Absorción da radiación electromagnética pola auga

A absorción da radiación electromagnética pola auga depende do estado desta última : líquido, vapor ou xeo.

As principais bandas de absorción están representadas pola curva azul, que representa o espectro solar por encima da atmosfera que penetra até a superficie da Terra (representada pola curva laranxa).

A absorción de gases prodúcese en tres rexións do espectro electromagnético. As transicións de rotación da molécula actúan no microondas e no dominio infravermello afastado. As transicións vibracionais actúan no infravermello medio e próximo. As bandas correspondentes teñen unha fina estrutura ligada á rotación. As transicións electrónicas inflúen na rexión ultravioleta.

A fase líquida carece de espectro de rotación pero absorbe en longas lonxitudes de onda. A baixa absorción visible na rexión de 400 a 500 nm confire á auga certa cor azul, aínda que é maiormente transparente (a auga do mar é totalmente azul cando reflicte o ceo azul, e roxa ou laranxa cando reflicte os crepúsculos).

Todas as fases da auga xogan un papel importante no equilibrio radioactivo da Terra que contribúe ao clima. Constitúen un obstáculo para a observación astronómica ou para a observación da superficie terrestre dende o espazo pero contribúen ao coñecemento da atmosfera mediante medicións remotas.

Visión xeral do temaEditar

A molécula de auga en estado de vapor ten tres tipos de transicións que levan á absorción:

  • transicións de rotación desde o IR próximo (50 μm) ao dominio microondas ;
  • transicións vibracionais na media IR, desde a banda μ ao redor de 6 μm ata a banda X a 2,9 μm ;
  • transicións electrónicas en UV.

A vibración vai acompañada de transicións de rotación que dan un espectro de rotación-vibración. Ademais, os parciais (acústicos) aparecen no IR próximo. A base de datos HITRAN lista máis de 64.000 transicións.[3][10]

Na auga líquida as transicións de rotación desaparecen pero aparecen as bandas ligadas aos enlaces de hidróxeno.

No xeo, o espectro de rotación tamén se modifica por enlaces de hidróxeno e ademais aparecen fonóns ópticos no IR. As transicións electrónicas mostran unha estrutura fina relacionada coas transicións vibracionais e rotacionais.

Espectro rotacionalEditar

 
Parte do espectro de rotación.
 
Molécula de H2O en rotación

A molécula de auga é un peón asimétrico (en tipoloxía das espectroscopias rotacionais, en francés toupie asymétrique) cos seus tres momentos de inercia diferentes. Debido á ausencia de simetría, pódese observar un gran número de transicións no dominio IR próximo. A medición precisa do espectro de microondas permitiu fixar a lonxitude do enlace O - H en 95,84 ± 0,05 µm e o ángulo H - O - H en 104,5 ± 0,3 graos.[11] O cálculo ab initio dá un valor de 104,4776 graos.[12]

Espectro vibracionalEditar

A molécula de auga ten tres modos fundamentais de vibración molecular. Os modos de vibración cortante de O - H levan a bandas de absorción con cabeza de banda en 3657 cm −11, 2.734 μm) e 3756 cm −13, 2.662 μm) na fase gaseosa. A vibración de simetría de rotación asimétrica C 2v é un modo normal de vibración. O modo de corte H - O - H comeza en 1595 cm −12, 6.269 μm). Aínda que os modos de corte e elongación teñen a mesma simetría A 1, os seus espectros non se superpoñen. Nas tres bandas observamos unha fina estrutura de rotación.[13] ν 3 ten unha serie de parciais en números de onda inferiores a n ν 3, n = 2,3,4,5. . . Superposicións como ν 2 + ν 3 son visibles no próximo infravermello.[14][15]

A presenza de vapor de auga na atmosfera xoga un papel importante, particularmente na rexión infravermella.[16] Os modelos estándar usan bandas de absorción a 0,718 μm (visible), 0,810 μm (banda α), banda 0,935 μm), 1,13 μm (banda ρστ), 1,38 μm (banda φ), 1,88 μm (banda)), 2,68 μm (Ω) banda), 2,90 μm (banda X). Os buratos entre estas bandas definen as xanelas pasantes da atmosfera terrestre.[17]

Auga na rexión visibleEditar

Lonxitudes de onda calculadas para parciais de banda e as súas superposicións para auga líquida no visible.[15]
ν 1, ν 3 ν 2 lonxitude de onda / nm
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

As medicións de absorción no visible cun medidor de absorción de cavidade integrante (ICAM)[15] permitiron atribuílo a unha serie de bandas parciais e solapamentos de intensidade decrecente en cada paso, dando un mínimo de 418 nm, valor no que o coeficiente de absorción é 0,0044 m −1 . Este valor corresponde a un curso, percorrido ou camiño libre medio de 227 metros.

 
Coeficiente de absorción de auga pura no visible en función da lonxitude de onda.[15][18][19][20]

Ondas de microondas e radioEditar

O espectro de rotación esténdese á rexión de microondas. A absorción prodúcese nun amplo rango carente de singularidades,[21] atribuído ao enlace de hidróxeno.[22]

Esta propiedade úsase nos fornos de microondas que normalmente usan a banda ISM ás 2.45 GHz (lonxitude de onda 122 mm).

Por outra banda, constitúe unha dificultade para as comunicacións subacuáticas, especialmente porque o sal disolto aumenta a absorción.[9]

Vapor de auga na atmosferaEditar

O vapor de auga é un gas de efecto invernadoiro que contribúe co 70% á absorción solar da atmosfera e ao redor do 60% da radiación emitida pola superficie (excluíndo a difusión por partículas líquidas ou sólidas).[23] Constitúe un elemento importante das imaxes espectrais empregadas na teledetección porque a absorción é variable coa canle. É tamén de importancia en radioastronomía e astronomía infravermella. O Telescopio do Polo Sur foi construído na Antártida debido ao baixo contido de vapor de auga debido ás baixas temperaturas.[24]

A xanela IR próxima a 8 e 14 μm úsase para a imaxe por infravermellos da superficie terrestre desde a órbita. A absorción e emisión tamén poden ser un activo para a medición ex situ dun satélite.[25]

En altitude, a auga existe en forma líquida ou sólida. A absorción e dispersión da radiación xogan un importante papel climático.

NotasEditar

  1. 1,0 1,1 John Bertie. "John Bertie's Download Site - Spectra" (en inglés). 
  2. 2,0 2,1 J. E. Bertie; Z. Lan (1996). "Infrared Intensities of Liquids XX: The Intensity of the OH Stretching Band of Liquid Water Revisited, and the Best Current Values of the Optical Constants of H2O(l) at 25°C between 15,000 and 1 cm−1". Applied Spectroscopy (en inglés) 50: 1047–1057. Bibcode:1996ApSpe..50.1047B. doi:10.1366/0003702963905385. Consultado o 8 de agosto de 2012. 
  3. 3,0 3,1 3,2 Atomic and Molecular Physics Division, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (ed.). "The HITRAN Database" (en inglés). 
  4. 4,0 4,1 Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CFA), Cambridge, MA, USA; V. E. Zuev Institute of Atmosperic Optics (IAO), Tomsk, Russia (ed.). "Hitran on the Web Information System" (en inglés). 
  5. B. Aringer; F. Kerschbaum; U. G. Jørgensen (2002). "H2O in stellar atmospheres" (PDF). Astronomy and Astrophysics (en inglés) 395: 915–927. Bibcode:2002A&A...395..915A. doi:10.1051/0004-6361:20021313. Consultado o 2012-08-08. 
  6. Richard Brandt. "Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave" (en inglés). 
  7. S. G. Warren; R. E. Brandt (2008). "Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave: A revised compilation" (PDF). Journal of Geophysical Research (en inglés) 113: D14220. Bibcode:2008JGRD..11314220W. doi:10.1029/2007JD009744. Consultado o 8 de agosto de 2012. 
  8. S. G. Warren (1984). "Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave" (PDF). Applied Optics (en inglés) 23: 1206. Bibcode:1984ApOpt..23.1206W. PMID 18204705. doi:10.1364/AO.23.001206. Consultado o 8 de agosto de 2012. 
  9. 9,0 9,1 B. Wozniak; J. Dera (2007). Springer Science+Business Media, ed. Atmospheric and Oceanographic Sciences Library (PDF) (en inglés). ISBN 978-0-387-30753-4. Arquivado dende o orixinal (PDF) o 09 de marzo de 2021. Consultado o 04 de xuño de 2021. 
  10. Iouli E. Gordon; Laurence S. Rothman; Robert R. Gamache; David Jacquemart; Chris Boone; Peter F. Bernathd; Mark W. Shephard; Jennifer S. Delamere; Shepard A. Clough (2007-06-24). "Current updates of the water-vapor line list in HITRAN: A new Diet for air-broadened half-widths" (PDF). Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer (en inglés). Water vapor is the principal absorber of longwave radiation in the terrestrial atmosphere and it has a profound effect on the atmospheric energy budget in many spectral regions. The HITRAN database lists more than 64,000 significant transitions of water vapor ranging from the microwave region to the visible, with intensities that cover many orders of magnitude. These transitions are used, or have to be accounted for, in various remote-sensing applications. 
  11. Colin N. Banwell; Elaine M. McCash (1994). McGraw-Hill, ed. Fundamentals of molecular spectroscopy (en inglés) (4ª ed.). p. 50. ISBN 978-0-07-707976-5. 
  12. A. R. Hoy; P. R. Bunker (1979). "A precise solution of the rotation bending Schrödinger equation for a triatomic molecule with application to the water molecule". Journal of Molecular Spectroscopy (en inglés) 74: 1–8. doi:10.1016/0022-2852(79)90019-5. .
  13. Kazuo Nakamoto (1997). Wiley, ed. Infrared and Raman spectra of inorganic and coordination compounds (en inglés) (5ª ed.). p. 170. ISBN 978-0-47116394-7. 
  14. S. Jacquemoud; S. L. Ustin (2003). "Application of radiative transfer models to moisture content estimation and burned land mapping" (PDF). Joint European Association of Remote Sensing Laboratories (EARSeL) and GOFC/GOLD-Fire Program, 4th Workshop on Forest Fires, Ghent University, Belgium 5--7 June 2003 (en inglés). …in the action spectrum of water the three main peaks near 1400, 1950, and 2500 nm, and two minor ones at 970 and 1200 nm 
  15. 15,0 15,1 15,2 15,3 R. M. Pope; E. S. Fry (1997). "Absorption spectrum (380–700 nm) of pure water. II. Integrating cavity measurements". Applied Optics (en inglés) 36: 8710–8723. Bibcode:1997ApOpt..36.8710P. doi:10.1364/AO.36.008710. 
  16. R. M. Goody; Y. L. Yung (1989). Oxford University Press, ed. Atmospheric Radiation (en inglés). ISBN 0-19-505134-3. 
  17. F. J. Duarte Ed. (1995). Marcel Dekker, ed. Tunable Laser Applications (en inglés). Nova York. ISBN 978-0-8247-8928-2. There are three sets of water-vapor absorption lines in the near-IR spectral region. Those near 730 and 820 nm are useful for lower tropo- spheric measurements, whereas those near 930 nm are useful for upper- tropospheric measurements… 
  18. L. Kou; D. Labrie; P. Chýlek (1993). "Refractive indices of water and ice the 0.65- to 2.5-μm spectral range". Applied Optics 32: 3531–3540. Bibcode:1993ApOpt..32.3531K. PMID 20829977. doi:10.1364/AO.32.003531. 
  19. R. M. Pope; E. S. Fry (1997). "Absorption spectrum (380–700 nm) of pure water. II. Integrating cavity measurements". Applied Optics (en inglés) 36: 8710–8723. doi:10.1364/AO.36.008710. 
  20. L. Kou; D. Labrie; P. Chylek (1993). "Refractive indices of water and ice in the 0.65- to 2.5-μm spectral range". Applied Optics (en inglés) 32: 3531–3540. doi:10.1364/AO.32.003531. 
  21. Martin Chaplin. "Water Structure and Science: Water and Microwaves: Water and Microwaves" (en inglés). Arquivado dende o orixinal o 29 de xullo de 2019. Consultado o 04 de xuño de 2021. 
  22. G. A. Kaatze; R. Behrends; R. Pottel (2002). "Hydrogen network fluctuations and dielectric spectrometry of liquids". Journal of Non-Crystalline Solids (en inglés) 305: 19–29. Bibcode:2002JNCS..305...19K. doi:10.1016/S0022-3093(02)01084-0. 
  23. Ahilleas Maurellis (2003-05-01). Institute of Physics, ed. "The climatic effects of water vapour - physicsworld.com". Physics World. 
  24. University of Chicago (ed.). "South Pole Telescope: South Pole : Why is the telescope at the South Pole?". Arquivado dende o orixinal o 2007-10-15. Quick Answer: Because the South Pole is probably the best place on Earth for this telescope. It is extremely dry, making the atmosphere exceptionally transparent for SPT. 
  25. Culture maritime (ed.). "Les mesures réalisées dans l’espace".