الامتصاص الكهرومغناطيسي للماء

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث
رسم بياني يوضح طيف امتصاص الماء السائل عبر نطاق عريض من الطول الموجي.
تمثل حزم الامتصاص الرئيسية بالمنحنى ذي اللون الأزرق والذي يمثل الطيف الشمسي فوق الغلاف الجوي الذي ينفذ إلى سطح الأرض (ويمثله المنحنى البرتقالي).

تقوم جزيئات الماء بامتصاص أجزاء من الطيف الكهرومغناطيسي خلال انتقال الإشعاع الكهرومغناطيسي في وسط يحوي هذه الجزيئات و يحدث امتصاص الماء هذا بشكل خاص عند خاصية محددة من الطول الموجي فيما يحدث نقل موازنة الطيف بأقل أثر ممكن.

يحدث الامتصاص القوي الذي يسببه بخار الماء عند طول موجي يساوي حوالي 2900 و1950 و1450 نانومتر [1][2] أما الامتصاص الأضعف فيحدث عند طول موجي يساوي تقريبا 1200 و970 نانومتر [3] وتوجد 3 مجموعات إضافية من خطوط امتصاص الماء قريبا من 930 و820 و730 نانومتر [4] وتقع جميع هذه الأطوال ضمن طيف الأشعة تحت الحمراء. أما الماء فيمتلك طيف امتصاص معقدا-حيث أن تحديث قاعدة بيانات مطيافية هيتران (HITRAN) يعدّد أكثر من 64,000 خط طيفي تترافق مع انتقالات ملحوظة لبخار الماء وتتراوح بين منطقة الموجات الصغرية (المايكرويف) وحتى منطقة الطيف المرئي.[5]

تتم إزاحة خصائص الامتصاص الطيفي للماء السائل بحوالي 60 نانومتر إلى أطوال موجية أكثر طولا مع أخذ خ[6]صائص البخار بالاعتبار. في الجليد السداسي، تتم إزاحة الخصائص أبعد من ذلك حتى لتصل إلى نطاق الأشعة الحمراء وتحت الحمراء، ويكون كل من طيف الأشعة تحت الحمراء ومطيافية رامان ـأكثر تعقيدا بكثير في الماء السائل منه في البخار.[7]

المؤثرات الجوية[عدل]

وما بخار الماء إلا عبارة عن غاز دفيئة يوجد في الغلاف الجوي للأرض وهو مسؤول عن 70 بالمئة من الامتصاص المعروف لشعاع الشمس الساقط على الأرض وخصوصا في منطقة الأشعة تحت الحمراء كما وأنه مسؤول أيضا عن 60 بالمئة من الامتصاص الجوي للإشعاع الحراري الذي تقوم به الأرض والذي يعرف بالاحتباس الحراري.[8] يعتبر بخار الماء أحد العوامل المهمة أيضا في التصوير متعدد وفائق الأطياف الذي يستخدم طريقة الاستشعار عن بعد[5] وذلك لأن بخار الماء يعمل على امتصاص الإشعاع بشكل مختلف في الحزم الطيفية المختلفة. كما وتؤخذ تأثيرات بخار الماء كعامل مهم في الاعتبار في علم الفلك الكاشوفي وفلك الأشعة تحت الحمراء في الموجات الصغرية أو حزم التردد بالغة العلو. تم بناء تيلسكوب القطب الجنوبي جزئيا في منطقة أنتاركتيكا وذلك لأن عوامل الارتفاع الجغرافي ودرجات الحرارة المنخفضة المتوفرة في هذا المكان تتسبب في تواجد بخار ماء قليل جدا في الجو.[9]

تحدث حزم امتصاص ثنائي أكسيد الكربون بشكل مشابه لما ذكر سابقا بين ما يقارب 1400 و1600 و2000 نانومتر [10] غير أن وجودها في الغلاف الجوي للأرضي يمثل 26 بالمئة فقط من تأثير الاحتباس الحراري.[8] يقوم غاز ثنائي أكسيد الكربون بامتصاص الطاقة في قطاعات صغيرة من طيف تحت الأشعة الحمراء الحراري الذي يفتقر إليه بخار الماء. يتسبب هذا الامتصاص الإضافي داخل الغلاف الجوي بإحماء الهواء أكثر قليلا وبذلك فإنه كل ما ارتفعت حرارة الغلاف الجوي كلما زادت قدرته على الإحاطة بقدر أكبر من بخار الماء ويزيد امتصاص بخار الماء الإضافي هذا من تأثير الاحتباس الحراري للأرض.[11]

يكون كل من وجود ثنائي أكسيد الكربون وامتصاص الماء ضعيفا في نافذة الغلاف الجوي التي تقع بين 8000 و14000 نانومتر تقريبا-وهي منطقة طيف الأشعة تحت الحمراء البعيدة[12]- وتسمح هذه النافذة بإطلاق معظم الإشعاع الحراري في هذه الحزمة إلى الجو مما يحفظ الغلاف الجوي من الدخول في حالة انفلات حراري. وتستخدم هذه الحزمة أيضا في استشعار الأرض عن بعد من الفضاء عن طريق استخدام تصوير الطيف المرئي والقريب من الأشعة الحمراء (VNIR).

التفسير الفيزيائي لهذه الظاهرة[عدل]

تتعلق روابط الامتصاص الخاصة ببخار الماء بالاهتزازات الجزيئية متطلبة تنويعات مختلفة من نماذج جزيئات الماء التبخيرية الأساسية وهي:

  • V1: التمدد المتماثل
  • V2: التقويس
  • V3: التمدد غير المتماثل

يعزى عامل الامتصاص الذي يتركز قريبا من طول الموجة 970 نانومتر إلى مزيج من نموذجي 2V1 + V3 في حين أن ذلك القريب من طول الموجة البالغ 1200 نانومتر هو مزيج من نماذج V1 + V2 + V3، أما القريب من 14500 نانومتر فهو يعزى إلى مزيج من نموذجي V1 + V3 وأخيرا يرجع عامل الامتصاص الواقع قريبا من الطول الموجي 1950 نانومتر إلى مزيج من نموذجي V2 + V3.[3]

عادة ما تعيق الروابط الهيدروجينية التناوبات في الماء السائل مما يؤدي إلى حركات تأرجحية أو اهتزازية وتتم إزاحة اهتزازات التمدد إلى ترددات أقل بينما يتزايد تردد التقويس بسبب الرابطة الهيدروجينية.[7]

ثلاثة أنواع رئيسية لاهتزازات جزيء الماء
التمدد
المتماثل
(V1)
التقويس
(V2)
التمدد
غير المتماثل
(V3)
Symmetrical stretching.gif Scissoring.gif Asymmetrical stretching.gif

انظر أيضا[عدل]

مراجع[عدل]

  1. ^ Carter, G.A.؛ McCain, D.C. (1993). "Relationship of leaf spectral reflectance to chloroplast water content determined using NMR microscopy". Remote Sensing of Environment 46 (3): 305–310. doi:10.1016/0034-4257(93)90050-8. اطلع عليه بتاريخ 2007-10-31. "Reflectance responses to leaf water content were greatest in the water absorption bands near 1450 nm, 1950 nm, and 2500 nm wavelengths" 
  2. ^ Rossel, R.A.V.؛ McBratney, A.B. (1998). "Laboratory evaluation of a proximal sensing technique for simultaneous measurement of soil clay and water content". Geoderma 85 (1): 19–39. doi:10.1016/S0016-7061(98)00023-8. اطلع عليه بتاريخ 2007-10-31. "the strong absorption bands of OH groups in soil water at around 1450, 1950 and 2500 nm." 
  3. ^ أ ب Jacquemoud, S.؛ Ustin, S.L. (2003). "Application of radiative transfer models to moisture content estimation and burned land mapping". Joint European Association of Remote Sensing Laboratories (EARSeL) and GOFC/GOLD-Fire Program, 4th Workshop on Forest Fires, University Ghent, Belgium 5--7 June 2003. اطلع عليه بتاريخ 2008-10-15. "...in the action spectrum of water the three main peaks near 1400, 1950, and 2500 nm, and two minor ones at 970 and 1200 nm" 
  4. ^ Duarte, F. J.، Edited (1995). Tunable Laser Applications. New York: M. Dekker. ISBN 0824789288. "There are three sets of water-vapor absorption lines in the near-IR spectral region. Those near 730 and 820 nm are useful for lower tropo- spheric measurements, whereas those near 930 nm are useful for upper- tropospheric measurements..." 
  5. ^ أ ب Gordon, Iouli E.؛ Laurence S. Rothman, Robert R. Gamache, David Jacquemart, Chris Boone, Peter F. Bernathd, Mark W. Shephard, Jennifer S. Delamere, Shepard A. Clough (2007-06-24). "Current updates of the water-vapor line list in HITRAN: A new ‘‘Diet’’ for air-broadened half-widths" (pdf). Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. اطلع عليه بتاريخ 2007-11-03. "Water vapor is the principal absorber of longwave radiation in the terrestrial atmosphere and it has a profound effect on the atmospheric energy budget in many spectral regions. The HITRAN database lists more than 64,000 significant transitions of water vapor ranging from the microwave region to the visible, with intensities that cover many orders of magnitude. These transitions are used, or have to be accounted for, in various remote-sensing applications." 
  6. ^ Toselli، F. (1992). Imaging Spectroscopy. Boston: Kluwer Academic Publishers. ISBN 0792315359. 
  7. ^ أ ب Chaplin, Martin (2007-10-28). "Water Absorption Spectrum". اطلع عليه بتاريخ 2007-11-04. "In the liquid, rotations tend to be restricted by hydrogen bonds, giving the librations. Also, spectral lines are broader causing overlap of many of the absorption peaks. The main stretching band in liquid water is shifted to a lower frequency and the bending frequency increased by hydrogen bonding." 
  8. ^ أ ب Maurellis, Ahilleas (2003-05-01). "The climatic effects of water vapour - physicsworld.com". Physics World. Institute of Physics. اطلع عليه بتاريخ 2007-11-03. 
  9. ^ "South Pole Telescope: South Pole : Why is the telescope at the South Pole?". University of Chicago. اطلع عليه بتاريخ 2007-11-03. "Quick Answer: Because the South Pole is probably the best place on Earth for this telescope. It is extremely dry, making the atmosphere exceptionally transparent for SPT." 
  10. ^ Prieto-Blanco, Ana؛ Peter R. J. North , Nigel Fox , Michael J. Barnsley. "Satellite estimation of surface/atmosphere parameters: a sensitivity study" (pdf). اطلع عليه بتاريخ 2007-10-31. "...water absorption bands (around 940nm, 1100nm, 1450nm, 1950nm and 2500nm) and carbon dioxide absorption bands (1400nm, 1600nm and 2000nm)..." 
  11. ^ "EO Study: Does the Earth have an Iris Analog". NASA. اطلع عليه بتاريخ 2007-11-04. 
  12. ^ Cotton، William (2006). Human Impacts on Weather and Climate. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0521840864. "Little absorption is evident in the region called the atmospheric window between 8 and 14 μm"