El infrarrojo ( IR ; a veces llamado luz infrarroja ) es radiación electromagnética (EMR) con longitudes de onda más largas que la 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. Generalmente se entiende que el IR incluye longitudes de onda de aproximadamente 750 nm (400 THz ) a 1 mm (300 GHz ). [1] [2] El IR se divide comúnmente entre IR térmico de longitud de onda más larga, emitido desde fuentes terrestres, e IR de longitud de onda más corta o IR cercano, parte del espectro solar . [3] A veces se incluyen longitudes de onda IR más largas (30–100 μm) como parte de la banda de radiación de terahercios . [4] Casi toda la radiación de cuerpo negro procedente de objetos cercanos a la temperatura ambiente se encuentra en la banda IR. Como forma de radiación electromagnética, el IR 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 .
Desde hace mucho tiempo se sabe que los incendios emiten calor invisible ; En 1681, el experimentador pionero Edmé Mariotte demostró que el vidrio, aunque transparente a la luz solar, obstruía el calor radiante. [5] [6] 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 . [7] A través de los estudios de Herschel se descubrió finalmente que algo 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 .
La radiación infrarroja es emitida o absorbida por las moléculas cuando cambian los movimientos de rotación y vibración. Excita modos vibratorios en una molécula a través de un cambio en el momento dipolar , lo que lo 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. [8]
La radiación infrarroja se utiliza en aplicaciones industriales, científicas, militares, comerciales y médicas. Los dispositivos de visión nocturna que utilizan iluminación activa en el infrarrojo cercano permiten observar a personas o animales sin que se detecte al observador. La astronomía infrarroja utiliza telescopios equipados con sensores para penetrar regiones polvorientas del espacio, como nubes moleculares , detectar objetos como planetas y observar objetos altamente desplazados al rojo de los primeros días del universo . [9] Las cámaras de imágenes térmicas infrarrojas se utilizan para detectar la pérdida de calor en sistemas aislados, observar cambios en el flujo sanguíneo en la piel, ayudar en la extinción de incendios y detectar el sobrecalentamiento de componentes eléctricos. [10] Las aplicaciones militares y civiles incluyen adquisición de objetivos , vigilancia , visión nocturna , localización y seguimiento. Los seres humanos a una temperatura corporal normal irradian principalmente en longitudes de onda de alrededor de 10 μm. Los usos no militares incluyen análisis de eficiencia térmica , monitoreo ambiental, inspecciones de instalaciones industriales, detección de operaciones de cultivo , detección remota de temperatura, comunicación inalámbrica de corto alcance , espectroscopia y pronóstico del tiempo .
No existe una definición universalmente aceptada del alcance de la radiación infrarroja. Normalmente, 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 está la porción de microondas del espectro electromagnético . Cada vez más, la radiación de terahercios se cuenta como parte de la banda de microondas, no de la infrarroja, lo que mueve el borde de la banda de infrarrojos a 0,1 mm (3 THz).
La luz del sol , a una temperatura efectiva de 5780 K (5510 °C, 9940 °F), se compone de radiación de espectro casi térmico que es un poco más de la mitad del infrarrojo. En el cenit , la luz solar proporciona una irradiancia de poco más de 1 kW por metro cuadrado al nivel del mar. De esta energía, 527 W son radiación infrarroja, 445 W son luz visible y 32 W son radiación ultravioleta . [12] Casi toda la radiación infrarroja de la luz solar es cercana al infrarrojo, de menos de 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 tiempo que en 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 relámpagos y los incendios naturales son lo suficientemente calientes como para producir mucha energía visible, y los incendios producen mucha más energía infrarroja que la de la luz visible. [13]
En general, los objetos emiten radiación infrarroja a través de un espectro de longitudes de onda, pero a veces sólo una región limitada del espectro es de interés porque los sensores generalmente recolectan radiación solo dentro de un ancho de banda específico. La radiación térmica infrarroja también tiene una longitud de onda máxima de emisión, que es inversamente proporcional a la temperatura absoluta del objeto, de acuerdo con la ley de desplazamiento de Viena . 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 emplea IR.
Generalmente se considera que la radiación infrarroja comienza con longitudes de onda más largas que las visibles por el ojo humano. No existe un límite estricto de longitud de onda para lo que es visible, ya que la sensibilidad del ojo disminuye rápida pero suavemente, para longitudes de onda que exceden aproximadamente 700 nm. Por lo tanto, se pueden ver longitudes de onda un poco más largas si son 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 color rojo tenue y presentar un peligro, ya que en realidad puede ser bastante brillante. E incluso los seres humanos pueden ver los rayos IR en longitudes de onda de hasta 1.050 nm procedentes de láseres pulsados bajo determinadas condiciones. [14] [15] [16]
Un esquema de subdivisión comúnmente utilizado es: [17] [18]
NIR y SWIR juntos a veces se denominan "infrarrojos reflejados", mientras que MWIR y LWIR a veces se denominan "infrarrojos térmicos".
La Comisión Internacional de Iluminación (CIE) recomendó la división de la radiación infrarroja en las siguientes tres bandas: [21] [22]
ISO 20473 especifica el siguiente esquema: [23]
Los astrónomos suelen dividir el espectro infrarrojo de la siguiente manera: [24]
Estas divisiones no son precisas y pueden variar según la publicación. Las tres regiones se utilizan para observar diferentes rangos de temperatura [25] y, por tanto, 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 ventanas atmosféricas y aparecen, por ejemplo, en los títulos de muchos artículos .
Un tercer esquema divide la banda según la respuesta de varios detectores: [26]
El infrarrojo cercano es la región más cercana en longitud de onda a la radiación detectable por el ojo humano. el infrarrojo medio y el infrarrojo 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 del infrarrojo se define (según diferentes estándares) en varios valores, típicamente entre 700 nm y 800 nm, pero el límite entre la luz visible y la infrarroja no está definido con precisión. El ojo humano es notablemente menos sensible a la luz por encima de 700 nm de longitud de onda, por lo que las longitudes de onda más largas contribuyen de manera insignificante a las escenas iluminadas por fuentes de luz comunes. La luz infrarroja cercana particularmente intensa (p. ej., procedente 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 intensa que proporcionan longitudes de onda de hasta 1.050 nm pueden verse como un brillo rojo apagado, lo que provoca algunas dificultades en la iluminación de infrarrojos cercanos de escenas en la oscuridad (normalmente este problema práctico se resuelve mediante iluminación indirecta). Las hojas son particularmente brillantes en el IR cercano, y si se bloquean todas las fugas de luz visible alrededor de un filtro de IR y se le da al ojo un momento para adaptarse a la imagen extremadamente tenue que sale a través de un filtro fotográfico de paso de IR visualmente opaco, Es posible ver el efecto Madera que consiste en follaje brillante por infrarrojos. [27]
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 transmisores/absorbentes (fibras) y detectores: [28]
La banda C es la banda dominante en las redes de telecomunicaciones de larga distancia . Las bandas S y L se basan en una tecnología menos establecida y no están tan ampliamente utilizadas.
La radiación infrarroja se conoce popularmente como "radiación de calor", [29] pero la luz y las ondas electromagnéticas de cualquier frecuencia calentarán las superficies que las absorban. La luz infrarroja del Sol representa el 49% [30] del calentamiento de la Tierra, y el resto lo causa 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 rayos ultravioleta pueden carbonizar el papel y los objetos incandescentes calientes emiten radiación visible. Los objetos a temperatura ambiente emitirán radiación concentrada principalmente en la banda de 8 a 25 μm, pero esto no se distingue de la emisión de luz visible de los objetos incandescentes y de la ultravioleta de objetos aún más calientes (ver cuerpo negro y ley de desplazamiento de Wien ). [31]
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 están asociados con la emisión de un objeto, debido a la vibración de sus moléculas a una temperatura determinada. Los objetos pueden emitir radiación térmica en cualquier longitud de onda y, a temperaturas muy altas, dicha radiación se asocia con espectros muy por encima del infrarrojo y se extiende a regiones visibles, ultravioleta 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 sólo 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. Esta es 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 aparecerán más calientes y aquellos con una emisividad más baja aparecerán más fríos (suponiendo, como suele ser el caso, que el entorno circundante sea más frío que los objetos que se están viendo). Cuando un objeto tiene una emisividad inferior a la perfecta, obtiene propiedades de reflectividad y/o transparencia, por lo que la temperatura del entorno circundante se refleja parcialmente y/o se transmite a través del objeto. Si el objeto estuviera en un ambiente más caliente, entonces un objeto de menor emisividad a la misma temperatura probablemente parecería más caliente que uno más emisivo. Por ese motivo, una selección incorrecta de la emisividad y no tener en cuenta las temperaturas ambientales dará resultados inexactos al utilizar cámaras infrarrojas y pirómetros.
Los infrarrojos se utilizan en equipos de visión nocturna cuando no hay suficiente luz visible para ver. [32] 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. [32] Las fuentes de luz infrarroja se pueden utilizar para aumentar la luz ambiental disponible para la conversión mediante dispositivos de visión nocturna, aumentando la visibilidad en la oscuridad sin utilizar realmente una fuente de luz visible. [32]
El uso de luz infrarroja y dispositivos de visión nocturna no debe confundirse con la imagen térmica , que crea imágenes basadas en diferencias en la temperatura de la superficie al detectar la radiación infrarroja ( calor ) que emana de los objetos y su entorno circundante. [33]
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 NIR o visibles, se denomina pirometría . La termografía (imagen térmica) 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.
Las cámaras termográficas detectan radiación en el rango infrarrojo del espectro electromagnético (aproximadamente 9.000 a 14.000 nm o 9 a 14 μm) y producen imágenes de esa radiación. Dado que todos los objetos emiten radiación infrarroja en función de su temperatura, según 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 tanto la termografía permite ver variaciones de temperatura (de ahí el nombre).
Una imagen hiperespectral es una "imagen" que contiene un espectro continuo a través de un amplio rango espectral en cada píxel. Las imágenes hiperespectrales están ganando importancia en el campo de la espectroscopia aplicada, particularmente con las regiones espectrales NIR, SWIR, MWIR y LWIR. Las aplicaciones típicas incluyen mediciones biológicas, mineralógicas, de defensa e industriales.
Las imágenes hiperespectrales infrarrojas térmicas se pueden 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 exterior y aplicaciones de vehículos aéreos no tripulados . [35]
En la fotografía infrarroja , se utilizan filtros infrarrojos para capturar el espectro del infrarrojo cercano. Las cámaras digitales suelen utilizar bloqueadores de infrarrojos . Las cámaras digitales y los teléfonos con cámara más baratos tienen filtros menos efectivos y pueden ver un intenso infrarrojo cercano, que aparece como un color blanco púrpura brillante. Esto es especialmente pronunciado cuando se toman fotografías de sujetos cerca de áreas con brillo IR (como cerca de una lámpara), donde la interferencia infrarroja resultante puede borrar la imagen. También existe una técnica llamada imágenes de ' rayos T ', que consiste en obtener imágenes utilizando radiación de infrarrojo lejano 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, las imágenes de rayos T han despertado un interés considerable debido a una serie de nuevos desarrollos, como la espectroscopia en el dominio del tiempo de terahercios .
El seguimiento por infrarrojos, también conocido como localización 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) tiene una frecuencia justo por debajo del espectro de luz visible y los cuerpos calientes lo irradian fuertemente. Muchos objetos, como personas, motores de vehículos y aviones, generan y retienen calor y, como tales, son especialmente visibles en las longitudes de onda de luz infrarroja en comparación con los objetos del fondo. [36]
La radiación infrarroja se puede utilizar como fuente de calor intencionada. Se utiliza, por ejemplo, en las saunas de infrarrojos para calentar a los ocupantes. También se puede utilizar en otras aplicaciones de calefacción, como por ejemplo para eliminar el hielo de las alas de los aviones (descongelamiento). [37] La radiación infrarroja se utiliza para cocinar, lo que se conoce como asar a la parrilla o asar a la parrilla . Una ventaja energética es que la energía IR calienta sólo objetos opacos, como alimentos, en lugar del aire que los rodea.
El calentamiento por infrarrojos también se está volviendo más popular en los procesos de fabricación industrial, por ejemplo, curado de recubrimientos, conformado de plásticos, recocido, soldadura de plásticos y 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 sin consumo de energía ni contaminación . [38] [39] Las superficies PDRC minimizan la reflectancia solar de onda corta para disminuir la ganancia de calor y al mismo tiempo mantienen una fuerte transferencia de calor por radiación térmica infrarroja de onda larga (LWIR) . [40] [41] Cuando se imagina a escala mundial, este método de enfriamiento se ha propuesto como una forma de ralentizar e incluso revertir el calentamiento global , y algunas estimaciones proponen una cobertura de superficie global del 1-2% para equilibrar los flujos de calor globales. [42] [43]
La transmisión de datos por infrarrojos también se emplea en comunicaciones de corto alcance entre periféricos de computadora y asistentes digitales personales . Estos dispositivos suelen cumplir con los estándares publicados por IrDA , la Asociación de Datos Infrarrojos. Los controles remotos y los dispositivos IrDA utilizan diodos emisores de luz (LED) infrarrojos para emitir radiación infrarroja que puede concentrarse mediante 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. Normalmente se utiliza IR muy cercano (por debajo de 800 nm) por razones prácticas. Esta longitud de onda se detecta eficazmente 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 uso en interiores en áreas de alta densidad de población. Los infrarrojos no atraviesan las paredes y, por lo tanto, no interfieren con otros dispositivos en habitaciones contiguas. Los infrarrojos son la forma más común en que los controles remotos controlan los electrodomésticos. Los protocolos de control remoto por infrarrojos como RC-5 , SIRC se utilizan para comunicarse con infrarrojos.
La comunicación óptica en el espacio libre utilizando láseres infrarrojos puede ser una forma relativamente económica de instalar un enlace de comunicaciones en un área urbana que funcione a hasta 4 gigabit/s, en comparación con el costo de enterrar un cable de fibra óptica, excepto por el daño por radiación. "Dado que el ojo no puede detectar infrarrojos, es posible que no se parpadee o cierre los ojos para ayudar a prevenir o reducir el daño". [44]
Los láseres infrarrojos se utilizan para proporcionar luz a los sistemas de comunicaciones de 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 por infrarrojos de versiones de audio codificadas de carteles impresos se está investigando como ayuda para las personas con discapacidad visual a través del proyecto RIAS (Señalización audible por infrarrojos remotos) . La transmisión de datos IR de un dispositivo a otro a veces se denomina transmisión .
La espectroscopia vibratoria 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 provoca un cambio en el dipolo de la molécula, ésta absorberá un fotón que tenga la misma frecuencia. Las frecuencias vibratorias de la mayoría de las moléculas corresponden a las frecuencias de la luz infrarroja. Normalmente, la técnica se utiliza para estudiar compuestos orgánicos utilizando radiación de luz del infrarrojo medio, de 4000 a 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 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 espectroscópica . Es la frecuencia dividida por la velocidad de la luz en el vacío.
En la industria de los semiconductores, la luz infrarroja se puede utilizar para caracterizar materiales como películas delgadas y estructuras de zanjas periódicas. Al medir la reflectancia de la luz desde la superficie de una oblea semiconductora, el índice de refracción (n) y el coeficiente de extinción (k) se pueden determinar mediante las ecuaciones de dispersión de Forouhi-Bloomer . La reflectancia de la luz infrarroja también se puede utilizar para determinar la dimensión crítica, la profundidad y el ángulo de la pared lateral de estructuras de zanjas de alta relación de aspecto.
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Los satélites meteorológicos equipados con radiómetros de barrido producen imágenes térmicas o infrarrojas, que luego pueden permitir a un analista capacitado determinar la altura y los tipos de nubes, calcular las temperaturas de la tierra y el agua superficial y localizar las características de la superficie del océano. El escaneo suele estar en el rango de 10,3 a 12,5 μm (canales IR4 e IR5).
Las nubes con cimas altas y frías, como ciclones o cumulonimbus , a menudo se muestran en rojo o negro, las nubes más bajas y cálidas, como estratos o estratocúmulos , se muestran en azul o gris, con las nubes intermedias sombreadas en consecuencia. Las superficies de tierra caliente se muestran en gris oscuro o negro. Una desventaja de las imágenes infrarrojas es que las nubes bajas, como los estratos o la niebla, pueden tener una temperatura similar a la de la superficie terrestre o marina circundante y no aparecen. Sin embargo, utilizando la diferencia de brillo del canal IR4 (10,3–11,5 μm) y el canal de infrarrojo cercano (1,58–1,64 μm), se pueden distinguir las nubes bajas, lo que produce una imagen de satélite de niebla . La principal ventaja del infrarrojo es que se pueden producir imágenes por la noche, lo que permite estudiar una secuencia continua del tiempo.
Estas imágenes infrarrojas pueden representar remolinos o vórtices oceánicos y mapear corrientes como la Corriente del Golfo, que son valiosas para la industria naviera. Los pescadores y agricultores están interesados en conocer la temperatura de la tierra y del agua para proteger sus cultivos de las heladas o aumentar sus capturas del mar. Incluso se pueden observar los fenómenos de El Niño . Utilizando técnicas de digitalización en color, las imágenes térmicas sombreadas en gris se pueden convertir a color para identificar más fácilmente la información deseada.
Algunos satélites meteorológicos pueden obtener imágenes del canal principal de vapor de agua, de 6,40 a 7,08 μm, y muestra la cantidad de humedad en la atmósfera.
En el campo de la climatología, se monitoriza la radiación infrarroja atmosférica para detectar tendencias en el intercambio de energía entre la Tierra y la atmósfera. Estas tendencias proporcionan información sobre los cambios a largo plazo en el clima de la Tierra. Es uno de los principales parámetros estudiados en las investigaciones sobre el calentamiento global , junto con la radiación solar .
En este campo de investigación se utiliza un pirgeómetro para realizar mediciones continuas en exteriores. Se trata de un radiómetro infrarrojo de banda ancha con una sensibilidad para la radiación infrarroja de entre aproximadamente 4,5 μm y 50 μm.
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Los astrónomos observan objetos en la porción infrarroja del espectro electromagnético utilizando componentes ópticos, incluidos espejos, lentes y detectores digitales de estado sólido. Por este motivo se clasifica como parte de la astronomía óptica . Para formar una imagen, los componentes de un telescopio infrarrojo deben protegerse cuidadosamente de las fuentes de calor y los detectores deben enfriarse con helio líquido .
La sensibilidad de los telescopios infrarrojos terrestres está significativamente limitada por el vapor de agua en la atmósfera, que absorbe una parte de la radiación infrarroja que llega del espacio fuera de ventanas atmosféricas seleccionadas . Esta limitación se puede aliviar parcialmente colocando el observatorio del telescopio a gran altitud o transportando el telescopio en el aire con un globo o un avión. Los telescopios espaciales no padecen esta desventaja, por lo que el espacio exterior se considera el lugar ideal para la astronomía infrarroja.
La porción infrarroja del espectro tiene varios beneficios útiles para los astrónomos. Las frías y oscuras nubes moleculares de gas y polvo de nuestra galaxia brillarán con el calor irradiado a medida que sean irradiadas por estrellas incrustadas. El infrarrojo también se puede utilizar para detectar protoestrellas antes de que comiencen a emitir luz visible. Las estrellas emiten una porción más pequeña de su energía en el espectro infrarrojo, por lo que los objetos fríos cercanos, como los planetas, pueden detectarse más fácilmente. (En el espectro de luz visible, el resplandor de la estrella ahogará la luz reflejada de un planeta).
La luz infrarroja también es útil para observar los núcleos de galaxias activas , que a menudo están cubiertas de gas y polvo. Las galaxias distantes con un alto corrimiento al rojo tendrán la porción máxima de su espectro desplazada hacia longitudes de onda más largas, por lo que se observan más fácilmente en el infrarrojo. [9]
La limpieza por infrarrojos es una técnica utilizada por algunos escáneres de películas cinematográficas , escáneres de películas y escáneres de superficie plana para reducir o eliminar el efecto del polvo y los rayones en el escaneo final . Funciona recopilando un canal infrarrojo adicional del escaneo en la misma posición y resolución que los tres canales de color visibles (rojo, verde y azul). El canal de infrarrojos, en combinación con los demás canales, se utiliza para detectar la ubicación de arañazos y polvo. Una vez localizados, esos defectos se pueden corregir mediante escalado o reemplazados con pintura . [45]
La reflectografía infrarroja [46] se puede aplicar a pinturas para revelar las capas subyacentes de una manera no destructiva, en particular el dibujo subyacente o el contorno dibujado por el artista como guía. Los conservadores de arte utilizan la técnica para examinar cómo las capas visibles de pintura difieren del dibujo subyacente o de las capas intermedias (tales alteraciones se denominan pentimenti cuando las realiza el artista original). Esta es información muy útil para decidir si una pintura es la versión original del artista original o una copia, y si ha sido alterada por un trabajo de restauración demasiado entusiasta. En general, cuantos más pentimenti, más probable es que una pintura sea la versión principal. También proporciona información útil sobre las prácticas laborales. [47] La reflectografía a menudo revela el uso de negro de humo por parte del artista , que se muestra bien en los reflectogramas, siempre y cuando no se haya utilizado también en el suelo subyacente a toda la pintura.
Los recientes avances en el diseño de cámaras sensibles a los infrarrojos permiten descubrir y representar no sólo pinturas base y pentimenti, sino también pinturas enteras que luego fueron repintadas por el artista. [48] Ejemplos notables son Mujer planchando y Habitación azul de Picasso , donde en ambos casos se ha hecho visible un retrato de un hombre debajo de la pintura tal como se la conoce hoy.
Los conservadores y científicos hacen usos similares del infrarrojo en varios tipos de objetos, especialmente en documentos escritos muy antiguos como los Rollos del Mar Muerto , las obras romanas en la Villa de los Papiros y los textos de la Ruta de la Seda encontrados en las Cuevas de Dunhuang . [49] El negro de humo utilizado en la tinta puede lucir extremadamente bien.
La víbora tiene un par de hoyos sensoriales infrarrojos en la cabeza. Existe incertidumbre sobre la sensibilidad térmica exacta de este sistema de detección biológica por infrarrojos. [50] [51]
Otros organismos que tienen órganos termoreceptivos son las pitones (familia Pythonidae ), algunas boas (familia Boidae ), el murciélago vampiro común ( Desmodus rotundus ), una variedad de escarabajos joya ( Melanophila acuminata ), [52] mariposas de pigmentación oscura ( Pachliopta aristolochiae y Troides) . rhadamantus plateni ) y posiblemente chinches chupadores de sangre ( Triatoma infestans ). [53]
Algunos hongos como Venturia inaequalis requieren luz infrarroja cercana para ser expulsados. [54]
Aunque durante mucho tiempo se ha considerado imposible la visión del infrarrojo cercano (780-1000 nm) debido al ruido en los pigmentos visuales, [55] se informó sensación de luz del infrarrojo cercano en la carpa común y en tres especies de cíclidos. [55] [56] [57] [58] [59] Los peces utilizan NIR para capturar presas [55] y para orientación fototáctica al nadar. [59] La sensación NIR en los peces puede ser relevante en condiciones de poca iluminación durante el crepúsculo [55] y en aguas superficiales turbias. [59]
La luz infrarroja cercana, o fotobiomodulación , se utiliza para el tratamiento de la ulceración oral inducida por la quimioterapia, así como para la cicatrización de heridas. Hay algunos trabajos relacionados con el tratamiento contra el virus del herpes. [60] Los proyectos de investigación incluyen trabajos sobre los efectos curativos del sistema nervioso central a través de la regulación positiva de la citocromo c oxidasa y otros posibles mecanismos. [61]
La fuerte radiación infrarroja en ciertos entornos industriales de alto calor puede ser peligrosa para los ojos y provocar daños o ceguera al usuario. Dado que la radiación es invisible, en esos lugares se deben usar gafas especiales a prueba de infrarrojos. [62]
El descubrimiento de la radiación infrarroja se atribuye al astrónomo William Herschel a principios del siglo XIX. Herschel publicó sus resultados en 1800 ante la Royal Society de Londres . Herschel utilizó un prisma para refractar la luz del sol y detectó el infrarrojo, más allá de la parte roja del espectro, mediante un aumento de la temperatura registrado en un termómetro . Quedó sorprendido por el resultado y los llamó "Rayos Caloríficos". [63] [64] El término "infrarrojos" no apareció hasta finales del siglo XIX. [65] Un experimento anterior realizado en 1790 por Marc-Auguste Pictet demostró la reflexión y concentración del calor radiante a través de espejos en ausencia de luz visible. [66]
Otras fechas importantes incluyen: [26]
Se midió la sensibilidad foveal a varias longitudes de onda del láser del infrarrojo cercano. Se descubrió que el ojo podía responder a la radiación en longitudes de onda de al menos 1064 nm. Una fuente láser continua de 1064 nm apareció en rojo, pero una fuente láser pulsada de 1060 nm apareció en verde, lo que sugiere la presencia de una segunda generación armónica en la retina.
Los límites del rango general de sensibilidad del ojo se extienden desde aproximadamente 310 a 1.050 nanómetros.
El enfriamiento radiativo diurno pasivo (PDRC) disipa el calor terrestre al espacio exterior extremadamente frío sin utilizar ningún aporte de energía ni producir contaminación. Tiene el potencial de aliviar simultáneamente los dos principales problemas de la crisis energética y el calentamiento global.
Al cubrir la Tierra con una pequeña fracción de materiales que emiten térmicamente, se puede aumentar el flujo de calor que sale de la Tierra y el flujo radiativo neto se puede reducir a cero (o incluso hacer negativo), estabilizando (o enfriando) así. la tierra.
En consecuencia, diseñar y fabricar un PDRC eficiente con una reflectancia solar suficientemente alta (𝜌¯solar) (λ ~ 0,3–2,5 μm) para minimizar la ganancia de calor solar y, simultáneamente, una fuerte emitancia térmica LWIR (ε¯LWIR) para maximizar la pérdida de calor radiativo es altamente deseable. Cuando el calor radiativo entrante del Sol se equilibra con la emisión de calor radiativo saliente, la temperatura de la Tierra puede alcanzar su estado estable.
Si solo entre el 1% y el 2% de la superficie de la Tierra irradiara a esta velocidad en lugar de su valor promedio actual, los flujos de calor totales hacia y desde toda la Tierra se equilibrarían y el calentamiento cesaría.
Con 100 W/m2 como efecto de enfriamiento pasivo demostrado, entonces se necesitaría una cobertura de superficie del 0,3%, o el 1% de la superficie terrestre de la Tierra. Si la mitad se instalara en áreas urbanas construidas que cubren aproximadamente el 3% de la masa terrestre de la Tierra, se necesitaría una cobertura del 17% allí, y el resto se instalaría en áreas rurales.
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