Войти
Спектр поглощения (коэффициент затухания в зависимости от длины волны) жидкой воды (красный), атмосферный водяной пар (зеленый) и лед (синяя линия) между 667 нм и 200 мкм. График для пара представляет собой преобразование данных синтетического спектра для газовой смеси «Pure H 2 O» (296K, 1 атм), полученных из Hitran в информационной системе Интернета. 
Спектр поглощения воды жидкостью в широком диапазоне длин волн Поглощение электромагнитного излучения водой зависит от состояния воды..
Поглощение в газовой фазе происходит в трех областях спектра. Вращательные переходы ответственны за поглощение в микроволновом и дальнем инфракрасном диапазоне, колебательные переходы в среднем инфракрасном и ближнем -инфракрасный. Колебательные полосы имеют вращательную тонкую структуру. Электронные переходы происходят в областях вакуумного ультрафиолета.
Жидкая вода не имеет вращательного спектра, но поглощает в микроволновом диапазоне. Его слабое поглощение в видимом спектре приводит к бледно-голубому цвету воды.
Молекула воды в газообразном состоянии имеет три типа перехода, которые могут вызвать поглощение электромагнитного излучения:
В действительности колебания молекул в газообразном состоянии сопровождаются вращательными переходами, вызывая колебание-вращение спектр. Кроме того, колебательные обертоны и комбинированные полосы встречаются в ближней инфракрасной области. В базе данных HITRAN спектроскопии перечислено более 37000 спектральных линий для газообразного H 2 O, начиная с микроволн область до видимого спектра.
В жидкой воде вращательные переходы эффективно гасятся, но на полосы поглощения влияет водородная связь. В кристаллическом льду на колебательный спектр также влияет водородная связь, и существуют колебания решетки, вызывающие поглощение в дальней инфракрасной области. Электронные переходы газообразных молекул демонстрируют тонкую структуру как колебательной, так и вращательной.
Положения полос инфракрасного поглощения могут быть указаны либо в длине волны (обычно в микрометрах, мкм), либо в волновом числе (обычно в обратных сантиметрах, см) шкале.
Часть спектра поглощения водяного пара при чистом вращении 
Вращающаяся молекула воды Молекула воды представляет собой асимметричную вершину, то есть имеет три независимые моменты инерции. Вращение вокруг оси симметрии 2-го порядка показано слева. Из-за низкой симметрии молекулы можно наблюдать большое количество переходов в области дальней инфракрасной области спектра. Измерения микроволновых спектров дали очень точное значение для длины связи O-H , 95,84 ± 0,05 пм и связи H-O-H . угол, 104,5 ± 0,3 °.
ν1, симметричное растяжение ОН. 3657 см (2,734 мкм) 
ν2, HOH изгиб. 1595 см (6,269 мкм) 
ν3, асимметричное растяжение ОН. 3756 см (2,662 мкм) Молекула воды имеет три основных молекулярных колебания. Валентные колебания ОН приводят к появлению полос поглощения с началом полосы при 3657 см (ν 1, 2,734 мкм) и 3756 см (ν 3, 2,662 мкм). в газовой фазе. Асимметричное растягивающее колебание с симметрией B 2 в точечной группе C2vявляется нормальной вибрацией. Источник изгибной моды H-O-H находится на расстоянии 1595 см (ν 2, 6,269 мкм). И симметричные растягивающие, и изгибные колебания обладают симметрией A 1, но разница частот между ними настолько велика, что смешение фактически равно нулю. В газовой фазе все три полосы демонстрируют обширную вращательную тонкую структуру. В ближнем инфракрасном спектре ν3имеет серию обертонов с волновыми числами несколько меньше n · ν 3, n = 2,3,4,5.. Комбинированные полосы, такие как ν 2 + ν 3, также легко наблюдаются в ближней инфракрасной области. Присутствие водяного пара в атмосфере важно для химии атмосферы, особенно потому, что инфракрасные и ближние инфракрасные спектры легко наблюдать. Стандартные (атмосферные оптические) коды присваиваются полосам поглощения следующим образом. 0,718 мкм (видимый): α, 0,810 мкм: μ, 0,935 мкм: ρστ, 1,13 мкм: φ, 1,38 мкм: ψ, 1,88 мкм: Ω, 2,68 мкм: X. Промежутки между полосами определяют инфракрасное окно в атмосфере Земли.
В инфракрасном спектре жидкой воды преобладает интенсивное поглощение из-за фундаментальных валентных колебаний ОН. Из-за высокой интенсивности необходимы очень короткие пути, обычно менее 50 мкм, для записи спектров водных растворов. Вращательной тонкой структуры нет, но полосы поглощения шире, чем можно было бы ожидать, из-за водородных связей. Максимумы пиков для жидкой воды наблюдаются при 3450 см (2,898 мкм), 3615 см (2,766 мкм) и 1640 см (6,097 мкм). Прямое измерение инфракрасных спектров водных растворов требует, чтобы окна кювет были изготовлены из таких веществ, как фторид кальция, которые нерастворимы в воде. Эту трудность можно альтернативно преодолеть, используя устройство с ослабленным полным коэффициентом отражения (ATR), а не пропускание.
В ближнем инфракрасном диапазоне жидкая вода имеет полосы поглощения около 1950 нм (5128 см), 1450 нм (6896 см), 1200 нм (8333 см) и 970 нм (10300 см). Области между этими полосами можно использовать в спектроскопии в ближней инфракрасной области для измерения спектров водных растворов, с тем преимуществом, что стекло прозрачно в этой области, поэтому можно использовать стеклянные кюветы. Интенсивность поглощения слабее, чем у основных колебаний, но это не важно, поскольку можно использовать кюветы с большей длиной пути. Полоса поглощения при 698 нм (14300 см) - это 3-й обертон (n = 4). Он заканчивается видимой областью и отвечает за собственный синий цвет воды. Это можно наблюдать с помощью стандартного УФ / видимого спектрофотометра, используя длину пути 10 см. Цвет можно увидеть невооруженным глазом, посмотрев сквозь столб воды длиной около 10 м; воду необходимо пропускать через ультрафильтр, чтобы устранить цвет из-за рэлеевского рассеяния, которое также может сделать воду синей.
Спектр льда аналогичен спектру льда жидкая вода с максимумами на 3400 см (2,941 мкм), 3220 см (3,105 мкм) и 1620 см (6,17 мкм)
Как в жидкой воде, так и в скоплениях льда возникают низкочастотные колебания, которые включают растяжение (TS) или изгиб (TB) межмолекулярных водородных связей (O – H ••• O). Полосы на длинах волн λ = 50-55 мкм или 182-200 см (44 мкм, 227 см во льду) были отнесены к TS, межмолекулярному растяжению, а 200 мкм или 50 см (166 мкм, 60 см во льду) - к TB., межмолекулярный изгиб
| ν1, ν 3 | ν2 | длина волны / нм |
|---|---|---|
| 4 | 0 | 742 |
| 4 | 1 | 662 |
| 5 | 0 | 605 |
| 5 | 1 | 550 |
| 6 | 0 | 514 |
| 6 | 1 | 474 |
| 7 | 0 | 449 |
| 7 | 1 | 418 |
| 8 | 0 | 401 |
| 8 | 1 | 376 |
Коэффициенты поглощения для 200 нм и 900 нм практически равны на длине волны 6,9 м ( длина затухания 14,5 см). Очень слабое поглощение света в видимой области жидкой водой было измерено с помощью измерителя поглощения интегрирующей полости (ICAM). Поглощение было отнесено к последовательности обертоновых и комбинированных полос, интенсивность которых уменьшается на каждом шаге, приводя к абсолютному минимуму на 418 нм, на этой длине волны коэффициент затухания составляет около 0,0044 м, что составляет длину затухания около 227 метров. Эти значения соответствуют чистому поглощению без эффектов рассеяния. Затухание, например, лазерного луча будет немного сильнее.
Спектр поглощения видимого света чистой воды (коэффициент поглощения в зависимости от длины волны) Электронные переходы молекулы воды лежат в вакуумном ультрафиолете регион. Для водяного пара полосы были распределены следующим образом.
Диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери воды между 0 ° C и 100 ° C, стрелки показывают эффект повышения температуры Чистая спектр вращения водяного пара простирается в микроволновую область.
Жидкая вода имеет широкий спектр поглощения в микроволновом диапазоне, что было объяснено с точки зрения изменений в сетке водородных связей, приводящих к появлению широкого, безликого, микроволнового спектра. Поглощение (эквивалентное диэлектрическим потерям ) используется в микроволновых печах для нагрева пищи, содержащей молекулы воды. Обычно используется частота 2,45 ГГц, длина волны 122 мм.
Радиосвязь на частотах ГГц очень затруднена в пресных водах и тем более в соленых водах.
Спектр поглощения синтетической палочки простой газовой смеси, соответствующей составу атмосферы Земли на основе данных HITRAN, созданных с помощью Hitran в веб-системе. Зеленый цвет - водяной пар, WN - волновое число (осторожно: меньшие длины волн справа, большие слева). Концентрация водяного пара в этой газовой смеси составляет 0,4%. Водяной пар - это парниковый газ в атмосфере Земли, ответственный за 70% известного поглощения поступающих солнечный свет, особенно в инфракрасной области, и около 60% атмосферного поглощения теплового излучения Землей, известного как парниковый эффект. Это также важный фактор в получении мультиспектральных изображений и гиперспектральных изображениях, используемых в дистанционном зондировании, поскольку водяной пар по-разному поглощает излучение в разных спектральных диапазонах. Его эффекты также являются важным фактором в инфракрасной астрономии и радиоастрономии в микроволновом или миллиметровом диапазоне волн. Телескоп Южного полюса был построен в Антарктиде отчасти потому, что высота над уровнем моря и низкие температуры означают, что в атмосфере очень мало водяного пара.
Аналогично, полосы поглощения углекислого газа встречаются в области 1400, 1600 и 2000 нм, но его присутствие в атмосфере Земли составляет всего 26% парникового эффекта. Углекислый газ поглощает энергию в некоторых небольших сегментах теплового инфракрасного спектра, которые пропускает водяной пар. Это дополнительное поглощение в атмосфере заставляет воздух немного нагреваться, и чем теплее атмосфера, тем больше ее способность удерживать больше водяного пара. Это дополнительное поглощение водяного пара дополнительно усиливает парниковый эффект Земли.
В атмосферном окне между примерно 8000 и 14000 нм, в дальней инфракрасной области спектра, поглощение двуокиси углерода и воды является слабым. Это окно позволяет излучать большую часть теплового излучения в этом диапазоне в космос прямо с поверхности Земли. Этот диапазон также используется для дистанционного зондирования Земли из космоса, например, для получения тепловых инфракрасных изображений.
Водяной пар не только поглощает излучение, но и иногда испускает излучение во всех направлениях, согласно кривой излучения черного тела для его текущей температуры, наложенной на спектр поглощения воды. Большая часть этой энергии будет улавливаться другими молекулами воды, но на больших высотах излучение, направленное в космос, с меньшей вероятностью будет улавливаться, поскольку для повторного улавливания излучения с определенными для воды поглощающими длинами волн доступно меньше воды. В верхней части тропосферы, примерно на 12 км над уровнем моря, большая часть водяного пара конденсируется в жидкую воду или лед, выделяя свое тепло испарения. После изменения состояния жидкая вода и лед опадают на более низкие высоты. Это будет уравновешено поступающим водяным паром, поднимающимся за счет конвекционных потоков.
Жидкая вода и лед излучают более интенсивно, чем водяной пар (см. График выше). Вода в верхней части тропосферы, особенно в жидком и твердом состояниях, охлаждается, поскольку испускает чистые фотоны в космос. Соседние молекулы газа, отличные от воды (например, азота), охлаждаются, кинетически передавая тепло воде. Вот почему температура в верхней части тропосферы (известная как тропопауза ) составляет около -50 градусов по Цельсию.
 | На Викискладе есть материалы по теме Электромагнитное поглощение водой. |
