Infraroodvenster - Infrared window

Image
Als het grootste deel van het 'venster'-spectrum, is een duidelijk elektromagnetisch spectraal transmissievenster te zien tussen 8 en 14 μm. Een gefragmenteerd deel van het 'raam'-spectrum (je zou kunnen zeggen een van lamellen voorzien deel van het' raam ') is ook te zien in het zichtbare tot middengolflengte-infrarood tussen 0,2 en 5,5 μm.

Het atmosferische infraroodvenster verwijst naar een gebied van het infraroodspectrum waar er relatief weinig absorptie van aardse thermische straling door atmosferische gassen is. Het raam speelt een belangrijke rol bij het atmosferische broeikaseffect door het evenwicht te bewaren tussen inkomende zonnestraling en uitgaande IR naar de ruimte. In de atmosfeer van de aarde is dit venster ruwweg het gebied tussen 8 en 14 μm, hoewel het soms en op plaatsen met een hoge luchtvochtigheid kan worden versmald of gesloten vanwege de sterke absorptie in het waterdampcontinuüm of vanwege blokkering door wolken. Het beslaat een substantieel deel van het spectrum van thermische emissie aan het oppervlak dat begint bij ongeveer 5 μm . In principe is het een grote opening in het absorptiespectrum van waterdamp. Kooldioxide speelt een belangrijke rol bij het bepalen van de grens aan het uiteinde van de lange golflengte. Ozon blokkeert gedeeltelijk de transmissie in het midden van het raam.

Het belang van het infrarode atmosferische venster in de atmosferische energiebalans werd in 1928 ontdekt door George Simpson , gebaseerd op G. Hettner's 1918 laboratoriumstudies van de kloof in het absorptiespectrum van waterdamp. In die tijd waren computers niet beschikbaar, en Simpson merkt op dat hij benaderingen gebruikte; hij schrijft over de noodzaak hiervan om uitgaande IR-straling te berekenen: 'Er is geen hoop op een exacte oplossing; maar door geschikte vereenvoudigende aannames te doen ...' Tegenwoordig zijn nauwkeurige berekeningen per regel mogelijk en zijn er zorgvuldige studies van de spectroscopie van infrarode atmosferische gassen gepubliceerd.

Mechanismen in het atmosferische infraroodvenster

De belangrijkste natuurlijke broeikasgassen in volgorde van belangrijkheid zijn waterdamp H
2 O , kooldioxide CO
2 , ozon O
3 , methaan CH
4 en lachgas N
2 O . De concentratie van de minst voorkomende hiervan, N
2 O , is ongeveer 400 ppbV. Andere gassen die bijdragen aan het broeikaseffect zijn aanwezig op pptV-niveaus. Deze omvatten de chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK's) en fluorkoolwaterstoffen (HFK's en HCFK's). Zoals hieronder wordt besproken, is een belangrijke reden dat ze zo effectief zijn als broeikasgassen, dat ze sterke trillingsbanden hebben die in het infrarode atmosferische venster vallen. IR-absorptie door CO
2 bij 14,7 μm stelt de lange golflengtelimiet van het infrarode atmosferische venster samen met absorptie door rotatieovergangen van H
2 O bij iets langere golflengten. De korte golflengtegrens van het atmosferische IR-venster wordt bepaald door absorptie in de trillingsbanden met de laagste frequentie van waterdamp. Er is een sterke ozonband van 9,6 μm in het midden van het raam en daarom werkt het als zo'n sterk broeikasgas. Waterdamp heeft een continue absorptie als gevolg van botsingsverbreding van absorptielijnen die zich door het raam uitstrekken. Plaatselijke zeer hoge luchtvochtigheid kan het infrarood trillingsvenster volledig blokkeren.

Boven het Atlasgebergte tonen interferometrisch geregistreerde spectra van uitgaande langegolfstraling emissie die is ontstaan ​​vanaf het landoppervlak bij een temperatuur van ongeveer 320 K en door het atmosferische raam is gegaan, en niet-raamemissie die voornamelijk is ontstaan ​​uit de troposfeer bij temperaturen rond 260 K.

Boven Ivoorkust tonen interferometrisch opgenomen spectra van uitgaande langegolfstraling emissie die is ontstaan ​​uit de wolkentoppen bij een temperatuur van ongeveer 265 K en door het atmosferische raam is gegaan, en niet-raamemissie die voornamelijk is ontstaan ​​uit de troposfeer bij temperaturen ongeveer 240 K. Dit betekent dat, bij het nauwelijks geabsorbeerde continuüm van golflengten (8 tot 14 μm), de straling die door het aardoppervlak in een droge atmosfeer en door de wolkentoppen wordt uitgezonden, meestal niet geabsorbeerd door de atmosfeer gaat, en rechtstreeks naar de ruimte uitgezonden; er is ook een gedeeltelijke raamtransmissie in ver-infrarood spectraallijnen tussen ongeveer 16 en 28 μm. Wolken zijn uitstekende emitters van infraroodstraling. Raamstraling van wolkentoppen ontstaat op hoogten waar de luchttemperatuur laag is, maar gezien vanaf die hoogten is het waterdampgehalte van de lucht erboven veel lager dan dat van de lucht aan het land-zeeoppervlak. Bovendien neemt het continue absorptievermogen van waterdamp, molecuul voor molecuul, af naarmate de druk afneemt. Waterdamp boven de wolken is dus niet alleen minder geconcentreerd, maar ook minder absorberend dan waterdamp op lagere hoogten. Dientengevolge is het effectieve raam gezien vanaf de hoogte van de wolkentop meer open, met als resultaat dat de wolkentoppen in feite sterke bronnen van raamstraling zijn; dat wil zeggen dat de wolken in feite het raam slechts in geringe mate belemmeren (zie een andere mening hierover, voorgesteld door Ahrens (2009) op pagina 43).

Belang voor het leven

Zonder het atmosferische infraroodvenster zou de aarde veel te warm worden om leven te ondersteunen, en mogelijk zo warm dat ze haar water zou verliezen, zoals Venus vroeg in de geschiedenis van het zonnestelsel . Het bestaan ​​van een atmosferisch raam is dus van cruciaal belang voor de aarde die een bewoonbare planeet blijft .

Gevaren

In de afgelopen decennia is het bestaan ​​van het atmosferische infraroodvenster bedreigd door de ontwikkeling van zeer niet-reactieve gassen die bindingen bevatten tussen fluor en koolstof , zwavel of stikstof . De impact van deze verbindingen werd voor het eerst ontdekt door de Indiaas-Amerikaanse atmosferische wetenschapper Veerabhadran Ramanathan in 1975, een jaar na het veel meer gevierde artikel van Roland en Molina over het vermogen van chloorfluorkoolwaterstoffen om ozon in de stratosfeer te vernietigen .

De 'rekfrequenties' van bindingen tussen fluor en andere lichte niet-metalen zijn zodanig dat sterke absorptie in het atmosferische venster altijd kenmerkend zal zijn voor verbindingen die dergelijke bindingen bevatten, hoewel fluoriden van niet-metalen anders dan koolstof, stikstof of zwavel van korte duur zijn vanwege hydrolyse . Deze absorptie wordt versterkt omdat deze bindingen zeer polair zijn vanwege de extreme elektronegativiteit van het fluoratoom. Bindingen aan andere halogenen absorberen ook in het atmosferische venster, zij het veel minder sterk.

Bovendien betekent de niet-reactieve aard van dergelijke verbindingen, waardoor ze zo waardevol zijn voor veel industriële doeleinden, dat ze niet kunnen worden verwijderd in de natuurlijke circulatie van de lagere atmosfeer van de aarde. Extreem kleine natuurlijke bronnen gecreëerd door middel van radioactieve oxidatie van fluoriet en daaropvolgende reactie met sulfaat- of carbonaatmineralen produceren via ontgassing atmosferische concentraties van ongeveer 40 ppt voor alle perfluorkoolwaterstoffen en 0,01 ppt voor zwavelhexafluoride, maar het enige natuurlijke plafond is via fotolyse in de mesosfeer en bovenste stratosfeer. Zo wordt geschat dat perfluorkoolwaterstoffen ( CF
4 , C
2 F.
6 , C
3 F.
8 ) kunnen tussen tweeduizend zeshonderdvijftigduizend jaar in de atmosfeer blijven.

Dit betekent dat dergelijke verbindingen een enorm aardopwarmingsvermogen hebben . Een kilo zwavelhexafluoride veroorzaakt bijvoorbeeld evenveel opwarming als 23 ton kooldioxide gedurende 100 jaar. Perfluorkoolwaterstoffen zijn in dit opzicht vergelijkbaar, en zelfs tetrachloorkoolstof ( CCl
4 ) heeft een aardopwarmingsvermogen van 1800 vergeleken met kooldioxide. Deze verbindingen blijven nog steeds zeer problematisch en er wordt voortdurend naar gestreefd om vervangende stoffen te vinden.

Zie ook

Referenties

Boeken

Externe links