La ventana atmosférica infrarroja se refiere a una región del espectro infrarrojo donde hay relativamente poca absorción de radiación térmica terrestre por los gases atmosféricos. [1] La ventana juega un papel importante en el efecto invernadero atmosférico al mantener el equilibrio entre la radiación solar entrante y la IR saliente al espacio. En la atmósfera de la Tierra, esta ventana es aproximadamente la región entre 8 y 14 μm, aunque puede estrecharse o cerrarse en momentos y lugares de alta humedad debido a la fuerte absorción en el continuo de vapor de agua o debido al bloqueo de las nubes. [2] [3] [4] [5] [6] Cubre una parte sustancial del espectro de emisión térmica de la superficie que comienza aproximadamente en 5 μm . Principalmente es una gran brecha en el espectro de absorción del vapor de agua. El dióxido de carbono juega un papel importante en el establecimiento del límite en el extremo de longitud de onda larga. El ozono bloquea parcialmente la transmisión en el medio de la ventana.
La importancia de la ventana atmosférica infrarroja en el balance energético atmosférico fue descubierta por George Simpson en 1928, basándose en los estudios de laboratorio de G. Hettner de 1918 [7] sobre la brecha en el espectro de absorción del vapor de agua. En aquellos días, no se disponía de computadoras, y Simpson señala que utilizó aproximaciones; escribe sobre la necesidad de esto para calcular la radiación IR saliente: "No hay esperanza de obtener una solución exacta; pero haciendo suposiciones simplificadoras adecuadas..." [8] Hoy en día, es posible realizar cálculos precisos línea por línea, y se han publicado estudios cuidadosos de la espectroscopia de gases atmosféricos infrarrojos.
Los principales gases naturales de efecto invernadero en orden de importancia son el vapor de agua H2O , dióxido de carbono CO2, ozono O3, metano CH4y óxido nitroso N2O . La concentración del menos común de estos, N2O , es de aproximadamente 400 ppb (por volumen). [ aclaración necesaria ] [9] Otros gases que contribuyen al efecto invernadero están presentes en niveles de ppt. Estos incluyen los clorofluorocarbonos (CFC), los halones y los hidrofluorocarbonos (HFC y HCFC). Como se analiza a continuación, una de las principales razones por las que son tan eficaces como gases de efecto invernadero es que tienen fuertes bandas vibratorias que caen en la ventana atmosférica infrarroja. Absorción de IR por CO2a 14,7 μm se establece el límite de longitud de onda larga de la ventana atmosférica infrarroja junto con la absorción por transiciones rotacionales de H2O en longitudes de onda ligeramente más largas. El límite de longitud de onda corta de la ventana de infrarrojos atmosféricos se establece por la absorción en las bandas vibratorias de frecuencia más baja del vapor de agua. Hay una fuerte banda de ozono a 9,6 μm en el medio de la ventana, por lo que actúa como un gas de efecto invernadero tan fuerte. El vapor de agua tiene una absorción continua debido al ensanchamiento por colisión de las líneas de absorción que se extienden a través de la ventana. [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [10] Una humedad local muy alta puede bloquear por completo la ventana vibratoria infrarroja.
Sobre las montañas del Atlas , los espectros registrados interferométricamente de la radiación de onda larga saliente [11] muestran una emisión que ha surgido de la superficie terrestre a una temperatura de aproximadamente 320 K y ha pasado a través de la ventana atmosférica, y una emisión que no es ventana y que ha surgido principalmente de la troposfera a temperaturas de aproximadamente 260 K.
En Costa de Marfil , los espectros de radiación de onda larga saliente registrados interferométricamente [11] muestran una emisión que ha surgido de las cimas de las nubes a una temperatura de unos 265 K y ha pasado a través de la ventana atmosférica, y una emisión fuera de ventana que ha surgido principalmente de la troposfera a temperaturas de unos 240 K. Esto significa que, en el continuo de longitudes de onda escasamente absorbidas (8 a 14 μm), la radiación emitida por la superficie de la Tierra hacia una atmósfera seca y por las cimas de las nubes, en su mayor parte pasa sin ser absorbida a través de la atmósfera y se emite directamente al espacio; también hay una transmisión de ventana parcial en las líneas espectrales del infrarrojo lejano entre unos 16 y 28 μm. Las nubes son excelentes emisores de radiación infrarroja. La radiación de ventana de las cimas de las nubes surge a altitudes donde la temperatura del aire es baja, pero como se ve desde esas altitudes, el contenido de vapor de agua del aire de arriba es mucho menor que el del aire en la superficie tierra-mar. Además, [10] la absortividad del vapor de agua en el continuo, molécula por molécula, disminuye con la disminución de la presión. Por lo tanto, el vapor de agua por encima de las nubes, además de estar menos concentrado, también es menos absorbente que el vapor de agua a altitudes más bajas. En consecuencia, la ventana efectiva vista desde las altitudes de las cimas de las nubes es más abierta, con el resultado de que las cimas de las nubes son efectivamente fuertes fuentes de radiación de ventana; es decir, en efecto las nubes obstruyen la ventana solo en un pequeño grado (véase otra opinión al respecto, propuesta por Ahrens (2009) en la página 43 [12] ).
Sin la ventana atmosférica infrarroja, la Tierra se calentaría demasiado para albergar vida, y posiblemente tanto que perdería su agua, como le ocurrió a Venus al principio de la historia del Sistema Solar . Por lo tanto, la existencia de una ventana atmosférica es fundamental para que la Tierra siga siendo un planeta habitable .
Como estrategia de gestión propuesta para el calentamiento global, las superficies de enfriamiento radiativo diurno pasivo (PDRC) utilizan la ventana infrarroja para enviar calor de regreso al espacio exterior con el objetivo de revertir el aumento de temperatura causado por el cambio climático . [13] [14]
En las últimas décadas, la existencia de la ventana atmosférica infrarroja se ha visto amenazada por el desarrollo de gases altamente no reactivos que contienen enlaces entre flúor y carbono , azufre o nitrógeno . El impacto de estos compuestos fue descubierto por primera vez por el científico atmosférico indio-estadounidense Veerabhadran Ramanathan en 1975, [15] un año después del artículo mucho más celebrado de Roland y Molina sobre la capacidad de los clorofluorocarbonos para destruir el ozono estratosférico .
Las "frecuencias de estiramiento" de los enlaces entre el flúor y otros no metales ligeros son tales que la fuerte absorción en la ventana atmosférica siempre será característica de los compuestos que contienen tales enlaces, [16] aunque los fluoruros de no metales distintos del carbono, nitrógeno o azufre tienen una vida corta debido a la hidrólisis . Esta absorción se fortalece porque estos enlaces son altamente polares debido a la electronegatividad extrema del átomo de flúor. Los enlaces con el cloro [16] y el bromo [17] también absorben en la ventana atmosférica, aunque con mucha menos fuerza.
Además, la naturaleza no reactiva de dichos compuestos, que los hace tan valiosos para muchos propósitos industriales, significa que no se pueden eliminar en la circulación natural de la atmósfera inferior de la Tierra. Las fuentes naturales extremadamente pequeñas creadas por medio de la oxidación radiactiva de fluorita y la reacción posterior con minerales de sulfato o carbonato producen, a través de la desgasificación, concentraciones atmosféricas de aproximadamente 40 ppt para todos los perfluorocarbonos y 0,01 ppt para el hexafluoruro de azufre, [18] pero el único techo natural es a través de la fotólisis en la mesosfera y la estratosfera superior. [19] Se estima que los perfluorocarbonos ( CF4, C2F6, C3F8), procedente de la producción comercial de anestésicos, refrigerantes y polímeros [20], puede permanecer en la atmósfera entre dos mil seiscientos y cincuenta mil años. [21]
Esto significa que estos compuestos poseen un enorme potencial de calentamiento global . Un kilogramo de hexafluoruro de azufre , por ejemplo, causará tanto calentamiento como 26,7 toneladas de dióxido de carbono en 100 años, y hasta 37,6 toneladas en 500 años. [22] Los perfluorocarbonos son similares en este aspecto, e incluso el tetracloruro de carbono ( CCl
4) tiene un potencial de calentamiento global de 2310 en comparación con el dióxido de carbono. [22] Los compuestos halogenados de vida bastante corta aún pueden tener potenciales de calentamiento global bastante altos: por ejemplo , el cloroformo , con una vida útil de 0,5 años, todavía tiene un potencial de calentamiento global de 22; el halotano , con una vida útil de solo un año, tiene un GWP de 47 en 100 años, [22] y el halón 1202 , con una vida útil de 2,9 años, tiene un potencial de calentamiento global de 100 años 231 veces mayor que el del dióxido de carbono. [23] Estos compuestos siguen siendo muy problemáticos y se está trabajando en ello para encontrar sustitutos para ellos.
{{cite web}}: CS1 maint: copia archivada como título ( enlace ) Simpson, GC (1928). "Estudios adicionales sobre la radiación terrestre". Memorias de la Royal Meteorological Society . 3 (21): 1–26.