La absorción de la radiación electromagnética por el agua depende del estado del agua.
La absorción en fase gaseosa se produce en tres regiones del espectro. Las transiciones rotacionales son responsables de la absorción en las microondas y el infrarrojo lejano , las transiciones vibracionales en el infrarrojo medio y el infrarrojo cercano . Las bandas vibracionales tienen una estructura fina rotacional. Las transiciones electrónicas se producen en las regiones ultravioleta del vacío .
El agua líquida no tiene espectro rotacional, pero absorbe en la región de las microondas. Su débil absorción en el espectro visible da como resultado el color azul pálido del agua .
La molécula de agua, en estado gaseoso, presenta tres tipos de transición que pueden dar lugar a la absorción de radiación electromagnética:
En realidad, las vibraciones de las moléculas en estado gaseoso van acompañadas de transiciones rotacionales, lo que da lugar a un espectro de vibración-rotación . Además, se producen armónicos vibracionales y bandas de combinación en la región del infrarrojo cercano . La base de datos de espectroscopia HITRAN enumera más de 37.000 líneas espectrales para el H 2 16 O gaseoso, que van desde la región de microondas hasta el espectro visible . [5] [12]
En el agua líquida, las transiciones rotacionales se extinguen de manera efectiva, pero las bandas de absorción se ven afectadas por los enlaces de hidrógeno . En el hielo cristalino, el espectro vibracional también se ve afectado por los enlaces de hidrógeno y hay vibraciones reticulares que provocan absorción en el infrarrojo lejano. Las transiciones electrónicas de las moléculas gaseosas mostrarán una estructura fina tanto vibracional como rotacional.
Las posiciones de la banda de absorción infrarroja pueden darse en escala de longitud de onda (generalmente en micrómetros , μm) o de número de onda (generalmente en centímetros recíprocos , cm −1 ).
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La molécula de agua es asimétrica , es decir, tiene tres momentos de inercia independientes. La rotación sobre el eje de simetría doble se ilustra a la izquierda. Debido a la baja simetría de la molécula, se puede observar una gran cantidad de transiciones en la región del infrarrojo lejano del espectro. Las mediciones de los espectros de microondas han proporcionado un valor muy preciso para la longitud de enlace O−H , 95,84 ± 0,05 pm y el ángulo de enlace H−O−H , 104,5 ± 0,3°. [13]
La molécula de agua tiene tres vibraciones moleculares fundamentales . Las vibraciones de estiramiento OH dan lugar a bandas de absorción con orígenes de banda en 3657 cm −1 (ν 1 , 2,734 μm) y 3756 cm −1 (ν 3 , 2,662 μm) en la fase gaseosa. La vibración de estiramiento asimétrica, de simetría B 2 en el grupo puntual C 2v es una vibración normal . El origen del modo de flexión HOH está en 1595 cm −1 (ν 2 , 6,269 μm). Tanto las vibraciones de estiramiento como las de flexión simétricas tienen simetría A 1 , pero la diferencia de frecuencia entre ellas es tan grande que la mezcla es efectivamente cero. En la fase gaseosa, las tres bandas muestran una extensa estructura fina rotacional. [14] En el espectro del infrarrojo cercano, ν 3 tiene una serie de sobretonos en números de onda algo menores que n·ν 3 , n=2,3,4,5... Las bandas de combinación, como ν 2 + ν 3, también se observan fácilmente en la región del infrarrojo cercano. [15] [16] La presencia de vapor de agua en la atmósfera es importante para la química atmosférica, especialmente porque los espectros infrarrojo e infrarrojo cercano son fáciles de observar. Los códigos estándar (ópticos atmosféricos) se asignan a las bandas de absorción de la siguiente manera. 0,718 μm (visible): α, 0,810 μm: μ, 0,935 μm: ρστ, 1,13 μm: φ, 1,38 μm: ψ, 1,88 μm: Ω, 2,68 μm: X. Los espacios entre las bandas definen la ventana infrarroja en la atmósfera de la Tierra. [17]
El espectro infrarrojo del agua líquida está dominado por la intensa absorción debida a las vibraciones fundamentales de estiramiento de OH. Debido a la alta intensidad, se necesitan longitudes de trayectoria muy cortas, generalmente menores de 50 μm, para registrar los espectros de soluciones acuosas. No hay una estructura fina rotacional, pero las bandas de absorción son más amplias de lo que podría esperarse, debido a los enlaces de hidrógeno . [18] Los máximos pico para el agua líquida se observan a 3450 cm −1 (2,898 μm), 3615 cm −1 (2,766 μm) y 1640 cm −1 (6,097 μm). [14] La medición directa de los espectros infrarrojos de soluciones acuosas requiere que las ventanas de la cubeta estén hechas de sustancias como el fluoruro de calcio , que son insolubles en agua. Esta dificultad se puede superar alternativamente utilizando un dispositivo de reflectancia total atenuada (ATR) en lugar de transmisión .
En el rango del infrarrojo cercano, el agua líquida tiene bandas de absorción alrededor de 1950 nm (5128 cm −1 ), 1450 nm (6896 cm −1 ), 1200 nm (8333 cm −1 ) y 970 nm, (10300 cm −1 ). [19] [20] [15] Las regiones entre estas bandas se pueden utilizar en espectroscopia de infrarrojo cercano para medir los espectros de soluciones acuosas, con la ventaja de que el vidrio es transparente en esta región, por lo que se pueden utilizar cubetas de vidrio. La intensidad de absorción es más débil que para las vibraciones fundamentales, pero esto no es importante ya que se pueden utilizar cubetas de longitud de trayectoria más larga. La banda de absorción a 698 nm (14300 cm −1 ) es un tercer sobretono (n = 4). Se reduce a la región visible y es responsable del color azul intrínseco del agua . Esto se puede observar con un espectrofotómetro UV/VIS estándar , utilizando un recorrido de 10 cm. El color se puede ver a simple vista mirando a través de una columna de agua de unos 10 m de longitud; el agua debe pasarse por un ultrafiltro para eliminar el color debido a la dispersión de Rayleigh , que también puede hacer que el agua parezca azul. [16] [21] [22]
El espectro del hielo es similar al del agua líquida, con máximos máximos a 3400 cm −1 (2,941 μm), 3220 cm −1 (3,105 μm) y 1620 cm −1 (6,17 μm) [14]
Tanto en los cúmulos de agua líquida como de hielo se producen vibraciones de baja frecuencia, que implican el estiramiento (TS) o la flexión (TB) de los enlaces de hidrógeno intermoleculares (O–H•••O). Las bandas en longitudes de onda λ = 50-55 μm o 182-200 cm −1 (44 μm, 227 cm −1 en hielo) se han atribuido al TS, estiramiento intermolecular, y las de 200 μm o 50 cm −1 (166 μm, 60 cm −1 en hielo), a la TB, flexión intermolecular [11]
Los coeficientes de absorción para 200 nm y 900 nm son casi iguales a 6,9 m −1 ( longitud de atenuación de 14,5 cm). Se ha medido una absorción de luz muy débil, en la región visible, por agua líquida utilizando un medidor de absorción de cavidad integradora (ICAM). [16] La absorción se atribuyó a una secuencia de bandas de sobretonos y combinaciones cuya intensidad disminuye en cada paso, dando lugar a un mínimo absoluto a 418 nm, en cuya longitud de onda el coeficiente de atenuación es de aproximadamente 0,0044 m −1 , que es una longitud de atenuación de aproximadamente 227 metros. Estos valores corresponden a una absorción pura sin efectos de dispersión. La atenuación de, por ejemplo, un rayo láser sería ligeramente más fuerte.
Las transiciones electrónicas de la molécula de agua se encuentran en la región ultravioleta del vacío . Para el vapor de agua, las bandas se han asignado de la siguiente manera. [11]
El espectro de rotación pura del vapor de agua se extiende hasta la región de microondas.
El agua líquida tiene un amplio espectro de absorción en la región de microondas, lo que se ha explicado en términos de cambios en la red de enlaces de hidrógeno que dan lugar a un espectro de microondas amplio y sin características. [24] La absorción (equivalente a la pérdida dieléctrica ) se utiliza en hornos microondas para calentar alimentos que contienen moléculas de agua. Se utiliza comúnmente una frecuencia de 2,45 GHz y una longitud de onda de 122 mm.
La radiocomunicación en frecuencias de GHz es muy difícil en aguas dulces y más aún en aguas saladas. [11]
El vapor de agua es un gas de efecto invernadero en la atmósfera de la Tierra , responsable del 70% de la absorción conocida de la luz solar entrante , particularmente en la región infrarroja, y de aproximadamente el 60% de la absorción atmosférica de la radiación térmica por la Tierra, conocida como efecto invernadero . [25] También es un factor importante en la obtención de imágenes multiespectrales e hiperespectrales utilizadas en teledetección [12] porque el vapor de agua absorbe la radiación de manera diferente en diferentes bandas espectrales. Sus efectos también son una consideración importante en la astronomía infrarroja y la radioastronomía en las bandas de microondas o de ondas milimétricas . El Telescopio del Polo Sur se construyó en la Antártida en parte porque la elevación y las bajas temperaturas allí significan que hay muy poco vapor de agua en la atmósfera. [26]
De manera similar, las bandas de absorción de dióxido de carbono se encuentran alrededor de 1400, 1600 y 2000 nm, [27] pero su presencia en la atmósfera de la Tierra representa solo el 26% del efecto invernadero. [25] El gas de dióxido de carbono absorbe energía en algunos segmentos pequeños del espectro infrarrojo térmico que el vapor de agua no capta. Esta absorción adicional dentro de la atmósfera hace que el aire se caliente un poco más y cuanto más caliente esté la atmósfera, mayor será su capacidad para retener más vapor de agua. Esta absorción adicional de vapor de agua aumenta aún más el efecto invernadero de la Tierra. [28]
En la ventana atmosférica entre aproximadamente 8000 y 14000 nm, en el espectro infrarrojo lejano, la absorción de dióxido de carbono y agua es débil. [29] Esta ventana permite que la mayor parte de la radiación térmica en esta banda se irradie al espacio directamente desde la superficie de la Tierra. Esta banda también se utiliza para la teledetección de la Tierra desde el espacio, por ejemplo con imágenes infrarrojas térmicas .
Además de absorber radiación, el vapor de agua emite ocasionalmente radiación en todas direcciones, según la curva de emisión de cuerpo negro para su temperatura actual superpuesta al espectro de absorción de agua. Gran parte de esta energía será recapturada por otras moléculas de agua, pero a mayores altitudes, la radiación enviada hacia el espacio tiene menos probabilidades de ser recapturada, ya que hay menos agua disponible para recapturar la radiación de longitudes de onda absorbentes específicas del agua. En la parte superior de la troposfera , a unos 12 km sobre el nivel del mar, la mayor parte del vapor de agua se condensa en agua líquida o hielo a medida que libera su calor de vaporización . Una vez cambiado de estado, el agua líquida y el hielo caen a altitudes más bajas. Esto se equilibrará con el vapor de agua entrante que asciende a través de corrientes de convección.
El agua líquida y el hielo emiten radiación a un ritmo mayor que el vapor de agua (véase el gráfico anterior). El agua en la parte superior de la troposfera, especialmente en estado líquido y sólido, se enfría a medida que emite fotones netos al espacio. Las moléculas de gas vecinas que no sean agua (por ejemplo, el nitrógeno) se enfrían al pasar su calor cinéticamente al agua. Por eso las temperaturas en la parte superior de la troposfera (conocida como tropopausa ) son de unos -50 grados Celsius.
... diversas fuentes de datos: bancos de datos espectrales HITRAN y GEISA, datos originales obtenidos por investigadores del IAO en colaboración con otros científicos, espectros de H2O simulados por Partridge y Schwenke, etc.
HITRAN es una compilación de parámetros espectroscópicos que una variedad de códigos informáticos utilizan para predecir y simular la transmisión y emisión de luz en la atmósfera.
El vapor de agua es el principal absorbente de la radiación de onda larga en la atmósfera terrestre y tiene un profundo efecto en el presupuesto de energía atmosférica en muchas regiones espectrales. La base de datos HITRAN enumera más de 64.000 transiciones significativas de vapor de agua que van desde la región de microondas hasta la visible, con intensidades que cubren muchos órdenes de magnitud. Estas transiciones se utilizan, o deben tenerse en cuenta, en diversas aplicaciones de teledetección.
...en el espectro de acción del agua, los tres picos principales cerca de 1400, 1950 y 2500 nm, y dos menores a 970 y 1200 nm.
Hay tres conjuntos de líneas de absorción de vapor de agua en la región espectral del infrarrojo cercano. Las que se encuentran cerca de 730 y 820 nm son útiles para mediciones en la troposfera inferior, mientras que las que se encuentran cerca de 930 nm son útiles para mediciones en la troposfera superior...
En el líquido, las rotaciones tienden a estar restringidas por enlaces de hidrógeno, lo que da lugar a las libraciones. Además, las líneas espectrales son más anchas, lo que provoca la superposición de muchos de los picos de absorción. La banda de estiramiento principal en el agua líquida se desplaza a una frecuencia más baja y la frecuencia de flexión aumenta por los enlaces de hidrógeno.
Las respuestas de reflectancia al contenido de agua de las hojas fueron mayores en las bandas de absorción de agua cerca de las longitudes de onda de 1450 nm, 1950 nm y 2500 nm.
las fuertes bandas de absorción de los grupos OH en el agua del suelo alrededor de 1450, 1950 y 2500 nm.
Respuesta rápida: Porque el Polo Sur es probablemente el mejor lugar de la Tierra para este telescopio. Es extremadamente seco, lo que hace que la atmósfera sea excepcionalmente transparente para el SPT.
...bandas de absorción de agua (alrededor de 940 nm, 1100 nm, 1450 nm, 1950 nm y 2500 nm) y bandas de absorción de dióxido de carbono (1400 nm, 1600 nm y 2000 nm)...
Se observa poca absorción en la región llamada ventana atmosférica entre 8 y 14 μm.
