Janela infravermelha - Infrared window

Como a parte principal do espectro de 'janela', uma 'janela' de transmissão espectral eletromagnética clara pode ser vista entre 8 e 14 μm. Uma parte fragmentada do espectro de 'janela' (pode-se dizer uma parte com venezianas da 'janela') também pode ser vista no infravermelho visível a médio comprimento de onda entre 0,2 e 5,5 μm.

A janela atmosférica infravermelha se refere a uma região do espectro infravermelho onde há relativamente pouca absorção da radiação térmica terrestre pelos gases atmosféricos. A janela desempenha um papel importante no efeito estufa atmosférico, mantendo o equilíbrio entre a radiação solar que entra e o infravermelho que sai para o espaço. Na atmosfera terrestre, esta janela está aproximadamente na região entre 8 e 14 μm, embora possa ser estreitada ou fechada em momentos e locais de alta umidade devido à forte absorção no contínuo de vapor de água ou devido ao bloqueio por nuvens. Ele cobre uma parte substancial do espectro da emissão térmica da superfície, que começa em cerca de 5 μm . Principalmente, é uma grande lacuna no espectro de absorção do vapor de água. O dióxido de carbono desempenha um papel importante no estabelecimento do limite no final do comprimento de onda longo. O ozônio bloqueia parcialmente a transmissão no meio da janela.

A importância da janela atmosférica infravermelha no balanço de energia atmosférica foi descoberta por George Simpson em 1928, com base nos estudos de laboratório de G. Hettner em 1918 sobre a lacuna no espectro de absorção de vapor d'água. Naquela época, os computadores não estavam disponíveis, e Simpson observa que usava aproximações; ele escreve sobre a necessidade disso para calcular a radiação IV de saída: "Não há esperança de obter uma solução exata; mas fazendo suposições simplificadoras adequadas..." Hoje em dia, cálculos precisos linha por linha são possíveis, e estudos cuidadosos da espectroscopia de gases atmosféricos infravermelhos foram publicados.

Mecanismos na janela atmosférica infravermelha

Os principais gases de efeito estufa naturais em ordem de importância são o vapor d'água H
2 O , dióxido de carbono CO
2 , ozônio O
3 , metano CH
4 e óxido nitroso N
2 O . A concentração do menos comum destes, N
2 O , é cerca de 400 ppbV. Outros gases que contribuem para o efeito estufa estão presentes em níveis de pptV. Isso inclui os clorofluorcarbonos (CFCs) e os hidrofluorcarbonos (HFC e HCFCs). Conforme discutido a seguir, um dos principais motivos pelos quais eles são tão eficazes como gases de efeito estufa é que eles têm fortes faixas vibracionais que caem na janela atmosférica infravermelha. Absorção de IR por CO
2 em 14,7 μm define o limite de comprimento de onda longo da janela atmosférica infravermelha junto com a absorção por transições rotacionais de H
2 O em comprimentos de onda ligeiramente mais longos. O limite do comprimento de onda curto da janela de infravermelho atmosférico é definido por absorção nas bandas de vibração de frequência mais baixa do vapor de água. Há uma forte banda de ozônio a 9,6 μm no meio da janela, e é por isso que ele atua como um forte gás de efeito estufa. O vapor de água tem uma absorção contínua devido ao alargamento colisional das linhas de absorção que se estendem pela janela. A umidade local muito alta pode bloquear completamente a janela vibracional infravermelha.

Sobre as montanhas do Atlas , espectros interferometricamente registrados de radiação de onda longa de saída mostram emissões que surgiram da superfície terrestre a uma temperatura de cerca de 320 K e passaram pela janela atmosférica, e emissões sem janela que surgiram principalmente da troposfera em temperaturas próximas 260 K.

Sobre a Costa do Marfim , os espectros de radiação de onda longa de saída registrados interferometricamente mostram a emissão que surgiu do topo das nuvens a uma temperatura de cerca de 265 K e passou pela janela atmosférica, e a emissão sem janela que surgiu principalmente da troposfera em temperaturas cerca de 240 K. Isso significa que, no continuum mal absorvido de comprimentos de onda (8 a 14 μm), a radiação emitida, pela superfície da Terra em uma atmosfera seca e pelos topos das nuvens, passa principalmente não absorvida pela atmosfera, e é emitido diretamente para o espaço; há também transmissão de janela parcial em linhas espectrais de infravermelho distante entre cerca de 16 e 28 μm. As nuvens são excelentes emissores de radiação infravermelha. A radiação da janela do topo das nuvens surge em altitudes onde a temperatura do ar é baixa, mas como visto a partir dessas altitudes, o conteúdo de vapor de água do ar acima é muito menor do que o do ar na superfície da terra-mar. Além disso, a absortividade contínua do vapor de água, molécula por molécula, diminui com a diminuição da pressão. Assim, o vapor d'água acima das nuvens, além de ser menos concentrado, também é menos absorvente do que o vapor d'água em altitudes mais baixas. Consequentemente, a janela efetiva vista das altitudes do topo das nuvens é mais aberta, com o resultado de que os topos das nuvens são fontes efetivamente fortes de radiação da janela; ou seja, de fato as nuvens obstruem a janela apenas um pouco (veja outra opinião sobre isso, proposta por Ahrens (2009) na página 43).

Importância para a vida

Sem a janela atmosférica infravermelha, a Terra ficaria muito quente para suportar vida e, possivelmente, tão quente que perderia sua água, como Vênus fez no início da história do sistema solar . Assim, a existência de uma janela atmosférica é crítica para que a Terra continue sendo um planeta habitável .

Ameaças

Nas últimas décadas, a existência da janela atmosférica infravermelha foi ameaçada pelo desenvolvimento de gases altamente não reativos contendo ligações entre o flúor e o carbono , enxofre ou nitrogênio . O impacto desses compostos foi descoberto pela primeira vez pelo cientista atmosférico indiano-americano Veerabhadran Ramanathan em 1975, um ano depois do trabalho muito mais famoso de Roland e Molina sobre a capacidade dos clorofluorocarbonos de destruir o ozônio estratosférico .

As "frequências de alongamento" das ligações entre o flúor e outros não - metais leves são tais que a forte absorção na janela atmosférica sempre será característica de compostos contendo tais ligações, embora os fluoretos de outros não-metais além de carbono, nitrogênio ou enxofre tenham vida curta devido à hidrólise . Essa absorção é reforçada porque essas ligações são altamente polares devido à extrema eletronegatividade do átomo de flúor. Ligações a outros halogênios também são absorvidas na janela atmosférica, embora com muito menos intensidade.

Além disso, a natureza não reativa de tais compostos, que os torna tão valiosos para muitos fins industriais, significa que eles não são removíveis na circulação natural da baixa atmosfera da Terra. Fontes naturais extremamente pequenas criadas por meio da oxidação radioativa de fluorita e subsequente reação com minerais de sulfato ou carbonato produzidos por meio de concentrações atmosféricas de desgaseificação de cerca de 40 ppt para todos os perfluorocarbonos e 0,01 ppt para hexafluoreto de enxofre, mas o único teto natural é via fotólise na mesosfera e estratosfera superior. Estima-se, por exemplo, que os perfluorcarbonos ( CF
4 , C
2 F
6 , C
3 F
8 ) pode permanecer na atmosfera por entre dois mil seiscentos e cinquenta mil anos.

Isso significa que tais compostos têm um enorme potencial de aquecimento global . Um quilo de hexafluoreto de enxofre causará, por exemplo, tanto aquecimento quanto 23 toneladas de dióxido de carbono em 100 anos. Perfluorocarbonos são semelhantes neste aspecto, e até mesmo tetracloreto de carbono ( CCl
4 ) tem um potencial de aquecimento global de 1.800 em comparação com o dióxido de carbono. Esses compostos ainda permanecem altamente problemáticos com um esforço contínuo para encontrar substitutos para eles.

Veja também

Referências

Livros

links externos