El infrarrojo ( IR ; a veces llamado luz infrarroja ) es radiación electromagnética (REM) con longitudes de onda más largas que las de la luz visible pero más cortas que las microondas . La banda espectral infrarroja comienza con ondas que son un poco más largas que las de la luz roja (las ondas más largas del espectro visible ), por lo que el IR es invisible para el ojo humano. En general, se entiende que el IR incluye longitudes de onda de alrededor de 750 nm (400 THz ) a 1 mm (300 GHz ). [1] [2] [3] El IR se divide comúnmente entre IR térmico de longitud de onda más larga, emitido por fuentes terrestres, e IR de longitud de onda más corta o IR cercano, parte del espectro solar . [4] Las longitudes de onda IR más largas (30–100 μm) a veces se incluyen como parte de la banda de radiación de terahercios . [5] Casi toda la radiación de cuerpo negro de objetos cercanos a la temperatura ambiente está en la banda IR. Como forma de radiación electromagnética, la radiación infrarroja transporta energía y momento , ejerce presión de radiación y tiene propiedades correspondientes tanto a las de una onda como a las de una partícula , el fotón . [6] [5]
Sin embargo, la luz infrarroja comparte algunas características con la luz visible. Al igual que la luz visible, la luz infrarroja puede enfocarse, reflejarse y polarizarse . [7] La radiación infrarroja o productora de calor tiene longitudes de onda más largas que la luz visible, y los cuerpos celestes como el sol son a menudo las fuentes de radiación infrarroja, así como las bombillas y muchos organismos , lo que indica el alto grado de ubicuidad en el medio ambiente. [8]
El infrarrojo recibe su nombre de la palabra latina "infra", que significa "debajo", y de la palabra inglesa " rojo ". Se encuentra justo más allá de la porción roja del espectro visible, de ahí su nombre que significa "debajo del rojo". [8]
Desde hace mucho tiempo se sabe que el fuego emite calor invisible ; en 1681, el experimentador pionero Edme Mariotte demostró que el vidrio, aunque transparente a la luz del sol, obstruía el calor radiante. [9] [10] En 1800, el astrónomo Sir William Herschel descubrió que la radiación infrarroja es un tipo de radiación invisible en el espectro de menor energía que la luz roja, mediante su efecto sobre un termómetro . [11] Finalmente, gracias a los estudios de Herschel, se descubrió que un poco más de la mitad de la energía del Sol llegaba a la Tierra en forma de infrarrojos. El equilibrio entre la radiación infrarroja absorbida y emitida tiene un efecto importante en el clima de la Tierra . [8]
La radiación infrarroja es emitida o absorbida por las moléculas cuando cambian sus movimientos rotatorios-vibratorios. Excita los modos vibracionales en una molécula a través de un cambio en el momento dipolar , lo que la convierte en un rango de frecuencia útil para el estudio de estos estados de energía para moléculas con la simetría adecuada. La espectroscopia infrarroja examina la absorción y transmisión de fotones en el rango infrarrojo. [12]
La radiación infrarroja se utiliza en aplicaciones industriales, científicas, militares, comerciales y médicas. Los dispositivos de visión nocturna que utilizan iluminación infrarroja cercana activa permiten observar a personas o animales sin que el observador sea detectado. La astronomía infrarroja utiliza telescopios equipados con sensores para penetrar en regiones polvorientas del espacio, como las nubes moleculares , para detectar objetos como los planetas y para ver objetos muy desplazados hacia el rojo de los primeros días del universo . [13] Las cámaras termográficas infrarrojas se utilizan para detectar la pérdida de calor en sistemas aislados, para observar cambios en el flujo sanguíneo en la piel, para ayudar a combatir incendios y para detectar el sobrecalentamiento de los componentes eléctricos. [14] Las aplicaciones militares y civiles incluyen la adquisición de objetivos , la vigilancia , la visión nocturna , el rastreo y el seguimiento. Los humanos a temperatura corporal normal irradian principalmente en longitudes de onda de alrededor de 10 μm. Los usos no militares incluyen el análisis de la eficiencia térmica , el monitoreo ambiental, las inspecciones de instalaciones industriales, la detección de cultivos , la detección remota de temperatura, la comunicación inalámbrica de corto alcance , la espectroscopia y la previsión meteorológica . [7]
No existe una definición universalmente aceptada del rango de radiación infrarroja. Por lo general, se considera que se extiende desde el borde rojo nominal del espectro visible a 700 nm hasta 1 mm. Este rango de longitudes de onda corresponde a un rango de frecuencia de aproximadamente 430 THz hasta 300 GHz. Más allá del infrarrojo se encuentra la porción de microondas del espectro electromagnético . Cada vez más, la radiación de terahercios se cuenta como parte de la banda de microondas, no del infrarrojo, desplazando el borde de la banda del infrarrojo a 0,1 mm (3 THz).
La luz solar , a una temperatura efectiva de 5780 K (5510 °C, 9940 °F), está compuesta por radiación de espectro cercano al térmico que es un poco más de la mitad infrarroja. En el cenit , la luz solar proporciona una irradiancia de poco más de 1 kW por metro cuadrado a nivel del mar. De esta energía, 527 W son radiación infrarroja, 445 W son luz visible y 32 W son radiación ultravioleta . [16] Casi toda la radiación infrarroja de la luz solar es infrarroja cercana, más corta que 4 μm.
En la superficie de la Tierra, a temperaturas mucho más bajas que la superficie del Sol, parte de la radiación térmica consiste en infrarrojos en la región del infrarrojo medio, mucho más largos que los de la luz solar. La radiación de cuerpo negro, o térmica, es continua: irradia en todas las longitudes de onda. De estos procesos naturales de radiación térmica, sólo los rayos y los incendios naturales son lo suficientemente calientes como para producir mucha energía visible, y los incendios producen mucha más energía infrarroja que de luz visible. [17]
En general, los objetos emiten radiación infrarroja en un espectro de longitudes de onda, pero a veces solo una región limitada del espectro es de interés porque los sensores suelen recoger radiación solo dentro de un ancho de banda específico. La radiación infrarroja térmica también tiene una longitud de onda de emisión máxima, que es inversamente proporcional a la temperatura absoluta del objeto, de acuerdo con la ley de desplazamiento de Wien . La banda infrarroja a menudo se subdivide en secciones más pequeñas, aunque la forma en que se divide el espectro IR varía entre las diferentes áreas en las que se utiliza IR.
En general, se considera que la radiación infrarroja comienza con longitudes de onda más largas que las visibles para el ojo humano. No existe un límite estricto de longitud de onda para lo que es visible, ya que la sensibilidad del ojo disminuye rápidamente, pero de manera uniforme, para longitudes de onda que exceden aproximadamente los 700 nm. Por lo tanto, las longitudes de onda un poco más largas que esa pueden verse si son lo suficientemente brillantes, aunque aún pueden clasificarse como infrarrojas según las definiciones habituales. Por lo tanto, la luz de un láser de infrarrojo cercano puede aparecer de un rojo tenue y puede presentar un peligro, ya que en realidad puede ser bastante brillante. Incluso el infrarrojo en longitudes de onda de hasta 1050 nm de láseres pulsados puede ser visto por humanos en ciertas condiciones. [18] [19] [20]
Un esquema de subdivisión comúnmente utilizado es: [21] [22]
A veces, a los rayos NIR y SWIR juntos se les llama "infrarrojo reflejado", mientras que a los rayos MWIR y LWIR a veces se les llama "infrarrojo térmico".
La Comisión Internacional de Iluminación (CIE) recomendó la división de la radiación infrarroja en las siguientes tres bandas: [25] [26]
La norma ISO 20473 especifica el siguiente esquema: [27]
Los astrónomos suelen dividir el espectro infrarrojo de la siguiente manera: [28]
Estas divisiones no son precisas y pueden variar según la publicación. Las tres regiones se utilizan para la observación de diferentes rangos de temperatura [29] y, por lo tanto, de diferentes entornos en el espacio.
El sistema fotométrico más común utilizado en astronomía asigna letras mayúsculas a diferentes regiones espectrales según los filtros utilizados; I, J, H y K cubren las longitudes de onda del infrarrojo cercano; L, M, N y Q se refieren a la región del infrarrojo medio. Estas letras se entienden comúnmente en referencia a las ventanas atmosféricas y aparecen, por ejemplo, en los títulos de muchos artículos .
Un tercer esquema divide la banda en función de la respuesta de varios detectores: [30]
El infrarrojo cercano es la región más cercana en longitud de onda a la radiación detectable por el ojo humano. El infrarrojo medio y lejano se alejan progresivamente del espectro visible. Otras definiciones siguen diferentes mecanismos físicos (picos de emisión, frente a bandas, absorción de agua) y las más nuevas siguen razones técnicas (los detectores de silicio comunes son sensibles a unos 1.050 nm, mientras que la sensibilidad del InGaAs comienza alrededor de los 950 nm y termina entre 1.700 y 2.600 nm, dependiendo de la configuración específica). Actualmente no hay estándares internacionales disponibles para estas especificaciones.
El inicio de la luz infrarroja se define (según diferentes estándares) en varios valores, típicamente entre 700 nm y 800 nm, pero el límite entre la luz visible e infrarroja no está definido con precisión. El ojo humano es notablemente menos sensible a la luz por encima de una longitud de onda de 700 nm, por lo que las longitudes de onda más largas hacen contribuciones insignificantes a las escenas iluminadas por fuentes de luz comunes. La luz particularmente intensa del infrarrojo cercano (por ejemplo, de láseres , LED o luz diurna brillante con la luz visible filtrada) se puede detectar hasta aproximadamente 780 nm y se percibirá como luz roja. Las fuentes de luz intensas que proporcionan longitudes de onda de hasta 1050 nm pueden verse como un brillo rojo opaco, lo que causa cierta dificultad en la iluminación del infrarrojo cercano de escenas en la oscuridad (generalmente este problema práctico se resuelve mediante iluminación indirecta). Las hojas son particularmente brillantes en el infrarrojo cercano, y si se bloquean todas las fugas de luz visible de alrededor de un filtro IR y se le da al ojo un momento para adaptarse a la imagen extremadamente tenue que pasa a través de un filtro fotográfico visualmente opaco que deja pasar el infrarrojo, es posible ver el efecto Madera que consiste en follaje que brilla en el infrarrojo. [31]
En las comunicaciones ópticas , la parte del espectro infrarrojo que se utiliza se divide en siete bandas según la disponibilidad de fuentes de luz, materiales de transmisión/absorción (fibras) y detectores: [32]
La banda C es la banda dominante para las redes de telecomunicaciones de larga distancia . Las bandas S y L se basan en una tecnología menos consolidada y no están tan ampliamente implementadas.
La radiación infrarroja se conoce popularmente como "radiación térmica", [33] pero la luz y las ondas electromagnéticas de cualquier frecuencia calientan las superficies que las absorben. La luz infrarroja del Sol representa el 49% [34] del calentamiento de la Tierra, y el resto es causado por la luz visible que se absorbe y luego se vuelve a irradiar en longitudes de onda más largas. La luz visible o los láseres que emiten luz ultravioleta pueden carbonizar el papel y los objetos incandescentes emiten radiación visible. Los objetos a temperatura ambiente emitirán radiación concentrada principalmente en la banda de 8 a 25 μm, pero esto no es distinto de la emisión de luz visible por objetos incandescentes y ultravioleta por objetos aún más calientes (ver cuerpo negro y ley de desplazamiento de Wien ). [35]
El calor es energía en tránsito que fluye debido a una diferencia de temperatura. A diferencia del calor transmitido por conducción térmica o convección térmica , la radiación térmica puede propagarse a través del vacío . La radiación térmica se caracteriza por un espectro particular de muchas longitudes de onda que se asocian con la emisión de un objeto, debido a la vibración de sus moléculas a una temperatura dada. La radiación térmica puede emitirse desde objetos en cualquier longitud de onda, y a temperaturas muy altas dicha radiación se asocia con espectros muy por encima del infrarrojo, extendiéndose a las regiones visibles, ultravioletas e incluso de rayos X (por ejemplo, la corona solar ). Por lo tanto, la asociación popular de la radiación infrarroja con la radiación térmica es solo una coincidencia basada en las temperaturas típicas (comparativamente bajas) que a menudo se encuentran cerca de la superficie del planeta Tierra.
El concepto de emisividad es importante para comprender las emisiones infrarrojas de los objetos. Se trata de una propiedad de una superficie que describe cómo sus emisiones térmicas se desvían del ideal de un cuerpo negro . Para explicarlo mejor, dos objetos a la misma temperatura física pueden no mostrar la misma imagen infrarroja si tienen diferente emisividad. Por ejemplo, para cualquier valor de emisividad preestablecido, los objetos con mayor emisividad parecerán más calientes y aquellos con menor emisividad parecerán más fríos (suponiendo, como suele ser el caso, que el entorno circundante es más frío que los objetos que se observan). Cuando un objeto tiene una emisividad inferior a la perfecta, obtiene propiedades de reflectividad y/o transparencia, y por lo tanto la temperatura del entorno circundante se refleja parcialmente y/o se transmite a través del objeto. Si el objeto estuviera en un entorno más cálido, entonces un objeto con menor emisividad a la misma temperatura probablemente parecería más caliente que uno más emisivo. Por esa razón, la selección incorrecta de la emisividad y el no tener en cuenta las temperaturas ambientales darán resultados inexactos al utilizar cámaras infrarrojas y pirómetros.
Los equipos de visión nocturna utilizan infrarrojos cuando no hay suficiente luz visible para ver. [36] Los dispositivos de visión nocturna funcionan mediante un proceso que implica la conversión de fotones de luz ambiental en electrones que luego se amplifican mediante un proceso químico y eléctrico y luego se convierten nuevamente en luz visible. [36] Las fuentes de luz infrarroja se pueden utilizar para aumentar la luz ambiental disponible para la conversión mediante dispositivos de visión nocturna, lo que aumenta la visibilidad en la oscuridad sin usar realmente una fuente de luz visible. [36] [1]
El uso de luz infrarroja y dispositivos de visión nocturna no debe confundirse con la termografía , que crea imágenes basadas en diferencias de temperatura de la superficie al detectar la radiación infrarroja ( calor ) que emana de los objetos y su entorno circundante. [37] [11]
La radiación infrarroja se puede utilizar para determinar de forma remota la temperatura de los objetos (si se conoce la emisividad). Esto se denomina termografía o, en el caso de objetos muy calientes en el infrarrojo cercano o visible, se denomina pirometría . La termografía (imágenes térmicas) se utiliza principalmente en aplicaciones militares e industriales, pero la tecnología está llegando al mercado público en forma de cámaras infrarrojas en automóviles debido a la gran reducción de los costos de producción. [2]
Las cámaras termográficas detectan la radiación en el rango infrarrojo del espectro electromagnético (aproximadamente 9.000–14.000 nm o 9–14 μm) y producen imágenes de esa radiación. Dado que la radiación infrarroja es emitida por todos los objetos en función de su temperatura, de acuerdo con la ley de radiación del cuerpo negro, la termografía permite "ver" el entorno con o sin iluminación visible. La cantidad de radiación emitida por un objeto aumenta con la temperatura, por lo que la termografía permite ver variaciones de temperatura (de ahí el nombre).
Una imagen hiperespectral es una "fotografía" que contiene un espectro continuo a lo largo de un amplio rango espectral en cada píxel. La obtención de imágenes hiperespectrales está cobrando importancia en el campo de la espectroscopia aplicada, en particular en las regiones espectrales NIR, SWIR, MWIR y LWIR. Entre las aplicaciones típicas se incluyen las mediciones biológicas, mineralógicas, de defensa e industriales.
La obtención de imágenes hiperespectrales infrarrojas térmicas se puede realizar de manera similar utilizando una cámara termográfica , con la diferencia fundamental de que cada píxel contiene un espectro LWIR completo. En consecuencia, la identificación química del objeto se puede realizar sin necesidad de una fuente de luz externa como el Sol o la Luna. Estas cámaras se utilizan normalmente para mediciones geológicas, vigilancia al aire libre y aplicaciones de vehículos aéreos no tripulados . [39]
En la fotografía infrarroja , se utilizan filtros infrarrojos para capturar el espectro del infrarrojo cercano. Las cámaras digitales a menudo utilizan bloqueadores de infrarrojos . Las cámaras digitales y los teléfonos con cámara más baratos tienen filtros menos efectivos y pueden ver el infrarrojo cercano intenso, que aparece como un color blanco púrpura brillante. Esto es especialmente pronunciado cuando se toman fotografías de sujetos cerca de áreas brillantes de infrarrojos (como cerca de una lámpara), donde la interferencia infrarroja resultante puede desteñir la imagen. También existe una técnica llamada imágenes de " rayos T ", que es la obtención de imágenes utilizando radiación infrarroja lejana o de terahercios . La falta de fuentes brillantes puede hacer que la fotografía de terahercios sea más desafiante que la mayoría de las otras técnicas de imágenes infrarrojas. Recientemente, la obtención de imágenes de rayos T ha sido de considerable interés debido a una serie de nuevos desarrollos, como la espectroscopia de dominio temporal de terahercios .
El rastreo por infrarrojos, también conocido como rastreo por infrarrojos, se refiere a un sistema pasivo de guía de misiles , que utiliza la emisión de un objetivo de radiación electromagnética en la parte infrarroja del espectro para rastrearlo. Los misiles que utilizan la búsqueda por infrarrojos a menudo se denominan "buscadores de calor", ya que el infrarrojo (IR) está justo por debajo del espectro visible de la luz en frecuencia y es irradiado con fuerza por cuerpos calientes. Muchos objetos, como personas, motores de vehículos y aviones, generan y retienen calor y, como tales, son especialmente visibles en las longitudes de onda infrarrojas de la luz en comparación con los objetos en el fondo. [40]
La radiación infrarroja se puede utilizar como fuente de calefacción deliberada. Por ejemplo, se utiliza en saunas infrarrojas para calentar a los ocupantes. También se puede utilizar en otras aplicaciones de calefacción, como para eliminar el hielo de las alas de los aviones (descongelación). [41] La radiación infrarroja se utiliza para cocinar, lo que se conoce como asar a la parrilla . Una ventaja energética es que la energía IR calienta solo objetos opacos, como alimentos, en lugar del aire que los rodea. [27]
El calentamiento por infrarrojos también se está haciendo más popular en los procesos de fabricación industrial, por ejemplo, el curado de revestimientos, el conformado de plásticos, el recocido, la soldadura de plásticos y el secado de impresiones. En estas aplicaciones, los calentadores infrarrojos reemplazan a los hornos de convección y al calentamiento por contacto.
Una variedad de tecnologías o tecnologías propuestas aprovechan las emisiones infrarrojas para enfriar edificios u otros sistemas. La región LWIR (8–15 μm) es especialmente útil ya que parte de la radiación en estas longitudes de onda puede escapar al espacio a través de la ventana infrarroja de la atmósfera . Así es como las superficies de enfriamiento radiativo diurno pasivo (PDRC) pueden alcanzar temperaturas de enfriamiento subambientales bajo intensidad solar directa, mejorando el flujo de calor terrestre al espacio exterior con cero consumo de energía o contaminación . [42] [43] Las superficies PDRC maximizan la reflectancia solar de onda corta para disminuir la ganancia de calor mientras mantienen una fuerte transferencia de calor de radiación térmica infrarroja de onda larga (LWIR) . [44] [45] Cuando se imagina a escala mundial, este método de enfriamiento se ha propuesto como una forma de desacelerar e incluso revertir el calentamiento global , con algunas estimaciones que proponen una cobertura de superficie global del 1-2% para equilibrar los flujos de calor globales. [46] [47]
La transmisión de datos por infrarrojos también se emplea en comunicaciones de corto alcance entre periféricos de ordenador y asistentes digitales personales . Estos dispositivos suelen cumplir las normas publicadas por IrDA , la Asociación de Datos Infrarrojos. Los mandos a distancia y los dispositivos IrDA utilizan diodos emisores de luz (LED) infrarrojos para emitir radiación infrarroja que puede ser concentrada por una lente en un haz que el usuario apunta al detector. El haz se modula , es decir, se enciende y se apaga, según un código que interpreta el receptor. Por lo general, se utiliza el infrarrojo muy cercano (por debajo de los 800 nm) por razones prácticas. Esta longitud de onda se detecta de forma eficiente mediante fotodiodos de silicio económicos , que el receptor utiliza para convertir la radiación detectada en una corriente eléctrica . Esa señal eléctrica pasa a través de un filtro de paso alto que retiene las pulsaciones rápidas debidas al transmisor de infrarrojos, pero filtra la radiación infrarroja que cambia lentamente de la luz ambiental. Las comunicaciones por infrarrojos son útiles para el uso en interiores en áreas de alta densidad de población. El infrarrojo no penetra en las paredes y, por lo tanto, no interfiere con otros dispositivos en habitaciones contiguas. El infrarrojo es la forma más común de que los mandos a distancia controlen los electrodomésticos. Los protocolos de control remoto por infrarrojos como RC-5 , SIRC, se utilizan para comunicarse por infrarrojos.
La comunicación óptica en el espacio libre mediante láseres infrarrojos puede ser una forma relativamente económica de instalar un enlace de comunicaciones en un área urbana que funcione a una velocidad de hasta 4 gigabit/s, en comparación con el coste de enterrar un cable de fibra óptica, salvo por el daño por radiación. "Como el ojo no puede detectar los rayos infrarrojos, es posible que no se puedan parpadear o cerrar los ojos para ayudar a prevenir o reducir el daño". [48]
Los láseres infrarrojos se utilizan para proporcionar luz a los sistemas de comunicaciones por fibra óptica . La luz infrarroja con una longitud de onda de alrededor de 1330 nm (menor dispersión ) o 1550 nm (mejor transmisión) son las mejores opciones para las fibras de sílice estándar .
La transmisión de datos IR de versiones de audio codificadas de señales impresas se está investigando como una ayuda para personas con discapacidad visual a través del proyecto RIAS (Remote Infrared Audible Signage) . La transmisión de datos IR de un dispositivo a otro a veces se denomina " transmisión" .
La espectroscopia vibracional infrarroja (ver también espectroscopia de infrarrojo cercano ) es una técnica que se puede utilizar para identificar moléculas mediante el análisis de sus enlaces constituyentes. Cada enlace químico en una molécula vibra a una frecuencia característica de ese enlace. Un grupo de átomos en una molécula (por ejemplo, CH 2 ) puede tener múltiples modos de oscilación causados por los movimientos de estiramiento y flexión del grupo en su conjunto. Si una oscilación conduce a un cambio en el dipolo en la molécula, entonces absorberá un fotón que tiene la misma frecuencia. Las frecuencias vibracionales de la mayoría de las moléculas corresponden a las frecuencias de la luz infrarroja. Por lo general, la técnica se utiliza para estudiar compuestos orgánicos utilizando radiación de luz del infrarrojo medio, 4000–400 cm −1 . Se registra un espectro de todas las frecuencias de absorción en una muestra. Esto se puede utilizar para obtener información sobre la composición de la muestra en términos de grupos químicos presentes y también sobre su pureza (por ejemplo, una muestra húmeda mostrará una amplia absorción de OH alrededor de 3200 cm −1 ). La unidad para expresar la radiación en esta aplicación, cm −1 , es el número de onda espectroscópico . Es la frecuencia dividida por la velocidad de la luz en el vacío.
In the semiconductor industry, infrared light can be used to characterize materials such as thin films and periodic trench structures. By measuring the reflectance of light from the surface of a semiconductor wafer, the index of refraction (n) and the extinction Coefficient (k) can be determined via the Forouhi–Bloomer dispersion equations. The reflectance from the infrared light can also be used to determine the critical dimension, depth, and sidewall angle of high aspect ratio trench structures.
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Weather satellites equipped with scanning radiometers produce thermal or infrared images, which can then enable a trained analyst to determine cloud heights and types, to calculate land and surface water temperatures, and to locate ocean surface features. The scanning is typically in the range 10.3–12.5 μm (IR4 and IR5 channels).
Clouds with high and cold tops, such as cyclones or cumulonimbus clouds, are often displayed as red or black, lower warmer clouds such as stratus or stratocumulus are displayed as blue or grey, with intermediate clouds shaded accordingly. Hot land surfaces are shown as dark-grey or black. One disadvantage of infrared imagery is that low clouds such as stratus or fog can have a temperature similar to the surrounding land or sea surface and do not show up. However, using the difference in brightness of the IR4 channel (10.3–11.5 μm) and the near-infrared channel (1.58–1.64 μm), low clouds can be distinguished, producing a fog satellite picture. The main advantage of infrared is that images can be produced at night, allowing a continuous sequence of weather to be studied.
These infrared pictures can depict ocean eddies or vortices and map currents such as the Gulf Stream, which are valuable to the shipping industry. Fishermen and farmers are interested in knowing land and water temperatures to protect their crops against frost or increase their catch from the sea. Even El Niño phenomena can be spotted. Using color-digitized techniques, the gray-shaded thermal images can be converted to color for easier identification of desired information.
The main water vapour channel at 6.40 to 7.08 μm can be imaged by some weather satellites and shows the amount of moisture in the atmosphere.
In the field of climatology, atmospheric infrared radiation is monitored to detect trends in the energy exchange between the Earth and the atmosphere. These trends provide information on long-term changes in Earth's climate. It is one of the primary parameters studied in research into global warming, together with solar radiation.
A pyrgeometer is utilized in this field of research to perform continuous outdoor measurements. This is a broadband infrared radiometer with sensitivity for infrared radiation between approximately 4.5 μm and 50 μm.
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Astronomers observe objects in the infrared portion of the electromagnetic spectrum using optical components, including mirrors, lenses and solid state digital detectors. For this reason it is classified as part of optical astronomy. To form an image, the components of an infrared telescope need to be carefully shielded from heat sources, and the detectors are chilled using liquid helium.
The sensitivity of Earth-based infrared telescopes is significantly limited by water vapor in the atmosphere, which absorbs a portion of the infrared radiation arriving from space outside of selected atmospheric windows. This limitation can be partially alleviated by placing the telescope observatory at a high altitude, or by carrying the telescope aloft with a balloon or an aircraft. Space telescopes do not suffer from this handicap, and so outer space is considered the ideal location for infrared astronomy.
The infrared portion of the spectrum has several useful benefits for astronomers. Cold, dark molecular clouds of gas and dust in our galaxy will glow with radiated heat as they are irradiated by imbedded stars. Infrared can also be used to detect protostars before they begin to emit visible light. Stars emit a smaller portion of their energy in the infrared spectrum, so nearby cool objects such as planets can be more readily detected. (In the visible light spectrum, the glare from the star will drown out the reflected light from a planet.)
Infrared light is also useful for observing the cores of active galaxies, which are often cloaked in gas and dust. Distant galaxies with a high redshift will have the peak portion of their spectrum shifted toward longer wavelengths, so they are more readily observed in the infrared.[13]
Infrared cleaning is a technique used by some motion picture film scanners, film scanners and flatbed scanners to reduce or remove the effect of dust and scratches upon the finished scan. It works by collecting an additional infrared channel from the scan at the same position and resolution as the three visible color channels (red, green, and blue). The infrared channel, in combination with the other channels, is used to detect the location of scratches and dust. Once located, those defects can be corrected by scaling or replaced by inpainting.[49]
Infrared reflectography[50] can be applied to paintings to reveal underlying layers in a non-destructive manner, in particular the artist's underdrawing or outline drawn as a guide. Art conservators use the technique to examine how the visible layers of paint differ from the underdrawing or layers in between (such alterations are called pentimenti when made by the original artist). This is very useful information in deciding whether a painting is the prime version by the original artist or a copy, and whether it has been altered by over-enthusiastic restoration work. In general, the more pentimenti, the more likely a painting is to be the prime version. It also gives useful insights into working practices.[51] Reflectography often reveals the artist's use of carbon black, which shows up well in reflectograms, as long as it has not also been used in the ground underlying the whole painting.
Recent progress in the design of infrared-sensitive cameras makes it possible to discover and depict not only underpaintings and pentimenti, but entire paintings that were later overpainted by the artist.[52] Notable examples are Picasso's Woman Ironing and Blue Room, where in both cases a portrait of a man has been made visible under the painting as it is known today.
Similar uses of infrared are made by conservators and scientists on various types of objects, especially very old written documents such as the Dead Sea Scrolls, the Roman works in the Villa of the Papyri, and the Silk Road texts found in the Dunhuang Caves.[53] Carbon black used in ink can show up extremely well.
The pit viper has a pair of infrared sensory pits on its head. There is uncertainty regarding the exact thermal sensitivity of this biological infrared detection system.[54][55]
Other organisms that have thermoreceptive organs are pythons (family Pythonidae), some boas (family Boidae), the Common Vampire Bat (Desmodus rotundus), a variety of jewel beetles (Melanophila acuminata),[56] darkly pigmented butterflies (Pachliopta aristolochiae and Troides rhadamantus plateni), and possibly blood-sucking bugs (Triatoma infestans).[57] By detecting the heat that their prey emits, crotaline and boid snakes identify and capture their prey using their IR-sensitive pit organs. Comparably, IR-sensitive pits on the Common Vampire Bat (Desmodus rotundus) aid in the identification of blood-rich regions on its warm-blooded victim. The jewel beetle, Melanophila acuminata, locates forest fires via infrared pit organs, where on recently burnt trees, they deposit their eggs. Thermoreceptors on the wings and antennae of butterflies with dark pigmentation, such Pachliopta aristolochiae and Troides rhadamantus plateni, shield them from heat damage as they sunbathe in the sun. Additionally, it's hypothesised that thermoreceptors let bloodsucking bugs (Triatoma infestans) locate their warm-blooded victims by sensing their body heat.[57]
Some fungi like Venturia inaequalis require near-infrared light for ejection.[58]
Although near-infrared vision (780–1,000 nm) has long been deemed impossible due to noise in visual pigments,[59] sensation of near-infrared light was reported in the common carp and in three cichlid species.[59][60][61][62][63] Fish use NIR to capture prey[59] and for phototactic swimming orientation.[63] NIR sensation in fish may be relevant under poor lighting conditions during twilight[59] and in turbid surface waters.[63]
Near-infrared light, or photobiomodulation, is used for treatment of chemotherapy-induced oral ulceration as well as wound healing. There is some work relating to anti-herpes virus treatment.[64] Research projects include work on central nervous system healing effects via cytochrome c oxidase upregulation and other possible mechanisms.[65]
Strong infrared radiation in certain industry high-heat settings may be hazardous to the eyes, resulting in damage or blindness to the user. Since the radiation is invisible, special IR-proof goggles must be worn in such places.[66]
The discovery of infrared radiation is ascribed to William Herschel, the astronomer, in the early 19th century. Herschel published his results in 1800 before the Royal Society of London. Herschel used a prism to refract light from the sun and detected the infrared, beyond the red part of the spectrum, through an increase in the temperature recorded on a thermometer. He was surprised at the result and called them "Calorific Rays".[67][68] The term "infrared" did not appear until late 19th century.[69] An earlier experiment in 1790 by Marc-Auguste Pictet demonstrated the reflection and focusing of radiant heat via mirrors in the absence of visible light.[70]
Other important dates include:[30]
The foveal sensitivity to several near-infrared laser wavelengths was measured. It was found that the eye could respond to radiation at wavelengths at least as far as 1064 nm. A continuous 1064 nm laser source appeared red, but a 1060 nm pulsed laser source appeared green, which suggests the presence of second harmonic generation in the retina.
Limits of the eye's overall range of sensitivity extends from about 310 to 1,050 nanometers
Passive daytime radiative cooling (PDRC) dissipates terrestrial heat to the extremely cold outer space without using any energy input or producing pollution. It has the potential to simultaneously alleviate the two major problems of energy crisis and global warming.
By covering the Earth with a small fraction of thermally emitting materials, the heat flow away from the Earth can be increased, and the net radiative flux can be reduced to zero (or even made negative), thus stabilizing (or cooling) the Earth.
Accordingly, designing and fabricating efficient PDRC with sufficiently high solar reflectance (𝜌¯solar) (λ ~ 0.3–2.5 μm) to minimize solar heat gain and simultaneously strong LWIR thermal emittance (ε¯LWIR) to maximize radiative heat loss is highly desirable. When the incoming radiative heat from the Sun is balanced by the outgoing radiative heat emission, the temperature of the Earth can reach its steady state.
If only 1%–2% of the Earth's surface were instead made to radiate at this rate rather than its current average value, the total heat fluxes into and away from the entire Earth would be balanced and warming would cease.
With 100 W/m2 as a demonstrated passive cooling effect, a surface coverage of 0.3% would then be needed, or 1% of Earth's land mass surface. If half of it would be installed in urban, built areas which cover roughly 3% of the Earth's land mass, a 17% coverage would be needed there, with the remainder being installed in rural areas.
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