Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Спектр поглощения ( коэффициент затухания в зависимости от длины волны) жидкой воды (красный), [1] [2] [3] атмосферного водяного пара (зеленый) [4] [5] [6] [4] [7] и льда (синий) линия) [8] [9] [10] между 667 нм и 200 мкм. [11] График для пара представляет собой преобразование данных синтетического спектра для газовой смеси « Чистая H 2 O » (296K, 1 атм), полученных из Hitran в информационной системе Интернета. [6]
Спектр поглощения жидкой воды в широком диапазоне длин волн

Поглощение электромагнитного излучения воды зависит от состояния воды.

Поглощения в газовой фазе происходит в трех областях спектра. Вращательные переходы ответственны 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 микроволновом диапазоне. Его слабое поглощение в видимой области спектра приводит к бледно-голубому цвету воды .

Обзор [ править ]

Молекула воды в газообразном состоянии имеет три типа перехода, которые могут вызвать поглощение 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) до более длинных волн в направлении микроволнового диапазона .
  • Колебательные переходы, при которых молекула приобретает квант колебательной энергии. Фундаментальные переходы вызывают поглощение в средней инфракрасной области в областях около 1650 см -1 (полоса μ, 6 мкм) и 3500 см -1 (так называемая полоса X, 2,9 мкм).
  • Электронные переходы, при которых молекула переводится в возбужденное электронное состояние. Наименьший энергетический переход этого типа находится в вакуумной ультрафиолетовой области.

На самом деле колебания молекул в газообразном состоянии сопровождаются вращательными переходами, порождающими колебательно-вращательный спектр. Кроме того, в ближней инфракрасной области возникают колебательные обертоны и комбинированные полосы . В HITRAN спектроскопии списки базы данных более 37000 спектральных линий для газообразного H 2 16 O, начиная от микроволновой области до видимой области спектра . [5] [12]

В жидкой воде вращательные переходы эффективно гасятся, но на полосы поглощения влияет водородная связь . В кристаллическом льду колебательный спектр также зависит от водородных связей, и есть колебания решетки, вызывающие поглощение в далекой инфракрасной области. Электронные переходы газообразных молекул демонстрируют тонкую структуру как колебательного, так и вращательного характера.

Единицы [ править ]

Положения полос инфракрасного поглощения могут быть указаны в масштабе длины волны (обычно в микрометрах , мкм) или волновых чисел (обычно в обратных сантиметрах , см -1 ).

Спектр вращения [ править ]

Часть спектра поглощения водяного пара при чистом вращении
Вращающаяся молекула воды

Молекула воды представляет собой асимметричный волчок , то есть имеет три независимых момента инерции . Слева показан поворот вокруг оси симметрии второго порядка . Из-за низкой симметрии молекулы можно наблюдать большое количество переходов в дальней инфракрасной области спектра. Измерения микроволновых спектров предоставили очень точное значение длины связи O-H , 95,84 ± 0,05 пм, и угла связи H-O-H , 104,5 ± 0,3 °. [13]

Спектр колебаний [ править ]

Три основных колебания молекулы воды
ν 2 , изгиб HOH
1595 см -1 (6,269 мкм)
ν 3 , ОН асимметричное растяжение
3756 см -1 (2,662 мкм)

Молекула воды имеет три основных молекулярных колебания . Валентные колебания ОН приводят к полосам поглощения с полосой происхождением при 3657 см -1 (ν 1 , 2,734 мкм) и 3756 см -1 (ν 3 , 2,662 мкм) в газовой фазе. Асимметричное растягивающее колебание симметрии B 2 в точечной группе C 2v является нормальным колебанием . Источник изгибной моды HOH находится при 1595 см -1 (ν 2 , 6,269 мкм). И симметричные валентные, и изгибные колебания имеют A 1симметрия, но разница частот между ними настолько велика, что смешение фактически равно нулю. В газовой фазе все три полосы демонстрируют обширную вращательную тонкую структуру. [14] В ближнем инфракрасном спектре ν 3 имеет серию обертонов с волновыми числами несколько меньше n · ν 3 , n = 2,3,4,5 ... Комбинированные полосы, такие как ν 2 + ν 3 , также являются легко наблюдается в ближнем инфракрасном диапазоне. [15] [16] Присутствие водяного пара в атмосфере важно для химии атмосферы, особенно потому, что инфракрасные и ближние инфракрасные спектры легко наблюдать.Стандартные (атмосферные оптические) коды присваиваются полосам поглощения 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 на Земле. Атмосфера. [17]

В инфракрасном спектре жидкой воды преобладает интенсивное поглощение из-за фундаментальных валентных колебаний ОН. Из-за высокой интенсивности для записи спектров водных растворов необходимы очень короткие пути, обычно менее 50 мкм. Вращательной тонкой структуры нет, но полосы поглощения шире, чем можно было бы ожидать, из-за водородных связей . [18] Пиковые максимумы для жидкой воды наблюдаются при 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 сделаны из таких веществ, как фторид кальция.которые нерастворимы в воде. В качестве альтернативы эту трудность можно преодолеть, используя устройство с ослабленным полным отражением (ATR), а не передачу .

В ближнем инфракрасном диапазоне жидкая вода имеет полосы поглощения около 1950 нм (5128 см -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, с тем преимуществом, что стекло прозрачно в этой области, поэтому можно использовать стеклянные кюветы. Интенсивность поглощения ниже, чем у основных колебаний, но это не важно, поскольку можно использовать кюветы с большей длиной пути. Полоса поглощения при 698 нм (14300 см -1 ) представляет собой 3-й обертон (n = 4). Он уходит в видимую областьи отвечает за естественный синий цвет воды . Это можно наблюдать с помощью стандартного УФ / видимого спектрофотометра , используя длину пути 10 см. Цвет можно увидеть невооруженным глазом, посмотрев сквозь столб воды длиной около 10 м; вода должна проходить через ультрафильтр, чтобы устранить цвет из-за рэлеевского рассеяния, которое также может сделать воду синей. [16] [21] [22]

Спектр льда аналогичен спектру жидкой воды с максимумами при 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, которые включают растяжение (TS) или изгиб (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) были отнесены к TS, межмолекулярному растяжению и 200 мкм или 50 см -1 (166 мкм, 60 см -1). −1 во льду), до TB, межмолекулярный изгиб [11]

Видимая область [ править ]

Прогнозируемые длины волн обертонов и комбинированных полос жидкой воды в видимой области [16]
ν 1 , ν 3ν 2длина волны / нм
40742
41662
50605
51550
60514
61474
70449
71418
80401
81376

Коэффициенты поглощения для 200 нм и 900 нм почти равны при 6,9 м -1 ( длина затухания 14,5 см). Очень слабое поглощение света в видимой области жидкой водой было измерено с помощью измерителя поглощения интегрирующей полости (ICAM). [16] Поглощение было отнесено к последовательности обертоновых и комбинированных полос, интенсивность которых уменьшается на каждом шаге, приводя к абсолютному минимуму на 418 нм, на этой длине волны коэффициент затухания составляет около 0,0044 м -1 , что является длиной затухания около 227 метров. Эти значения соответствуют чистому поглощению без эффектов рассеяния. Затухание, например, лазерного луча будет немного сильнее.

Спектр поглощения видимого света чистой воды ( коэффициент поглощения в зависимости от длины волны) [16] [21] [22]

Электронный спектр [ править ]

Электронные переходы молекулы воды лежат в области вакуумного ультрафиолета . Для водяного пара полосы были распределены следующим образом. [11]

  • Полоса 65 нм - много разных электронных переходов, фотоионизация , фотодиссоциация
  • дискретные элементы от 115 до 180 нм
    • набор узких полос между 115 и 125 нм
      рядами Ридберга : 1 b 1 (n 2 ) → множество различных состояний Ридберга и 3 a 1 (n 1 ) → 3 sa 1 состояние Ридберга
    • Полоса 128 нм
      ридберговский ряд: 3 a 1 (n 1 ) → 3 sa 1 ридберговское состояние и 1 b 1 (n 2 ) → 3s a 1 ридберговское состояние
    • Полоса 166,5 нм
      1 b 1 (n 2 ) → 4 a 1 (σ 1 * -подобная орбиталь )
По крайней мере, некоторые из этих переходов приводят к фотодиссоциации воды на H + OH. Среди них наиболее известен диапазон 166,5 нм.

Микроволны и радиоволны [ править ]

Диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери воды между 0 ° C и 100 ° C, стрелки показывают эффект повышения температуры [23]
См. Также: Окно радио

Спектр чистого вращения водяного пара простирается в микроволновую область.

Жидкая вода имеет широкий спектр поглощения в микроволновом диапазоне, который был объяснен с точки зрения изменений в сетке водородных связей, приводящих к появлению широкого безликого микроволнового спектра. [24] Поглощение (эквивалентное диэлектрическим потерям ) используется в микроволновых печах для нагрева пищи, содержащей молекулы воды. Обычно используется частота 2,45 ГГц , длина волны 122 мм.

Радиосвязь на частотах ГГц очень затруднена в пресных водах и тем более в соленых водах. [11]

Атмосферные эффекты [ править ]

См. Также: Инфракрасное окно
Спектр поглощения синтетической палочки простой газовой смеси, соответствующей составу атмосферы Земли, на основе данных HITRAN [5], созданных с помощью Hitran в веб-системе. [6] Зеленый цвет - водяной пар, WN - волновое число (осторожно: меньшие длины волн справа, большие слева). Концентрация водяного пара для этой газовой смеси составляет 0,4%.

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 при построении мультиспектральных изображений и гиперспектральных изображений, используемых при 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 . Полюс телескоп Южного был построен в Антарктиде отчасти потому , что высота и низкие температуры там означают , что существует очень мало водяной пар в атмосфере. [26]

Точно так же полосы поглощения углекислого газа возникают 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, которую пропускает водяной пар. Это дополнительное поглощение в атмосфере заставляет воздух немного нагреваться, и чем теплее атмосфера, тем выше ее способность удерживать больше водяного пара. Это дополнительное поглощение водяного пара еще больше усиливает парниковый эффект Земли. [28]

В атмосферном окне между 8000 и 14000 нм, в дальней инфракрасной области спектра, поглощение углекислого газа и воды является слабым. [29] Это окно позволяет излучать большую часть теплового излучения в этом диапазоне в космос прямо с поверхности Земли. Этот диапазон также используется для дистанционного зондирования Земли из космоса, например, для получения тепловых инфракрасных изображений.

Водяной пар не только поглощает излучение, но и иногда испускает излучение во всех направлениях, согласно кривой излучения черного тела для его текущей температуры, наложенной на спектр поглощения воды. Большая часть этой энергии будет возвращена другими молекулами воды, но на больших высотах излучение, направленное в космос, с меньшей вероятностью будет повторно захвачено, поскольку для повторного улавливания излучения с поглощающими длинами волн, специфичными для воды, доступно меньше воды. В верхней части тропосферы , на высоте около 12 км над уровнем моря, большая часть водяного пара конденсируется в жидкую воду или лед, выделяя тепло испарения . После изменения состояния жидкая вода и лед опадают на более низкие высоты. Это будет уравновешено поступающим водяным паром, поднимающимся за счет конвекционных потоков.

Жидкая вода и лед излучают больше излучения, чем водяной пар (см. График выше). Вода в верхней части тропосферы, особенно в жидком и твердом состояниях, охлаждается, поскольку испускает чистые фотоны в космос. Соседние молекулы газа, отличные от воды (например, азота), охлаждаются, кинетически передавая тепло воде. Вот почему температура в верхней части тропосферы (известной как тропопауза ) составляет около -50 градусов по Цельсию.

См. Также [ править ]

  • Диэлектрическая спектроскопия
  • Дифференциальная спектроскопия оптического поглощения
  • Поглощение гидроксильных ионов в оптическом волокне
  • Водная модель

Ссылки [ править ]

  1. ^ Джон Берти. "Сайт загрузки Джона Берти - Spectra" . Проверено 8 августа 2012 года .
  2. ^ Берти JE; Лан З. (1996). «Инфракрасные интенсивности жидкостей XX: пересмотренная интенсивность полосы растяжения OH в жидкой воде и лучшие текущие значения оптических констант H2O (l) при 25 ° C между 15000 и 1 см -1 » . Прикладная спектроскопия . 50 (8): 1047–1057. Bibcode : 1996ApSpe..50.1047B . DOI : 10.1366 / 0003702963905385 . S2CID 97329854 . Проверено 8 августа 2012 . 
  3. ↑ Данные Берти Дж. Э. и Лана 1996. В: Мирослав Йонас, Вверху. Часть. Дисп. Sci. 2007 978-0-9780628-0-4
  4. ^ а б «Спектроскопия атмосферных газов (спектральные базы данных)» . Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН. Архивировано из оригинального 16 апреля 2013 года . Проверено 8 августа 2012 года . ... 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.
  5. ^ a b c "База данных HITRAN" . Отделение атомной и молекулярной физики Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики . Проверено 8 августа 2012 года . HITRAN - это набор спектроскопических параметров, которые используются различными компьютерными кодами для прогнозирования и моделирования передачи и излучения света в атмосфере.
  6. ^ a b c «Hitran в информационной системе Интернета» . Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики (CFA), Кембридж, Массачусетс, США; В.Е. Зуев Институт оптики атмосферы (ИАО), Томск, Россия . Проверено 11 августа 2012 года .
  7. ^ Аринджер Б .; Кершбаум Ф .; Йоргенсен У.Г. (2002). «H 2 O в звездных атмосферах» (PDF) . Астрономия и астрофизика . 395 (3): 915–927. Bibcode : 2002A & A ... 395..915A . DOI : 10.1051 / 0004-6361: 20021313 . Проверено 8 августа 2012 .
  8. ^ Ричард Брандт. «Оптические константы льда от ультрафиолета до микроволн» .
  9. ^ Уоррен SG (1984). «Оптические константы льда от ультрафиолета до микроволн» (PDF) . Прикладная оптика . 23 (8): 1206. Bibcode : 1984ApOpt..23.1206W . DOI : 10,1364 / AO.23.001206 . PMID 18204705 . Проверено 8 августа 2012 .  
  10. ^ Уоррен SG; Брандт RE (2008). «Оптические константы льда от ультрафиолета до микроволн: исправленный сборник» (PDF) . J. Geophys. Res . 113 (D14): D14220. Bibcode : 2008JGRD..11314220W . DOI : 10.1029 / 2007JD009744 . Проверено 8 августа 2012 .
  11. ^ a b c d 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 года .
  12. ^ а б Гордон, Юли Э .; Лоуренс С. Ротман; Роберт Р. Гамаш; Дэвид Жакемар; Крис Бун; Питер Ф. Бернатд; Марк У. Шепард; Дженнифер С. Деламер; Шепард А. Клаф (24.06.2007). «Текущие обновления списка линий водяного пара в HITRAN: новая диета для полуширины, уширенной воздухом» (PDF) . Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения . Проверено 3 ноября 2007 . Водяной пар является основным поглотителем длинноволнового излучения в земной атмосфере и оказывает сильное влияние на энергетический баланс атмосферы во многих спектральных областях. В базе данных HITRAN перечислено более 64 000 значительных переходов водяного пара из микроволнового диапазона в видимый, с интенсивностью, охватывающей многие порядки величины. Эти переходы используются или должны учитываться в различных приложениях дистанционного зондирования.
  13. ^ Banwell, Колин N .; Маккэш, Элейн М. (1994). Основы молекулярной спектроскопии (4-е изд.). Макгроу-Хилл. п. 50. ISBN 978-0-07-707976-5.
  14. ^ a b c Накамото, Кадзуо (1997). Инфракрасные и рамановские спектры неорганических и координационных соединений (5-е изд.). Вайли. п. 170. ISBN 978-0-47116394-7.
  15. ^ a b Jacquemoud, S .; Устин, С.Л. (2003). «Применение моделей переноса излучения для оценки влажности и картографирования сожженных земель» (PDF) . Объединенная европейская ассоциация дистанционного зондирования лаборатории (EARSeL) и GOFC / ЗОЛОТО-Fire программа, четвёртая семинар по лесным пожарам, Университет Гента, Бельгия 5--7 июня 2003 . Проверено 15 октября 2008 . ... в спектре действия воды три основных пика около 1400, 1950 и 2500 нм и два второстепенных при 970 и 1200 нм
  16. ^ a b c d e Папа РМ; Фрай ES (1997). «Спектр поглощения (380–700 нм) чистой воды. II. Интегрирующие измерения полости». Прикладная оптика . 36 (33): 8710–8723. Bibcode : 1997ApOpt..36.8710P . DOI : 10,1364 / AO.36.008710 . PMID 18264420 . 
  17. Перейти ↑ Duarte, FJ, отредактировано (1995). Настраиваемые лазерные приложения . Нью-Йорк: М. Деккер. ISBN 978-0-8247-8928-2. В ближней ИК-области спектра имеется три набора линий поглощения водяного пара. Области около 730 и 820 нм полезны для измерений в нижней тропосфере, тогда как около 930 нм полезны для измерений в верхней тропосфере ...
  18. ^ Чаплин, Мартин (2007-10-28). «Спектр водопоглощения» . Проверено 4 ноября 2007 . В жидкости вращения, как правило, ограничиваются водородными связями, что дает либрации. 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.
  19. ^ Картер, Джорджия; Маккейн, округ Колумбия (1993). «Связь спектрального отражения листьев с содержанием воды в хлоропластах, определенная с помощью ЯМР-микроскопии» . Дистанционное зондирование окружающей среды . 46 (3): 305–310. Bibcode : 1993RSEnv..46..305C . DOI : 10.1016 / 0034-4257 (93) 90050-8 . Проверено 31 октября 2007 . Отражательная реакция на содержание воды в листьях была наибольшей в полосах поглощения воды около длин волн 1450 нм, 1950 нм и 2500 нм.
  20. ^ Россель, РАВ; Макбрэтни, AB (1998). «Лабораторная оценка метода проксимального зондирования для одновременного измерения содержания глины и воды в почве». Геодермия . 85 (1): 19–39. Bibcode : 1998 Geode..85 ... 19V . DOI : 10.1016 / S0016-7061 (98) 00023-8 . сильные полосы поглощения групп ОН в почвенной воде около 1450, 1950 и 2500 нм.
  21. ^ a b Kou L .; Labrie D .; Хилек П. (1993). «Показатели преломления воды и льда в спектральном диапазоне от 0,65 до 2,5 мкм». Прикладная оптика . 32 (19): 3531–3540. Bibcode : 1993ApOpt..32.3531K . DOI : 10,1364 / AO.32.003531 . PMID 20829977 . 
  22. ^ a b Данные Pope RM и Fry 1997 г. и Kou L et al. 1993. В: Мирослав Йонас, Top. Часть. Дисп. Sci. 2007 978-0-9780628-0-4
  23. ^ Чаплин, Мартин. «Вода и микроволновые печи» . Структура воды и наука .
  24. ^ Каатце, Джорджия; Behrends, R .; Поттель, Р. (2002). «Колебания водородной сети и диэлектрическая спектрометрия жидкостей». J. Non-Cryst. Твердые тела . 305 (1–3): 19–29. Bibcode : 2002JNCS..305 ... 19K . DOI : 10.1016 / S0022-3093 (02) 01084-0 .
  25. ^ a b Мореллис, Ахиллеас (01.05.2003). «Климатические эффекты водяного пара - Physicsworld.com» . Мир физики . Институт физики . Проверено 18 февраля 2019 .
  26. ^ "Телескоп Южного полюса: Южный полюс: Почему телескоп находится на Южном полюсе?" . Чикагский университет . Архивировано из оригинала на 2007-10-15 . Проверено 3 ноября 2007 . Быстрый ответ: потому что Южный полюс, вероятно, лучшее место на Земле для этого телескопа. Он очень сухой, что делает атмосферу исключительно прозрачной для SPT.
  27. ^ Прието-Бланко, Ана; Питер Р.Дж. Норт; Найджел Фокс; Майкл Дж. Барнсли. «Спутниковая оценка параметров поверхности / атмосферы: исследование чувствительности» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 26 июля 2011 года . Проверено 31 октября 2007 . ... полосы поглощения воды (около 940 нм, 1100 нм, 1450 нм, 1950 нм и 2500 нм) и полосы поглощения углекислого газа (1400 нм, 1600 нм и 2000 нм) ...
  28. ^ "Исследование EO: есть ли у Земли аналог радужной оболочки" . НАСА . 2002-06-17 . Проверено 4 ноября 2007 .
  29. ^ Коттон, Уильям (2006). Влияние человека на погоду и климат . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-84086-6. Небольшое поглощение очевидно в области, называемой атмосферным окном, между 8 и 14 мкм.

Внешние ссылки [ править ]

  • Моделирование газофазной абсорбции с высоким разрешением
  • Спектр водопоглощения (Мартин Чаплин) (Эта ссылка не работает. Требуется новый источник)