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 los IR salientes al espacio. En la atmósfera terrestre, esta ventana es aproximadamente de 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 la emisión térmica superficial que comienza en aproximadamente 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 la 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 de energía atmosférica 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, las computadoras no estaban disponibles y Simpson señala que usó aproximaciones; escribe sobre la necesidad de esto para calcular la radiación IR saliente: "No hay esperanza de obtener una solución exacta; pero haciendo supuestos simplificadores adecuados ...". [8] Hoy en día, son posibles cálculos precisos línea por línea, y se han publicado estudios cuidadosos de la espectroscopia de gases atmosféricos infrarrojos.
Mecanismos en la ventana atmosférica infrarroja
Los principales gases de efecto invernadero naturales en orden de importancia son el vapor de agua H
2O , dióxido de carbono CO
2, ozono O
3, metano CH
4y óxido nitroso N
2O . La concentración del menos común de estos, N
2O , es de aproximadamente 400 ppbV. [9] Otros gases que contribuyen al efecto invernadero están presentes a niveles de pptV. Estos incluyen los clorofluorocarbonos (CFC) y los hidrofluorcarbonos (HFC y HCFC). Como se analiza a continuación, una de las principales razones por las que son tan efectivos como gases de efecto invernadero es que tienen fuertes bandas vibratorias que caen en la ventana atmosférica infrarroja. Absorción de infrarrojos por CO
2a 14,7 μm establece el límite de longitud de onda larga de la ventana atmosférica infrarroja junto con la absorción por transiciones rotacionales de H
2O en longitudes de onda ligeramente más largas. El límite de longitud de onda corta de la ventana de infrarrojos atmosféricos se establece por absorción en las bandas vibratorias de frecuencia más baja de 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 a la ampliación por colisión de las líneas de absorción que se extienden a través de la ventana. [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [10] La humedad local muy alta puede bloquear completamente la ventana de vibración infrarroja.
Sobre las montañas del Atlas , los espectros registrados interferométricamente de la radiación de onda larga saliente [11] muestran emisiones que han surgido de la superficie terrestre a una temperatura de aproximadamente 320 K y han pasado a través de la ventana atmosférica, y emisiones sin ventana que se han originado principalmente en la troposfera. a temperaturas de alrededor de 260 K.
Sobre Côte d'Ivoire , los espectros registrados interferométricamente de la radiación de onda larga saliente [11] muestran emisiones que han surgido de las cimas de las nubes a una temperatura de aproximadamente 265 K y han pasado a través de la ventana atmosférica, y emisiones que no son de ventana que se han originado principalmente en troposfera a temperaturas de alrededor de 240 K. Esto significa que, en el continuo de longitudes de onda apenas absorbido (8 a 14 μm), la radiación emitida, por la superficie de la tierra hacia una atmósfera seca y por las cimas de las nubes, pasa en su mayoría sin absorber a través de la atmósfera. y se emite directamente al espacio; también hay transmisión de ventana parcial en líneas espectrales de infrarrojo lejano entre aproximadamente 16 y 28 µm. Las nubes son excelentes emisoras de radiación infrarroja. La radiación de las ventanas desde la cima de las nubes surge en 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 más bajo que el del aire en la superficie de la tierra y el mar. Además, [10] la absortividad continua del vapor de agua, molécula por molécula, disminuye con la disminución de la presión. Así, el vapor de agua sobre las nubes, además de estar menos concentrado, también absorbe menos que el vapor de agua en 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 fuentes fuertes de radiación de ventanas; es decir, en efecto, las nubes obstruyen la ventana sólo en pequeña medida (ver otra opinión al respecto, propuesta por Ahrens (2009) en la página 43 [12] ).
Importancia para la vida
Sin la ventana atmosférica infrarroja, la Tierra se volvería demasiado cálida para sustentar la vida, y posiblemente tan caliente que perdería su agua, como lo hizo 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 .
Amenazas
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-americano Veerabhadran Ramanathan en 1975, [13] un año después del documento 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 dichos enlaces, [14] aunque los fluoruros de los no metales distintos del carbono, el nitrógeno o el azufre son de corta duración. debido a la hidrólisis . Esta absorción se ve reforzada porque estos enlaces son altamente polares debido a la extrema electronegatividad del átomo de flúor. Los enlaces a otros halógenos también se absorben en la ventana atmosférica, aunque con mucha menos fuerza. [14]
Además, la naturaleza no reactiva de tales 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 la fluorita y la posterior reacción con minerales de sulfato o carbonato producen mediante la desgasificación concentraciones atmosféricas de aproximadamente 40 ppt para todos los perfluorocarbonos y 0,01 ppt para el hexafluoruro de azufre, [15] pero el único techo natural es mediante fotólisis. en la mesosfera y estratosfera superior. [16] Se estima, por ejemplo, que los perfluorocarbonos ( CF4, C2F6, C3F8) puede permanecer en la atmósfera entre dos mil seiscientos cincuenta mil años. [17]
Esto significa que dichos compuestos tienen un enorme potencial de calentamiento global . Un kilogramo de hexafluoruro de azufre , por ejemplo, provocará tanto calentamiento como 23 toneladas de dióxido de carbono en 100 años. Los perfluorocarbonos son similares a este respecto, e incluso el tetracloruro de carbono ( CCl
4) tiene un potencial de calentamiento global de 1800 en comparación con el dióxido de carbono. Estos compuestos siguen siendo muy problemáticos con un esfuerzo continuo para encontrar sustitutos para ellos.
Ver también
- Efecto invernadero
- Gases de efecto invernadero
- Astronomía infrarroja
- Ventana optica
- El agotamiento de la capa de ozono
- Ventana de radio
Referencias
- ^ "Glosario de meteorología de la Sociedad Meteorológica Estadounidense" .
- ^ a b Paltridge, GW; Platt, CMR (1976). Procesos Radiativos en Meteorología y Climatología . Elsevier. págs. 139–140, 144–7, 161–4. ISBN 0-444-41444-4.
- ^ a b Goody, RM; Yung, YL (1989). Radiación atmosférica. Base teórica (2ª ed.). Prensa de la Universidad de Oxford. págs. 201–4. ISBN 0-19-505134-3.
- ^ a b Liou, KN (2002). Introducción a la radiación atmosférica (2ª ed.). Académico. pag. 119. ISBN 0-12-451451-0.
- ^ a b Stull, R. (2000). Meteorología, para científicos e ingenieros . Delmont CA: Brooks / Cole. pag. 402. ISBN 978-0-534-37214-9.
- ^ a b Houghton, JT (2002). La física de las atmósferas (3ª ed.). Prensa de la Universidad de Cambridge. págs. 50, 208. ISBN 0-521-80456-6.
- ^ a b Hettner, G. (1918). "Über das ultrarote Absorptionsspektrum des Wasserdampfes" . Annalen der Physik . 4. 55 (6): 476–497 incluida la figura desplegable. Código Bibliográfico : 1918AnP ... 360..476H . doi : 10.1002 / yp.19183600603 .
- ^ a b "Copia archivada" . Archivado desde el original el 22 de abril de 2008 . Consultado el 26 de junio de 2009 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )Simpson, GC (1928). "Más estudios en radiación terrestre". Memorias de la Real Sociedad Meteorológica . 3 (21): 1–26.
- ^ Blasing, TJ (2009). "Concentraciones recientes de gases de efecto invernadero" . doi : 10.3334 / CDIAC / atg.032 . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ a b Daniel, JS; Solomon, S .; Kjaergaard, HG; Schofield, DP (2004). "Complejos de vapor de agua atmosférico y el continuo" . Cartas de investigación geofísica . 31 (6): L06118. Código bibliográfico : 2004GeoRL..31.6118D . doi : 10.1029 / 2003GL018914 .
- ^ a b Hanel, RA; Conrath, BJ; Kunde, VG; Prabhakara, C .; Revah, I .; Salomonson, VV; Wolford, G. (1972). "El experimento de espectroscopía infrarroja Nimbus 4. 1. Espectros de emisión térmica calibrados". Revista de Investigación Geofísica . 77 (15): 2629–41. Código bibliográfico : 1972JGR .... 77.2629H . doi : 10.1029 / JC077i015p02629 .
- ^ Ahrens, CD (2009). Meteorología hoy . Belmont CA: Brooks / Cole. ISBN 978-0-495-55573-5.
- ^ Ramanathan, Veerabhadran; 'Efecto invernadero debido a los clorofluorocarbonos: implicaciones climáticas'; Science , vol. 190, no. 4209 (3 de octubre de 1975), págs. 50–52
- ^ a b Bera, Partha P .; Francisco, Joseph S. y Lee, Timothy J .; 'Identificación del origen molecular del calentamiento global'; Revista de Química Física ; 113 (2009), págs. 12694-12699
- ^ Harnisch, J. y Eisenhauer, A .: 'Natural CF 4 y SF 6 en la Tierra', Geophysical Research Letters , vol. 25 (1998), págs. 2401–2404
- ^ Kovács, Tamás; Wuhu Feng; Totterdill, Anna; Plano, John MC; Dhomse, Sandip; Gómez-Martín, Juan Carlos; Stiller, Gabriele P .; Haenel, Florian J .; Smith, Christopher; Forster, Piers M .; García, Rolando R .; Marsh, Daniel R. y Chipperfield, Martyn P .; 'Determinación de la vida atmosférica y el potencial de calentamiento global del hexafluoruro de azufre utilizando un modelo tridimensional'
- ^ Midgeley, PM y McCulloch, A .; Propiedades y aplicaciones de los halocarbonos industriales , en Fabian, Peter y Singh, Onkar N. (editores); Compuestos halógenos reactivos en la atmósfera, volumen 4 , pág. 134 ISBN 3540640908
Libros
- Mihalas, D .; Weibel-Mihalas, B. (1984). Fundamentos de la hidrodinámica de la radiación . Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 0-19-503437-6.
enlaces externos
- Ventana atmosférica de infrarrojos