Электромагнитное поглощение водой
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
[ редактировать ]Молекула воды в газообразном состоянии имеет три типа перехода, которые могут привести к поглощению электромагнитного излучения:
- Вращательные переходы, при которых молекула приобретает квант вращательной энергии. Атмосферный водяной пар при температуре и давлении окружающей среды вызывает поглощение в дальней инфракрасной области спектра, примерно от 200 см. −1 (50 мкм) к более длинным волнам в микроволновой области.
- Колебательные переходы, при которых молекула приобретает квант колебательной энергии. Фундаментальные переходы вызывают поглощение в среднем инфракрасном диапазоне в областях около 1650 см-1. −1 (диапазон мкм, 6 мкм) и 3500 см −1 (так называемый X-диапазон, 2,9 мкм)
- Электронные переходы, при которых молекула переходит в возбужденное электронное состояние. Самый низкий энергетический переход этого типа находится в области вакуумного ультрафиолета .
В действительности колебания молекул в газообразном состоянии сопровождаются вращательными переходами, приводящими к возникновению колебательно-вращательного спектра. области возникают колебательные обертоны и комбинированные полосы Кроме того, в ближней инфракрасной . В базе HITRAN данных спектроскопии 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
[ редактировать ]Положения инфракрасных полос поглощения могут быть указаны либо в длинах волн (обычно в микрометрах , мкм), либо в волновых числах (обычно в обратных сантиметрах , см). −1 ) шкала.
Вращательный спектр
[ редактировать ]
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
[ редактировать ]
3657 см −1 (2,734 мкм)
1595 см −1 (6,269 мкм)
3756 см −1 (2,662 мкм)
Молекула воды имеет три фундаментальных молекулярных колебания . Валентные колебания ОН приводят к появлению полос поглощения с началом полосы 3657 см-1. −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 . Начало изгибной моды HOH находится на высоте 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 практически равно нулю. В газовой фазе все три полосы демонстрируют обширную тонкую вращательную структуру. [14] В ближнем инфракрасном спектре ν 3 имеет серию обертонов с волновыми числами несколько меньшими, чем n·ν 3 , n=2,3,4,5... Комбинированные полосы, такие как ν 2 + ν 3, также легко наблюдаются в ближняя инфракрасная область. [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 ожидать, из-за водородных связей . [18] Максимумы пиков жидкой воды наблюдаются на высоте 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 веществ, таких как фторид кальция нерастворимых в воде . Альтернативно эту трудность можно преодолеть, используя устройство с ослабленным полным отражением (ATR), а не устройство передачи .
В ближнем инфракрасном диапазоне жидкая вода имеет полосы поглощения около 1950 нм (5128 см-1). −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, при этом 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). −1 ) — третий 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 максимумом пика на высоте 3400 см. −1 (2,941 мкм), 3220 см −1 (3,105 мкм) и 1620 см −1 (6,17 мкм) [14]
И в жидкой воде, 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) объясняются TS, межмолекулярным растяжением и длиной 200 мкм или 50 см. −1 (166 мкм, 60 см −1 во льду), к ТБ, межмолекулярному изгибу [11]
Видимая область
[ редактировать ]| н 1 , н 3 | № 2 | длина волны/нм |
|---|---|---|
| 4 | 0 | 742 |
| 4 | 1 | 662 |
| 5 | 0 | 605 |
| 5 | 1 | 550 |
| 6 | 0 | 514 |
| 6 | 1 | 474 |
| 7 | 0 | 449 |
| 7 | 1 | 418 |
| 8 | 0 | 401 |
| 8 | 1 | 376 |
Коэффициенты поглощения для 200 нм и 900 нм практически равны на длине волны 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 обертонных и комбинированных полос, интенсивность которых уменьшается на каждом этапе, приводя к абсолютному минимуму при 418 нм, на этой длине волны коэффициент затухания составляет около 0,0044 мкм. −1 , что составляет длину затухания около 227 метров. Эти значения соответствуют чистому поглощению без эффектов рассеяния. Ослабление, например, лазерного луча будет немного сильнее.
Электронный спектр
[ редактировать ]Электронные переходы молекулы воды лежат в области вакуумного ультрафиолета . Для водяного пара полосы распределились следующим образом. [11]
- Полоса 65 нм — множество различных электронных переходов, фотоионизация , фотодиссоциация.
- дискретные функции между 115 и 180 нм
- набор узких полос между 115 и 125 нм
Ряд Ридберга : 1 b 1 (n 2 ) → множество различных состояний Ридберга и 3 a 1 (n 1 ) → 3 sa 1 состояние Ридберга - Диапазон 128 нм
Ряд Ридберга: 3 a 1 (n 1 ) → 3 sa 1 состояние Ридберга и 1 b 1 (n 2 ) → 3s a 1 состояние Ридберга - Диапазон 166,5 нм
1 b 1 (n 2 ) → 4 a 1 (σ 1 *-подобная орбиталь )
- набор узких полос между 115 и 125 нм
- 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
[ редактировать ]
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. частота 2,45 ГГц Обычно используется и длина волны 122 мм.
Радиосвязь на гигагерцовых частотах очень затруднена в пресных и тем более в соленых водах. [11]
Атмосферные эффекты
[ редактировать ]
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 в 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 около 1400, 1600 и 2000 нм. [27] но его присутствие в атмосфере Земли составляет всего 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 большей части теплового излучения в этом диапазоне излучаться 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, направленное 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 испускают радиацию с большей скоростью, 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.
См. также
[ редактировать ]- Диэлектрическая спектроскопия
- Дифференциальная оптическая абсорбционная спектроскопия
- Поглощение гидроксильных ионов в оптическом волокне
- Водная модель
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Джон Берти. «Сайт загрузки Джона Берти — Spectra» . Проверено 8 августа 2012 г.
- ^ 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 " . Applied Spectroscope . 50 (8): 1047–1057. Bibcode : 1996ApSpe..50.1047B . doi : 10.1366/0003702963905385 . S2CID 97329854. Получено 8 августа 2012 г.
- ^ Данные Берти Дж. Э. и Лана, 1996 г. В: Мирослав Йонаш, Вверх. Часть. Дисп. наук. 2007 978-0-9780628-0-4
- ^ Jump up to: а б «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.
- ^ Jump up to: а б с «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.
- ^ Jump up to: а б с «Хитран 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.
- ^ Арингер Б.; Кершбаум Ф.; Йоргенсен Ю.Г. (2002). «H 2 O в звездных атмосферах» (PDF) . Астрономия и астрофизика 395 (3): 915–927. Бибкод : 2002A&A...395..915A . дои : 10.1051/0004-6361:20021313 . Проверено 0 августа 2012 г.
- ^ Ричард Брандт. «Оптические константы льда от ультрафиолета до микроволн» .
- ^ 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.
- ^ Уоррен С.Г.; Брандт Р.Э. (2008). «Оптические константы льда от ультрафиолета до микроволнового излучения: пересмотренный сборник» (PDF) . Дж. Геофиз. Рез . 113 (Д14): Д14220. Бибкод : 2008JGRD..11314220W . дои : 10.1029/2007JD009744 . Проверено 8 августа 2012 г.
- ^ Jump up to: а б с д 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.
- ^ Jump up to: а б 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.
- ^ Банвелл, Колин Н.; Маккэш, Элейн М. (1994). Основы молекулярной спектроскопии (4-е изд.). МакГроу-Хилл. п. 50. ISBN 978-0-07-707976-5 .
- ^ Jump up to: а б с Накамото, Кадзуо (1997). Инфракрасные и рамановские спектры неорганических и координационных соединений (5-е изд.). Уайли. п. 170. ИСБН 978-0-47116394-7 .
- ^ Jump up to: а б 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.
- ^ Jump up to: а б с д и Папа Р.М.; 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 . ПМИД 18264420 . S2CID 11061625 .
- ^ 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...
- ^ 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.
- ^ 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 . Архивировано из оригинала 13 декабря 2019 г. 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.
- ^ 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.
- ^ Jump up to: а б 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 .
- ^ Jump up to: а б 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
- ^ Чаплин, Мартин. «Вода и микроволновая печь» . Структура воды и наука . Архивировано из оригинала 11 ноября 2020 г.
- ^ Каатце, Джорджия; Берендс, Р.; Поттель, Р. (2002). «Флуктуации водородной сети 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 .
- ^ Jump up to: а б Мореллис, Ахиллеас (1 мая 2003 г.). «Климатическое воздействие водяного пара — Physicsworld.com» . Мир физики . Институт физики . Проверено 18 февраля 2019 г.
- ^ «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.
- ^ 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)...
- ^ «Исследование ЭО: есть ли на Земле аналог радужной оболочки» . НАСА . 17 июня 2002 г. Проверено 4 ноября 2007 г.
- ^ 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
[ редактировать ]
