Infrarött fönster - Infrared window
Det infraröda atmosfärsfönstret hänvisar till en region av det infraröda spektrumet där det finns relativt liten absorption av terrestrisk termisk strålning av atmosfäriska gaser. Fönstret spelar en viktig roll i den atmosfäriska växthuseffekten genom att bibehålla balansen mellan inkommande solstrålning och utgående IR till rymden. I jordens atmosfär är detta fönster ungefär regionen mellan 8 och 14 μm, även om det kan begränsas eller stängas ibland och på platser med hög luftfuktighet på grund av den starka absorptionen i vattenångkontinuiteten eller på grund av blockering av moln. Det täcker en betydande del av spektrumet från ytvärmeemission som börjar på ungefär 5 μm . I princip är det ett stort gap i absorptionsspektrumet för vattenånga. Koldioxid spelar en viktig roll för att sätta gränsen vid den långa våglängdsänden. Ozon blockerar delvis överföring i mitten av fönstret.
Betydelsen av det infraröda atmosfäriska fönstret i den atmosfäriska energibalansen upptäcktes av George Simpson 1928, baserat på G. Hettners laboratorieundersökningar 1918 av klyftan i absorptionsspektrumet för vattenånga. På den tiden var datorer inte tillgängliga, och Simpson konstaterar att han använde approximationer; han skriver om behovet av detta för att beräkna utgående IR-strålning: "Det finns inget hopp om att få en exakt lösning, utan genom att göra lämpliga förenklade antaganden ..." Nuförtiden är noggranna beräkningar möjliga, och noggranna studier av spektroskopi av infraröda atmosfäriska gaser har publicerats.
Mekanismer i det infraröda atmosfäriska fönstret
De viktigaste naturliga växthusgaserna i ordning efter deras betydelse är vattenånga H
2 O , koldioxid CO
2 , ozon O
3 , metan CH
4 och dikväveoxid N
2 O . Koncentrationen av den minst vanliga av dessa, N
2 O , är cirka 400 ppbV. Andra gaser som bidrar till växthuseffekten finns på pptV-nivåer. Dessa inkluderar klorfluorkolväten (CFC) och fluorkolväten (HFC och HCFC). Som diskuteras nedan är en viktig anledning till att de är så effektiva som växthusgaser att de har starka vibrationsband som faller i det infraröda atmosfäriska fönstret. IR-absorption med CO
2 vid 14,7 μm anger den långa våglängdsgränsen för det infraröda atmosfäriska fönstret tillsammans med absorption genom rotationsövergångar av H
2 O vid något längre våglängder. Den korta våglängdsgränsen för det atmosfäriska IR-fönstret ställs in genom absorption i de lågfrekventa vibrationsbanden för vattenånga. Det finns ett starkt ozonband vid 9,6 μm i mitten av fönstret och det är därför det fungerar som en så stark växthusgas. Vattenånga har en kontinuerlig absorption på grund av kollisionsutvidgning av absorptionslinjer som sträcker sig genom fönstret. Lokal mycket hög luftfuktighet kan helt blockera det infraröda vibrationsfönstret.
Över Atlasbergen visar interferometriskt inspelade spektra av utgående långvågstrålning utsläpp som har uppstått från landytan vid en temperatur på cirka 320 K och passerat genom det atmosfäriska fönstret och icke-fönsteremission som huvudsakligen har uppstått från troposfären vid temperaturer omkring 260 K.
Över Elfenbenskusten visar interferometriskt inspelade spektra av utgående långvågstrålning utsläpp som har uppstått från molntopparna vid en temperatur av cirka 265 K och passerat genom det atmosfäriska fönstret, och icke-fönsteremission som huvudsakligen har uppstått från troposfären vid temperaturer cirka 240 K. Detta innebär att strålningen som utsänds från jordytan till en torr atmosfär och av molntopparna, vid det knappt absorberade kontinuiteten av våglängder (8 till 14 μm), oftast går oabsorberad genom atmosfären och är släpps ut direkt till rymden; det finns också partiell fönstertransmission i långt infraröda spektrallinjer mellan cirka 16 och 28 μm. Moln är utmärkta sändare av infraröd strålning. Fönsterstrålning från molntoppar uppstår vid höjder där lufttemperaturen är låg, men sett från dessa höjder är vattenångens innehåll i luften ovanför mycket lägre än luftens vid havsytan. Dessutom minskar vattenångans kontinuerliga absorptionsförmåga, molekyl för molekyl, med tryckminskning. Således är vattenånga ovanför molnen, förutom att vara mindre koncentrerad, också mindre absorberande än vattenånga vid lägre höjder. Följaktligen är det effektiva fönstret sett från molnhöjderna mer öppet, med resultatet att molntopparna är effektivt starka fönsterstrålningskällor; det vill säga i själva verket hindrar molnen fönstret endast i liten utsträckning (se en annan åsikt om detta, föreslagen av Ahrens (2009) på sidan 43).
Vikt för livet
Utan det infraröda atmosfäriska fönstret skulle jorden bli alltför varm för att stödja livet och möjligen så varmt att den skulle förlora sitt vatten, som Venus gjorde tidigt i solsystemets historia. Således är förekomsten av ett atmosfäriskt fönster avgörande för att jorden förblir en beboelig planet .
Hot
Under de senaste decennierna har förekomsten av det infraröda atmosfäriska fönstret hotats av utvecklingen av mycket oreaktiva gaser som innehåller bindningar mellan fluor och kol , svavel eller kväve . Effekterna av dessa föreningar upptäcktes först av den indisk-amerikanska atmosfärforskaren Veerabhadran Ramanathan 1975, ett år efter Roland och Molinas mycket mer berömda artikel om klorfluorkolvätenas förmåga att förstöra stratosfärisk ozon .
"Sträckningsfrekvenserna" för bindningar mellan fluor och andra lätta icke-metaller är sådana att stark absorption i det atmosfäriska fönstret alltid kommer att vara karakteristisk för föreningar som innehåller sådana bindningar, även om fluorider av andra metaller än kol, kväve eller svavel är kortlivade på grund av hydrolys. . Denna absorption stärks eftersom dessa bindningar är mycket polära på grund av den extrema elektronegativiteten hos fluoratomen. Obligationer till andra halogener absorberas också i det atmosfäriska fönstret, men mycket mindre starkt.
Dessutom innebär den oreaktiva naturen hos sådana föreningar som gör dem så värdefulla för många industriella ändamål att de inte kan tas bort i den naturliga cirkulationen av jordens lägre atmosfär. Extremt små naturliga källor skapade genom radioaktiv oxidation av fluorit och efterföljande reaktion med sulfat- eller karbonatmineraler producerar genom avgasning av atmosfäriska koncentrationer på cirka 40 ppt för alla perfluorkolväten och 0,01 ppt för svavelhexafluorid, men det enda naturliga taket är via fotolys i mesosfären och övre stratosfären. Det uppskattas till exempel att perfluorkolväten ( CF
4 , C
2 F
6 , C
3 F
8 ) kan stanna i atmosfären i mellan två tusen sex hundra och femtio tusen år.
Detta innebär att sådana föreningar har en enorm global uppvärmningspotential . Ett kilo svavelhexafluorid kommer till exempel att orsaka så mycket uppvärmning som 23 ton koldioxid under 100 år. Perfluorkolväten är lika i detta avseende och även koltetraklorid ( CCl
4 ) har en global uppvärmningspotential på 1800 jämfört med koldioxid. Dessa föreningar är fortfarande mycket problematiska med ett kontinuerligt försök att hitta ersättare för dem.
Se även
Referenser
Böcker
- Mihalas, D .; Weibel-Mihalas, B. (1984). Grunden för strålningshydrodynamik . Oxford University Press. ISBN 0-19-503437-6 .
