Propriedades ópticas da água e do gelo - Optical properties of water and ice

O índice de refração da água a 20 ° C para a luz visível é 1,33. O índice de refração do gelo normal é 1,31 (da Lista de índices de refração ). Em geral, um índice de refração é um número complexo com partes reais e imaginárias, onde a última indica a intensidade da perda de absorção em um determinado comprimento de onda. Na parte visível do espectro eletromagnético, a parte imaginária do índice de refração é muito pequena. No entanto, a água e o gelo absorvem no infravermelho e fecham a janela atmosférica infravermelha , contribuindo assim para o efeito estufa

O espectro de absorção de água pura é usado em inúmeras aplicações, incluindo espalhamento de luz e absorção por cristais de gelo e gotículas de água em nuvem , teorias do arco - íris , determinação do albedo de dispersão única , cor do oceano e muitos outros.

Descrição quantitativa do índice de refração

Nos comprimentos de onda de 0,2 μm a 1,2 μm, e nas temperaturas de −12 ° C a 500 ° C, a parte real do índice de refração da água pode ser calculada pela seguinte expressão empírica:

${\ displaystyle {\ frac {n ^ {2} -1} {n ^ {2} +2}} (1 / {\ overline {\ rho}}) = a_ {0} + a_ {1} {\ overline {\ rho}} + a_ {2} {\ overline {T}} + a_ {3} {\ overline {\ lambda}} ^ {2} {\ overline {T}} + {\ frac {a_ {4} } {{\ overline {\ lambda}} ^ {2}}} + {\ frac {a_ {5}} {{\ overline {\ lambda}} ^ {2} - {\ overline {\ lambda}} _ { \ mathit {UV}} ^ {2}}} + {\ frac {a_ {6}} {{\ overline {\ lambda}} ^ {2} - {\ overline {\ lambda}} _ {\ mathit {IR }} ^ {2}}} + a_ {7} {\ overline {\ rho}} ^ {2}}$

Onde:

${\ displaystyle {\ overline {T}} = {\ frac {T} {T ^ {\ text {*}}}}}$,

${\ displaystyle {\ overline {\ rho}} = {\ frac {\ rho} {\ rho ^ {\ text {*}}}}}$, e

${\ displaystyle {\ overline {\ lambda}} = {\ frac {\ lambda} {\ lambda ^ {\ text {*}}}}}$

e as constantes apropriadas são = 0,244257733, = ,00974634476, = -,00373234996, = ,000268678472, = 0,0015892057, = ,00245934259, = 0,90070492, = -,0166626219, = 273,15 K, = 1000 kg / m ³ , = 589 nm, = 5,432937, e = 0,229202. ${\ displaystyle a_ {0}}$${\ displaystyle a_ {1}}$${\ displaystyle a_ {2}}$${\ displaystyle a_ {3}}$${\ displaystyle a_ {4}}$${\ displaystyle a_ {5}}$${\ displaystyle a_ {6}}$${\ displaystyle a_ {7}}$${\ displaystyle T ^ {*}}$${\ displaystyle \ rho ^ {*}}$${\ displaystyle \ lambda ^ {*}}$${\ displaystyle {\ overline {\ lambda}} _ {\ text {IR}}}$${\ displaystyle {\ overline {\ lambda}} _ {\ text {UV}}}$

Na expressão acima, T é a temperatura absoluta da água (em K), é o comprimento de onda da luz em nm, é a densidade da água em kg / m ³ , en é a parte real do índice de refração da água . ${\ displaystyle \ lambda}$${\ displaystyle \ rho}$

Massa volumica de agua

Na fórmula acima, a densidade da água também varia com a temperatura e é definida por:

${\ displaystyle \ rho (t) = a_ {5} \ left (1 - {\ frac {(t + a_ {1}) ^ {2} (t + a_ {2})} {a_ {3} (t + a_ {4})}} \ direita)}$

com:

• ${\ displaystyle a_ {1}}$ = −3,983035 ° C
• ${\ displaystyle a_ {2}}$ = 301,797 ° C
• ${\ displaystyle a_ {3}}$= 522528,9 ° C ²
• ${\ displaystyle a_ {4}}$ = 69,34881 ° C
• ${\ displaystyle a_ {5}}$= 999,974950 kg / m ³

Índice de refração (partes reais e imaginárias) para água líquida

Índice de Refração de Água Líquida

Comprimento de onda (μm)	Número de onda (cm −1 )	Frequência (THz)	n	k	α '(cm -1 )
0,200	5,00 × 10 4	1,50 × 10 3	1.396	1,1 × 10 -7	0,069
0,225	4,44 × 10 4	1,33 × 10 3	1,373	4,9 × 10 −8	0,027
0,250	4,00 × 10 4	1,20 × 10 3	1.362	3,35 × 10 −8	0,0168
0,275	3,64 × 10 4	1,09 × 10 3	1.354	2,35 × 10 −8	0,0107
0,300	3,33 × 10 4	999	1.349	1,6 × 10 −8	6,7 × 10 −3
0,325	3,08 × 10 4	922	1.346	1,08 × 10 −8	4,18 × 10 −3
0,350	2,86 × 10 4	857	1.343	6,5 × 10 -9	2,3 × 10 −3
0,375	2,67 × 10 4	799	1.341	3,5 × 10 −9	1,2 × 10 −3
0,400	2,50 × 10 4	749	1.339	1,86 × 10 −9	5,84 × 10 −4
0,425	2,35 × 10 4	705	1.338	1,3 × 10 −9	3,8 × 10 −4
0,450	2,22 × 10 4	666	1.337	1,02 × 10 −9	2,85 × 10 −4
0,475	2,11 × 10 4	631	1.336	9,35 × 10 −10	2,47 × 10 −4
0,500	2,00 × 10 4	600	1.335	1,00 × 10 −9	2,51 × 10 −4
0,525	1,90 × 10 4	571	1.334	1,32 × 10 −9	3,16 × 10 −4
0,550	1,82 × 10 4	545	1.333	1,96 × 10 −9	4,48 × 10 −4
0,575	1,74 × 10 4	521	1.333	3,60 × 10 −9	7,87 × 10 −4
0,600	1,67 × 10 4	500	1.332	1,09 × 10 −8	2,28 × 10 −3
0,625	1,60 × 10 4	480	1.332	1,39 × 10 −8	2,79 × 10 −3
0,650	1,54 × 10 4	461	1.331	1,64 × 10 −8	3,17 × 10 −3
0,675	1,48 × 10 4	444	1.331	2,23 × 10 −8	4,15 × 10 −3
0,700	1,43 × 10 4	428	1.331	3,35 × 10 −8	6,01 × 10 −3
0,725	1,38 × 10 4	414	1,330	9,15 × 10 −8	0,0159
0,750	1,33 × 10 4	400	1,330	1,56 × 10 −7	0,0261
0,775	1,29 × 10 4	387	1,330	1,48 × 10 −7	0,0240
0,800	1,25 × 10 4	375	1.329	1,25 × 10 −7	0,0196
0,825	1,21 × 10 4	363	1.329	1,82 × 10 −7	0,0282
0,850	1,18 × 10 4	353	1.329	2,93 × 10 −7	0,0433
0,875	1,14 × 10 4	343	1.328	3,91 × 10 −7	0,0562
0,900	1,11 × 10 4	333	1.328	4,86 × 10 −7	0,0679
0,925	1,08 × 10 4	324	1.328	1,06 × 10 −6	0,144
0,950	1,05 × 10 4	316	1.327	2,93 × 10 −6	0,388
0,975	1,03 × 10 4	307	1.327	3,48 × 10 −6	0,449
1.0	1,0 × 10 4	300	1.327	2,89 × 10 −6	0,36
1,2	8300	250	1.324	9,89 × 10 −6	1.0
1,4	7100	210	1.321	1,38 × 10 −4	12
1,6	6200	190	1,317	8,55 × 10 −5	6,7
1,8	5600	170	1,312	1,15 × 10 −4	8,0
2.0	5000	150	1,306	1,1 × 10 −3	69
2,2	4500	136	1.296	2,89 × 10 −4	17
2,4	4200	125	1.279	9,56 × 10 −4	50
2,6	3800	115	1.242	3,17 × 10 −3	150
2,65	3770	113	1.219	6,7 × 10 −5	318
2,70	3700	111	1,188	0,019	880
2,75	3640	109	1,157	0,059	2700
2,80	3570	107	1,142	0,115	5160
2,85	3510	105	1,149	0,185	8160
2,90	3450	103	1.201	0,268	11600
2,95	3390	102	1.292	0,298	12700
3,00	3330	100	1,371	0,272	11400
3,05	3280	98,3	1.426	0,240	9990
3,10	3230	96,7	1.467	0,192	7780
3,15	3170	95,2	1.483	0,135	5390
3,20	3120	93,7	1.478	0,0924	3630
3,25	3080	92,2	1.467	0,0610	2360
3,30	3030	90,8	1.450	0,0368	1400
3,35	2990	89,5	1.432	0,0261	979
3,40	2940	88,2	1.420	0,0195	721
3,45	2900	86,9	1.410	0,0132	481
3,50	2860	85,7	1.400	0,0094	340
3,6	2780	83	1.385	0,00515	180
3,7	2700	81	1,374	0,00360	120
3,8	2630	79	1,364	0,00340	110
3,9	2560	77	1.357	0,00380	120
4,0	2500	75	1.351	0,00460	140
4,1	2440	73	1.346	0,00562	170
4,2	2380	71	1.342	0,00688	210
4,3	2330	70	1.338	0,00845	250
4,4	2270	69	1.334	0,0103	290
4,5	2220	67	1.332	0,0134	370
4,6	2170	65	1,330	0,0147	400
4,7	2130	64	1,330	0,0157	420
4,8	2080	62	1,330	0,0150	390
4,9	2040	61	1.328	0,0137	350
5.0	2000	60	1,325	0,0124	310
5,1	1960	59	1.322	0,0111	270
5,2	1920	58	1,317	0,0101	240
5,3	1890	57	1,312	0,0098	230
5,4	1850	56	1.305	0,0103	240
5,5	1820	55	1.298	0,0116	380
5,6	1790	54	1.289	0,0142	320
5,7	1750	53	1.277	0,0203	450
5,8	1720	52	1.262	0,0330	710
5,9	1690	51	1.248	0,0622	1300
6,0	1670	50	1.265	0,107	2200
6,1	1640	49	1,319	0,131	2700
6,2	1610	48,4	1.363	0,0880	1800
6,3	1590	47,6	1.357	0,0570	1100
6,4	1560	46,8	1.347	0,0449	880
6,5	1540	46,1	1.339	0,0392	760
6,6	1520	45,4	1.334	0,0356	680
6,7	1490	44,7	1.329	0,0337	630
6,8	1470	44,1	1.324	0,0327	600
6,9	1450	43,4	1.321	0,0322	590
7,0	1430	42,8	1,317	0,0320	570

O índice de refração total da água é dado como m = n + ik . O coeficiente de absorção α 'é usado na lei de Beer-Lambert com o primo aqui significando base e convenção. Os valores são para água a 25 ° C, e foram obtidos por meio de várias fontes na revisão da literatura citada.

Veja também

• Absorção (radiação eletromagnética)
• Códigos de transferência radiativa atmosférica
• Cor de água
• Absorção eletromagnética pela água
• Cor do oceano
• Óptica oceânica
• Lista de índices de refração

Notas

Referências