Absorpsjon av elektromagnetisk stråling av vann

Den absorpsjon av elektromagnetisk stråling av vann avhenger av dens tilstand: væske, damp eller is.

Den absorbsjon i gassen er til stede i tre regioner av den elektromagnetiske spektrum . De rotasjons overganger i molekylet handling i mikrobølgeovn , og langt infrarød domene . De vibrasjons overganger opptrer i mediet, og nær det infrarøde. De tilsvarende båndene har en fin struktur knyttet til rotasjon. De elektroniske overgangene påvirker det ultrafiolette området .

Væskefasen er uten rotasjonsspektrum, men absorberes i lange bølgelengder. Den lave synlige absorpsjonen i området 400 - 500 nm gir vann den blå fargen.

Alle vannfasene spiller en viktig rolle i Jordens strålingsbalanse som bidrar til klimaet . De utgjør et hinder for astronomisk observasjon eller observasjon av jordoverflaten fra verdensrommet, men bidrar til kunnskap om atmosfæren ved fjernmåling.

Oversikt over emnet

Vannmolekylet i damptilstand har tre typer overganger som fører til absorpsjon:

Vibrasjonen ledsages av rotasjonsoverganger som gir et rotasjons-vibrasjonsspektrum . I tillegg vises delene i nær IR. HITRAN- databasen viser over 64 000 overganger.

I flytende vann forsvinner rotasjonsovergangene, men båndene knyttet til hydrogenbindinger vises.

I is blir rotasjonsspekteret også modifisert av hydrogenbindinger, og i tillegg vises optiske fononer i IR. Elektroniske overganger viser en fin struktur knyttet til vibrasjons- og rotasjonsoverganger.

Rotasjonsspektrum

Vannmolekylet er en asymmetrisk roterende topp med sine tre forskjellige treghetsmomenter . På grunn av fraværet av symmetri kan et stort antall overganger observeres i det nærmeste IR-domenet. Den nøyaktige målingen av mikrobølgeovnens spektrum gjorde det mulig å fiksere lengden på O-H-bindingen til 95,84 ± 0,05 um og vinkelen H-O-H til 104,5 ± 0,3 grader. Den ab initio beregningen gir en verdi av 104.4776 grader.

Vibrasjonsspekter

Vannmolekylet har tre grunnleggende moduser for molekylær vibrasjon . Skjærvibrasjonsmodusene til O-H fører til absorpsjonsbånd som har et båndhode på 3657 cm -1 (ν 1 , 2.734 μm) og 3756 cm -1 (ν 3 , 2.662 μm) i gassfasen. Den asymmetriske rotasjonssymmetri- vibrasjonen C 2v er en normal vibrasjonsmåte. Skjæremodus H - O - H begynner ved 1595 cm −1 (v 2 , 6,269 μm). Selv om skjær og forlengelses modi har samme symmetri A 1 , deres spektra ikke overlapper hverandre. I de tre båndene observerer vi en fin rotasjonsstruktur. ν 3 har en rekke partialer ved bølgetall mindre enn n ν 3 , n = 2,3,4,5 ... Overlappinger som ν 2 + ν 3 er synlige i nær IR.

Tilstedeværelsen av vanndamp i atmosfæren spiller en viktig rolle, spesielt i det infrarøde området. Standardmodeller bruker absorpsjonsbånd ved 0,718 μm (synlig), 0,810 μm (α-bånd), 0,935 μm μ-bånd), 1,13 μm (ρστ-bånd), 1,38 μm (φ-bånd), 1,88 μm (ψ-bånd), 2,68 μm (Ω) bånd), 2,90 μm (X-bånd). Hullene mellom disse båndene definerer gjennomvinduene i jordens atmosfære .

Vann i den synlige regionen

Bølgelengder beregnet for delene av bånd og deres overlagringer for flytende vann i det synlige.
v 1 , v 3 ν 2 bølgelengde / 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

Målinger av absorpsjon i det synlige med en integrerende kavitetsabsorpsjonsmåler (ICAM) gjorde det mulig å tilskrive dette til en serie av partielle bånd og overlapp av synkende intensitet på hvert trinn, noe som ga minimum 418 nm, verdi hvor absorpsjonskoeffisienten er 0,0044 m −1 . Denne verdien tilsvarer en gjennomsnittlig fri sti på 227 meter.

Mikrobølgeovn og radiobølger

Rotasjonsspekteret strekker seg til mikrobølgeområdet. Absorpsjon skjer i et bredt spekter uten singulariteter, tilskrevet hydrogenbinding.

Denne egenskapen brukes i mikrobølgeovner som vanligvis bruker ISM-båndet ved 2,45 GHz (bølgelengde 122 mm).

På den annen side utgjør det en vanskelighet for kommunikasjon under vann, spesielt siden det oppløste saltet øker absorpsjonen.

Vanndamp i atmosfæren

Vanndamp er en klimagass som bidrar med 70% til solabsorpsjonen i atmosfæren og rundt 60% av strålingen som slippes ut av overflaten (unntatt diffusjon av væske eller faste partikler). Det utgjør et viktig element i spektralbildet som brukes i fjernmåling fordi absorpsjonen er variabel med kanalen . Det er også av betydning i radio astronomi og infrarød astronomi . Den sørpolteleskopet ble bygget i Antarktis på grunn av det lave innhold av vanndamp på grunn av de lave temperaturer.

Det nærmeste IR-vinduet mellom 8 og 14 μm brukes til infrarød avbildning av jordoverflaten fra bane. Absorpsjon og utslipp kan også være en ressurs for ex situ måling fra en satellitt .

I høyde eksisterer vann i flytende eller fast form. Absorpsjon og spredning av stråling spiller en viktig klimarolle.

Referanser

  1. (in) John Bertie, "  John Berties nedlastingsside - Spectra  "
  2. (no) JE Bertie og Z. Lan, “  Infrarød intensitet av væsker XX: Intensiteten til OH Stretching Band of Liquid Water Revisited, and the Best Current Values ​​of the Optical Constants of H2O (l) at 25 ° C mellom 15.000 og 1 cm −1  ” , anvendt spektroskopi , vol.  50, n o  8,1996, s.  1047–1057 ( DOI  10.1366 / 0003702963905385 , Bibcode  1996ApSpe..50.1047B , les online , åpnet 8. august 2012 )
  3. (en) "  The HITRAN Database  " , Atomic and Molecular Physics Division, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
  4. (i) "  HITRAN on the Web Information System  " , Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CFA), Cambridge, MA, USA; VE Zuev Institute of Atmosperic Optics (IAO), Tomsk, Russland
  5. (en) B. Aringer, F. Kerschbaum og UG Jørgensen, "  H 2 O in stellar atmospheres  " , Astronomy & Astrophysics , vol.  395, n o  3,2002, s.  915–927 ( DOI  10.1051 / 0004-6361: 20021313 , Bibcode  2002A & A ... 395..915A , les online , åpnet 8. august 2012 )
  6. (in) Richard Brandt, "  Optisk konstant av is fra ultrafiolett til mikrobølgeovn  "
  7. (i) SG og RE Warren Brandt, "  Optisk konstant av is fra ultrafiolett til mikrobølgeovn: En revidert samling  " , Journal of Geophysical Research , vol.  113, n o  D142008, D14220 ( DOI  10.1029 / 2007JD009744 , Bibcode  2008JGRD..11314220W , lest online , åpnet 8. august 2012 )
  8. (i) SG Warren, "  Optisk konstant av is fra ultrafiolett til mikrobølgeovn  " , Applied Optics , Vol.  23, n o  8,1984, s.  1206 ( PMID  18204705 , DOI  10.1364 / AO.23.001206 , Bibcode  1984ApOpt..23.1206W , lest online , åpnet 8. august 2012 )
  9. (en) B. Wozniak og J. Dera, Atmospheric and Oceanographic Sciences Library , Springer Science + Business Media ,2007( ISBN  978-0-387-30753-4 , les online )
  10. (i) Yuli E. Gordon, Laurence S. Rothman, Robert R. Gamache, David Jacquemart, Chris Boone, Peter F. Bernathd, Mark W. Shephard Jennifer S. Delamere og Shepard A. Clough, "  Aktuelle oppdateringer av vannet -dampslinjeliste i HITRAN: En ny diett for luftbredte halvbredder  ” , på Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer ,24. juni 2007 : "  Vanndamp er den viktigste absorbereren av langbølget stråling i den terrestriske atmosfæren og har en dyp effekt på det atmosfæriske energibudsjettet i mange spektrale regioner. HITRAN-databasen lister opp mer enn 64 000 betydelige overganger av vanndamp fra mikrobølgeområdet til det synlige, med intensiteter som dekker mange størrelsesordener. Disse overgangene brukes, eller må redegjøres for, i forskjellige fjernopplevelsesapplikasjoner.  "
  11. (in) Colin N. Banwell og Elaine M. McCash, Fundamentals of molecular spectroscopy , McGraw-Hill ,1994( ISBN  978-0-07-707976-5 ) , s.  50
  12. (in) AR Hoy og PR Bunker, "  En presis løsning av Schrödinger-ligningen som roterer bøying for et triatomisk molekyl med påføring på vannmolekylet  " , Journal of Molecular Spectroscopy , Vol.  74,1979, s.  1–8 ( DOI  10.1016 / 0022-2852 (79) 90019-5 ).
  13. (in) Kazuo Nakamoto , Infrarød og Raman-spektre av uorganiske og koordinerende forbindelser , Wiley ,1997( ISBN  978-0-47116394-7 ) , s.  170
  14. (in) S. Jacquemoud og SL Ustin, "  Application of radiative transfer models to estim fuktighetsinnhold og brent landkartlegging  " , Joint European Association of Remote Sensing Laboratories (EARSeL) og GOFC / GOLD-Fire Program, 4. workshop om skogbranner , Ghent University, Belgia 5.- 7. juni 2003 ,2003( les online ) :

    "  ... i handlingsspekteret av vann de tre hovedtoppene i nærheten av 1400, 1950 og 2500 nm, og to mindre ved 970 og 1200 nm  "
  15. (en) RM Pope and ES Fry, “  Absorpsjonsspektrum (380–700 nm) av rent vann. II. Integrering av hulromålinger  ” , Applied Optics , vol.  36, n o  33,1997, s.  8710–8723 ( DOI  10.1364 / AO.36.008710 , Bibcode  1997ApOpt..36.8710P )
  16. (in) RM Goody og YL Yung, atmosfærisk stråling , Oxford University Press ,1989( ISBN  0-19-505134-3 )
  17. (in) FJ Duarte Ed. , Tunable Laser Applications , New York, Marcel Dekker ,1995( ISBN  978-0-8247-8928-2 ) :

    “  Det er tre sett med vanndampabsorpsjonslinjer i det nær-IR spektrale området. De nær 730 og 820 nm er nyttige for lavere troposfæriske målinger, mens de nær 930 nm er nyttige for øvre troposfæriske målinger ...  "
  18. L. Kou, D. Labrie og P. Chýlek, "  Brytningsindekser for vann og is på 0,65 til 2,5 mikrometer spektralområdet  ", Applied Optics , vol.  32, n o  19,1993, s.  3531–3540 ( PMID  20829977 , DOI  10.1364 / AO.32.003531 , Bibcode  1993ApOpt..32.3531K )
  19. (no) RM ES Pope and Fry, "  Absorpsjonsspektrum (380-700 nm) av rent vann. II. Integrerende hulromålinger  ” , Applied Optics , vol.  36, n o  33,1997, s.  8710-8723 ( DOI  10.1364 / AO.36.008710 )
  20. (in) L. Kou, D. og P. Labrie Chylek, "  Brytningsindeks for vann og is i spektralområdet 0,65 til 2,5 mikron  " , Applied Optics , Vol.  32, n o  19,1993, s.  3531-3540 ( DOI  10.1364 / AO.32.003531 )
  21. (i) Martin Chaplin, "  Water Structure and Science: Water and Microwaves  "
  22. (en) GA Kaatze, R. og R. Behrends Pottel, "  Hydrogen network fluctuations and dielectric spectrometry of liquids  " , of the Journal Non-Crystalline Solids , vol.  305, n bein  1-3,2002, s.  19–29 ( DOI  10.1016 / S0022-3093 (02) 01084-0 , Bibcode  2002JNCS..305 ... 19K )
  23. Ahilleas Maurellis, “  De klimatiske effektene av vanndamp - physicsworld.com  ” , på Physics World , Institute of Physics ,1 st mai 2003
  24. "  sørpolteleskopet: Sydpolen: Hvorfor er teleskopet på Sydpolen?  " [ Arkiv av15. oktober 2007] , University of Chicago  :"Rask svar: Fordi Sydpolen sannsynligvis er det beste stedet på jorden for dette teleskopet. Det er ekstremt tørt, noe som gjør atmosfæren usedvanlig gjennomsiktig for SPT. "
  25. "  Målinger utført i verdensrommet  " , om maritim kultur

Se også