La absorción de 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 el microondas y el infrarrojo lejano , y las transiciones vibratorias en el infrarrojo medio y cercano . Las bandas vibratorias tienen una estructura fina rotacional. Las transiciones electrónicas ocurren en las regiones ultravioleta del vacío .
El agua líquida no tiene espectro de rotación pero se 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, dando lugar a un espectro de vibración-rotación . Además, en la región del infrarrojo cercano se producen armónicos vibratorios y bandas combinadas . La base de datos de espectroscopia HITRAN enumera más de 37.000 líneas espectrales para H 2 16 O gaseoso, que van desde la región de microondas hasta el espectro visible . [5] [12]
En agua líquida, las transiciones rotacionales se apagan efectivamente, pero las bandas de absorción se ven afectadas por los enlaces de hidrógeno . En el hielo cristalino, el espectro vibratorio también se ve afectado por los enlaces de hidrógeno y hay vibraciones reticulares que provocan absorción en el infrarrojo lejano. Las transiciones electrónicas de moléculas gaseosas mostrarán una estructura fina tanto vibratoria como rotacional.
Las posiciones de las bandas de absorción infrarroja se pueden dar 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 una cima asimétrica , es decir, tiene tres momentos de inercia independientes . La rotación alrededor del eje de simetría doble se ilustra a la izquierda. Debido a la baja simetría de la molécula, se puede observar un gran número de transiciones en la región del infrarrojo lejano del espectro. Las mediciones de espectros de microondas han proporcionado un valor muy preciso para la longitud del enlace O-H , 95,84 ± 0,05 pm y el ángulo del enlace H-O-H , 104,5 ± 0,3°. [13]
La molécula de agua tiene tres vibraciones moleculares fundamentales . Las vibraciones de estiramiento del 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 asimétrico, de simetría B 2 en el grupo de puntos 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 simétricas de estiramiento como las de flexión 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 estructura fina rotacional extensa. [14] En el espectro del infrarrojo cercano, ν 3 tiene una serie de armónicos en números de onda algo menores que n·ν 3 , n=2,3,4,5... Las bandas combinadas, como ν 2 + ν 3 , también son fácilmente observable 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 Tierra. atmósfera. [17]
El espectro infrarrojo del agua líquida está dominado por la intensa absorción debida a las vibraciones fundamentales de estiramiento del OH. Debido a la alta intensidad, para registrar los espectros de soluciones acuosas se necesitan caminos de longitud muy cortos, generalmente inferiores a 50 μm. No existe una estructura fina rotacional, pero las bandas de absorción son más anchas de lo que cabría esperar debido a los enlaces de hidrógeno . [18] Los picos máximos para agua líquida se observan en 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. Alternativamente, esta dificultad se puede superar 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 de 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 usar 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 usar 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 con una trayectoria más larga. La banda de absorción a 698 nm (14300 cm −1 ) es un tercer sobretono (n=4). Desaparece en la región visible y es responsable del color azul intrínseco del agua . Esto se puede observar con un espectrofotómetro UV/vis estándar , utilizando un camino óptico 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 pasar a través de 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 picos máximos de 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 en los 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 a TS, estiramiento intermolecular, y 200 μm o 50 cm −1 (166 μm, 60 cm −1 en hielo), a TB, curvatura 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 parte del agua líquida utilizando un medidor de absorción de cavidad integradora (ICAM). [16] La absorción se atribuyó a una secuencia de bandas armónicas y combinadas cuya intensidad disminuye en cada paso, dando lugar a un mínimo absoluto en 418 nm, longitud de onda en cuya longitud de onda el coeficiente de atenuación es de aproximadamente 0,0044 m −1 , que es una longitud de atenuación de unos 227 metros. Estos valores corresponden a una absorción pura sin efectos de dispersión. La atenuación de, por ejemplo, un rayo láser sería ligeramente mayor.
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 puro del vapor de agua se extiende hasta la región de las microondas.
El agua líquida tiene un amplio espectro de absorción en la región de las 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 rasgos distintivos. [24] La absorción (equivalente a la pérdida dieléctrica ) se utiliza en los hornos microondas para calentar alimentos que contienen moléculas de agua. Normalmente se utiliza 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 terrestre , responsable del 70% de la absorción conocida de la luz solar entrante , particularmente en la región infrarroja, y alrededor del 60% de la absorción atmosférica de radiación térmica por parte de la Tierra conocida como efecto invernadero . [25] También es un factor importante en las imágenes multiespectrales e hiperespectrales utilizadas en la 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 significan que hay muy poco vapor de agua en la atmósfera. [26]
De manera similar, las bandas de absorción de dióxido de carbono se producen alrededor de 1400, 1600 y 2000 nm, [27] pero su presencia en la atmósfera terrestre representa sólo el 26% del efecto invernadero. [25] El gas dióxido de carbono absorbe energía en algunos pequeños segmentos del espectro infrarrojo térmico que el vapor de agua pasa por alto. Esta absorción adicional dentro de la atmósfera hace que el aire se caliente un poco más y cuanto más cálida es la atmósfera, mayor es su capacidad para retener más vapor de agua. Esta absorción adicional de vapor de agua mejora aún más el efecto invernadero de la Tierra. [28]
En la ventana atmosférica entre aproximadamente 8000 y 14000 nm, en el espectro del 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 térmicas infrarrojas .
Además de absorber radiación, el vapor de agua ocasionalmente emite radiación en todas direcciones, según la curva de emisión del cuerpo negro para su temperatura actual superpuesta en el espectro de absorción de agua. Gran parte de esta energía será recapturada por otras moléculas de agua, pero a mayores altitudes, es menos probable que la radiación enviada hacia el espacio sea recapturada, ya que hay menos agua disponible para recapturar la radiación de longitudes de onda absorbentes específicas del agua. En la cima 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 se elevará a través de corrientes de convección.
El agua líquida y el hielo emiten radiación a un ritmo mayor que el vapor de agua (ver gráfico arriba). El agua en la parte superior de la troposfera, particularmente en estado líquido y sólido, se enfría a medida que emite fotones netos al espacio. Las moléculas de gas vecinas distintas del agua (por ejemplo, nitrógeno) se enfrían pasando su calor cinéticamente al agua. Esta es la razón por la que las temperaturas en la parte superior de la troposfera (conocida como tropopausa ) rondan los -50 grados centígrados.
... 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 recopilación de parámetros espectroscópicos que utilizan diversos códigos informáticos 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 sobre el balance 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 a 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 IR cercano. Los cercanos a 730 y 820 nm son útiles para mediciones de la troposfera inferior, mientras que los cercanos a 930 nm son útiles para mediciones de la troposfera superior...
En el líquido, las rotaciones tienden a estar restringidas por enlaces de hidrógeno, lo que produce libraciones. Además, las líneas espectrales son más anchas, lo que provoca la superposición de muchos de los picos de absorción. La principal banda de estiramiento en agua líquida se desplaza a una frecuencia más baja y la frecuencia de flexión aumenta mediante enlaces de hidrógeno.
Las respuestas de reflectancia al contenido de agua de las hojas fueron mayores en las bandas de absorción de agua cercanas a las longitudes de onda de 1450 nm, 1950 nm y 2500 nm.
las fuertes bandas de absorción de 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 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)...
Es evidente poca absorción en la región llamada ventana atmosférica entre 8 y 14 μm.
