Инфракрасное окно
Инфракрасное атмосферное окно относится к области инфракрасного спектра, где земное тепловое излучение относительно мало поглощается атмосферными газами. [1] Окно играет важную роль в парниковом эффекте в атмосфере, поддерживая баланс между поступающей солнечной радиацией и исходящим ИК-излучением в космос. В атмосфере Земли это окно находится примерно в диапазоне от 8 до 14 мкм, хотя оно может быть сужено или закрыто во время и в местах с высокой влажностью из-за сильного поглощения континуумом водяного пара или из-за блокировки облаками. [2] [3] [4] [5] [6] Он охватывает значительную часть спектра поверхностного теплового излучения, которое начинается примерно с 5 мкм . В основном это большая щель в спектре поглощения водяного пара. Углекислый газ играет важную роль в установлении границы на длинноволновом конце. Озон частично блокирует передачу в середине окна.
Важность инфракрасного атмосферного окна в энергетическом балансе атмосферы была открыта Джорджем Симпсоном в 1928 году на основе работы Г. Хеттнера 1918 года. [7] лабораторные исследования щели в спектре поглощения водяного пара. В те времена компьютеров не было, и Симпсон отмечает, что он использовал приближения; он пишет о необходимости этого для расчета уходящего ИК-излучения: «Нет надежды получить точное решение; но путем принятия подходящих упрощающих предположений...». [8] В настоящее время возможны точные построчные вычисления, и тщательные исследования спектроскопии опубликованы инфракрасных атмосферных газов.
Механизмы
[ редактировать ]Основными природными парниковыми газами (в порядке их важности) являются водяной пар H.
2 O , углекислый газ CO
2 , озон О
3 , метан CH
4 и закись азота N
2 О. Концентрация наименее распространенного из них, N
2 O составляет около 400 частей на миллиард (по объему). [ нужны разъяснения ] [9] Другие газы, способствующие парниковому эффекту, присутствуют на уровне ppt. К ним относятся хлорфторуглероды (ХФУ), галоны и гидрофторуглероды (ГФУ и ГХФУ). Как обсуждается ниже, основная причина того, что они настолько эффективны как парниковые газы, заключается в том, что они имеют сильные вибрационные полосы, попадающие в инфракрасное окно атмосферы. ИК-поглощение CO
2 на длине волны 14,7 мкм устанавливает длинноволновую границу инфракрасного атмосферного окна вместе с поглощением вращательными переходами H
2 O на несколько более длинных волнах. Коротковолновая граница атмосферного ИК-окна определяется поглощением в наиболее низкочастотных колебательных полосах водяного пара. В середине окна имеется сильная полоса озона на длине волны 9,6 мкм , поэтому он действует как такой сильный парниковый газ. Водяной пар имеет сплошное поглощение из-за столкновительного уширения линий поглощения, проходящих через окно. [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [10] Местная очень высокая влажность может полностью заблокировать инфракрасное вибрационное окно.
Над Атласскими горами интерферометрически зарегистрированы спектры уходящего длинноволнового излучения. [11] показывают излучение, возникшее от поверхности суши при температуре около 320 К и прошедшее через атмосферное окно, и безоконное излучение, возникшее преимущественно из тропосферы при температуре около 260 К.
Над Кот-д'Ивуаром интерферометрически зарегистрированные спектры уходящего длинноволнового излучения. [11] показывают излучение, возникшее из вершин облаков при температуре около 265 К и прошедшее через атмосферное окно, и безоконное излучение, возникшее преимущественно из тропосферы при температуре около 240 К. Это означает, что в малопоглощаемом континууме Из длин волн (от 8 до 14 мкм) излучение, испускаемое поверхностью Земли в сухую атмосферу и верхушками облаков, в основном проходит через атмосферу непоглощенным и излучается непосредственно в космос; существует также частичное оконное пропускание в дальних инфракрасных спектральных линиях примерно от 16 до 28 мкм. Облака являются отличными излучателями инфракрасного излучения. Излучение окон от вершин облаков возникает на высотах, где температура воздуха низкая, но, как видно с этих высот, содержание водяного пара в воздухе над ними намного ниже, чем в воздухе на поверхности суши и моря. Более того, [10] Поглощающая способность континуума водяного пара, молекула за молекулой, уменьшается с уменьшением давления. Таким образом, водяной пар над облаками не только менее сконцентрирован, но и обладает меньшей поглощающей способностью, чем водяной пар на более низких высотах. Следовательно, эффективное окно, если смотреть с высоты вершины облаков, более открыто, в результате чего верхушки облаков фактически являются сильными источниками радиации окна; то есть фактически облака загораживают окно лишь в небольшой степени (см. другое мнение по этому поводу, предложенное Аренсом (2009) на стр. 43). [12] ).
Важность для жизни
[ редактировать ]Без инфракрасного атмосферного окна Земля стала бы слишком теплой, чтобы поддерживать жизнь, и, возможно, настолько теплой, что потеряла бы воду, как это произошло на Венере в начале Солнечной системы истории . Таким образом, существование атмосферного окна имеет решающее значение для того, чтобы Земля оставалась обитаемой планетой .
В качестве предлагаемой стратегии управления глобальным потеплением поверхности пассивного дневного радиационного охлаждения (PDRC) используют инфракрасное окно для отправки тепла обратно в космическое пространство с целью обратить вспять рост температуры, вызванный изменением климата . [13] [14]
Угрозы
[ редактировать ]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-атмосферником Вирабхадраном Раманатаном в 1975 году. [15] через год после Роланда и Молины гораздо более знаменитой статьи о способности хлорфторуглеродов разрушать стратосферный озон .
«Частоты растяжения» связей фтора с другими легкими неметаллами таковы, что сильное поглощение в атмосферном окне всегда будет характерно для соединений, содержащих такие связи. [16] хотя фториды неметаллов, кроме углерода, азота или серы, недолговечны из-за гидролиза . Это поглощение усиливается, поскольку эти связи сильно полярны из-за чрезвычайной электроотрицательности атома фтора. Связь с хлором [16] и бром [17] также поглощают в атмосферном окне, хотя и гораздо менее сильно.
Более того, нереактивная 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 небольшие природные источники, созданные путем радиоактивного окисления флюорита и последующей реакции с сульфатными или карбонатными минералами, производят путем дегазации атмосферные концентрации около 40 частей на миллион для всех перфторуглеродов и 0,01 частей на миллион для гексафторида серы. [18] но единственным естественным потолком является фотолиз в мезосфере и верхней стратосфере. [19] Подсчитано, что перфторуглероды ( CF
4 , С
22F
6 , С
33F
8 ), происходящих от коммерческого производства анестетиков, хладагентов и полимеров. [20] может 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 вызовет такое же потепление, как 26,7 тонны углекислого газа за 100 лет и 37,6 тонны за 500 лет. Например, [22] Перфторуглероды в этом отношении схожи, и даже четыреххлористый углерод ( CCl
4 ) имеет потенциал глобального потепления в 2310 г. по сравнению с углекислым газом. [22] Довольно короткоживущие галогенированные соединения все еще могут иметь довольно высокий потенциал глобального потепления: например , хлороформ со сроком жизни 0,5 года все еще имеет потенциал глобального потепления 22; галотан со сроком службы всего один год имеет ПГП 47 за 100 лет, [22] а галон 1202 со сроком службы 2,9 года имеет 100-летний потенциал глобального потепления, в 231 раз превышающий потенциал углекислого газа. [23] Эти соединения по-прежнему остаются весьма проблематичными, и продолжаются попытки найти им замену.
См. также
[ редактировать ]- Парниковый эффект
- Парниковый газ
- Инфракрасная астрономия
- Оптическое окно
- Разрушение озона
- Окно радио
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Метеорологический словарь Американского метеорологического общества» .
- ^ Jump up to: а б Палтридж, GW; Платт, CMR (1976). Радиационные процессы в метеорологии и климатологии . Эльзевир. стр. 139–140, 144–7, 161–4. ISBN 0-444-41444-4 .
- ^ Jump up to: а б Гуди, РМ; Юнг, Ю.Л. (1989). Атмосферная радиация. Теоретические основы (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета. стр. 201–4. ISBN 0-19-505134-3 .
- ^ Jump up to: а б Лиу, КН (2002). Введение в атмосферную радиацию (2-е изд.). Академический. п. 119. ИСБН 0-12-451451-0 .
- ^ Jump up to: а б Столл, Р. (2000). Метеорология для ученых и инженеров . Дельмонт, Калифорния: Брукс/Коул. п. 402. ИСБН 978-0-534-37214-9 .
- ^ Jump up to: а б Хоутон, Дж. Т. (2002). Физика атмосферы (3-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 50, 208. ISBN. 0-521-80456-6 .
- ^ Jump up to: а б Хеттнер, Г. (1918). «Об ультракрасном спектре поглощения водяного пара» . Анналы физики . 4. 55 (6): 476–497, включая раскладной рисунок. Бибкод : 1918АнП...360..476H . дои : 10.1002/andp.19183600603 . hdl : 2027/uc1.b2596204 .
- ^ Jump up to: а б «Архивная копия» . Архивировано из оригинала 22 апреля 2008 г. Проверено 26 июня 2009 г.
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link) Симпсон, GC (1928). «Дальнейшие исследования земной радиации». Мемуары Королевского метеорологического общества . 3 (21): 1–26. - ^ Блейзинг, Ти Джей (2009). «Недавние концентрации парниковых газов» (PDF) . дои : 10.3334/CDIAC/atg.032 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Jump up to: а б Дэниел, Дж.С.; Соломон, С.; Кьергорд, ХГ; Шофилд, ДП (2004). «Комплексы водяного пара в атмосфере и континуум». Письма о геофизических исследованиях . 31 (6): L06118. Бибкод : 2004GeoRL..31.6118D . дои : 10.1029/2003GL018914 . S2CID 56320625 .
- ^ Jump up to: а б Ханель, РА; Конрат, Би Джей; Кунде, В.Г.; Прабхакара, К.; Рева, И.; Саломонсон, В.В.; Вулфорд, Г. (1972). «Эксперимент по инфракрасной спектроскопии Nimbus 4. 1. Калиброванные спектры теплового излучения». Журнал геофизических исследований . 77 (15): 2629–41. Бибкод : 1972JGR....77.2629H . дои : 10.1029/JC077i015p02629 .
- ^ Аренс, компакт-диск (2009). Метеорология сегодня . Бельмонт, Калифорния: Брукс/Коул. ISBN 978-0-495-55573-5 .
- ^ Чен, Мэйцзе; Панг, Дэн; Чен, Синъюй; Ян, Хунцзе; Ян, Юань (2022). «Пассивное дневное радиационное охлаждение: основы, конструкция материалов и применение» . ЭкоМат . 4 . дои : 10.1002/eom2.12153 . S2CID 240331557 .
- ^ Мандей, Джереми (2019). «Борьба с изменением климата посредством радиационного охлаждения» . Джоуль . 3 (9): 2057–2060. Бибкод : 2019Джоуль...3,2057М . дои : 10.1016/j.joule.2019.07.010 . S2CID 201590290 .
- ^ Раманатан, Вирабхадран; «Парниковый эффект хлорфторуглеродов: климатические последствия»; Наука , том. 190, нет. 4209 (3 октября 1975 г.), стр. 50–52.
- ^ Jump up to: а б Бера, Парта П.; Франциско, Джозеф С.; Ли, Тимоти Дж. (2009). «Определение молекулярного происхождения глобального потепления». Журнал физической химии . 113 (45): 12694–12699. Бибкод : 2009JPCA..11312694B . дои : 10.1021/jp905097g . hdl : 2060/20110023746 . ПМИД 19694447 .
- ^ Ганн, Ричард Г.; Барнс, Джон Д.; Дэвис, Сэнфорд; Харрис, Джонис С.; Харрис младший, Ричард Х.; Херрон, Джон Т.; Левин, Барбара С.; Моспик, Фредерик И.; Нотарианни, Кэти А.; Найден, Марк Р.; Паабо, Майя; Рикер, Ричард Э. (1990). Предварительные процедуры проверки и критерии замены галонов 1211 и 1301 (Технический отчет). п. 135.
- ^ Харниш, Йохен; Эйзенхауэр, Антон (1998). «Природные CF 4 и SF 6 на Земле» . Письма о геофизических исследованиях . 25 (13): 2401–2404. Бибкод : 1998GeoRL..25.2401H . дои : 10.1029/98GL01779 . S2CID 129805049 .
- ^ Ковач, Тамаш; Фэн, Уху; Тоттердилл, Анна; Плейн, Джон MC; 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» . Химия и физика атмосферы . 17 (2): 883–898. Бибкод : 2017ACP....17..883K . дои : 10.5194/acp-17-883-2017 . S2CID 54586431 .
- ^ Лемаль Д.М. (январь 2004 г.). «Взгляд на химию фторуглеродов». Дж. Орг. Хим . 69 (1): 1–11. дои : 10.1021/jo0302556 . ПМИД 14703372 .
- ^ Миджли, премьер-министр; Маккалок, А. (9 апреля 1999 г.). «Свойства и применение промышленных галогенуглеродов». В Фабиане, Питер; Сингх, Онкар Н. (ред.). Реактивные галогенные соединения в атмосфере, Том 4 . Спрингер. п. 134. ИСБН 3540640908 .
- ^ Jump up to: а б с 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 .
- ^ Ходнеброг, Ойвинд; 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/рог.20013 .
Книги
[ редактировать ]- Михалас, Д.; Вайбель-Михалас, Б. (1984). Основы радиационной гидродинамики . Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-503437-6 . Архивировано из оригинала 8 октября 2011 г. Проверено 17 октября 2009 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Окно ИК-атмосферы. Архивировано 11 октября 2018 г. на Wayback Machine.
