри, Марвин (1 марта 1973 г.). «Оптические константы воды в диапазоне длин волн от 200 нм до 200 мкм» . Прикладная оптика . 12 (3). Оптическое общество Америки : 555–563. Бибкод : 1973ApOpt..12..555H . дои : 10.1364/AO.12.000555 . ПМИД 20125343 . Проверено 8 января 2014 г.

Ссылки [ править ]

Р. М. Поуп и Э. С. Фрай. Спектр поглощения (380-700 нм) чистой воды. II. Интегрирование измерений полости, Прикл. Опт., 36, 8710-8723, 1997.
Мобли, Кертис Д., Свет и вода: перенос излучения в природных водах; частично основано на сотрудничестве с Рудольфом В. Прейзендорфером, Сан-Диего, Academic Press, 1994, 592 стр., ISBN 0-12-502750-8

[1] Лиде, Дэвид Р. (19 июня 2003 г.). Справочник CRC по химии и физике, 84-е издание . Справочник ЦРК . ЦРК Пресс . 8 — Концентрационные свойства водных растворов: плотность, показатель преломления, понижение температуры замерзания и вязкость. ISBN 9780849304842 .

[2] Международная ассоциация свойств воды и пара (сентябрь 1997 г.). Влияние показателя преломления обычного водного вещества как функция длины волны, температуры и давления (IAPWS R9-97) (PDF) (Отчет) . Проверено 8 октября 2008 г.

[3] «Расчет плотности ВОДЫ» .

[4] «Плотность воды и температура – Физические науки, химия и биология» . 10 февраля 2009 г.

[5] Хейл, Джордж; Куэрри, Марвин (1 марта 1973 г.). «Оптические константы воды в диапазоне длин волн от 200 нм до 200 мкм» . Прикладная оптика . 12 (3). Оптическое общество Америки : 555–563. Бибкод : 1973ApOpt..12..555H . дои : 10.1364/AO.12.000555 . ПМИД 20125343 . Проверено 8 января 2014 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]