Інфрачервоне вікно в атмосфері

Інфрачервоне вікно — загальна властивість земної атмосфери, взята «як є» в кожній її точці, постійно змінюється і залежна від безлічі факторів, таких, як ландшафт, температура, різні гази і т. д. Дана властивість дозволяє частині інфрачервоного (теплового) випромінювання[1], що виходить від поверхні хмар, земної та морської поверхні, йти в космос без відчутного поглинання і перевипромінювання, отже — без відчутного нагріву самої атмосфери.

Вікно не може бути чітко визначене, як частина або ряд частин електромагнітного спектру випромінювання, через те, що спектральний склад вікна та місцеві умови навколишнього середовища (водяна пара, температура випромінюючої поверхні і т. д.) сильно варіюються, що перешкоджає проходженню випромінювання. З цієї ж причини властивості вікна різні залежно він напряму поширення випромінювання (вертикально вгору або паралельно земній поверхні). Серйозний внесок у спектр поглинання вносить водяна пара (так званий «парниковий газ», поряд з вуглекислим газом, метаном, закисом азоту і озоном), що робить його найважливішим фактором у варіації властивостей вікна.

Важливо розуміти різницю між поняттями «атмосферне вікно» і «спектральне вікно». Атмосферне вікно — динамічна (мінлива) властивість атмосфери, а той час, як спектральне вікно — постійна характеристика поглинання випромінювання безлічі парникових газів. Атмосферне вікно каже, що конкретно в даний момент відбувається в атмосфері, а спектральне вікно показує вплив тільки одного з безлічі чинників на загальну картину^{[джерело?]}.

Слід також розрізняти значення «прозорість вікна» і «прозорість вікна по довжинах хвиль випромінювання». Прозорість вікна показує, яке випромінювання пройде через дану ділянку атмосфери з урахуванням усіх можливих у даному випадку факторів. Прозорість по довжинах хвиль показує лише інформацію про теоретичну можливість проходження хвилі конкретної довжини або діапазону довжин хвиль випромінювання через дану ділянку атмосфери.

Важливість інфрачервоного вікна в енергетичному балансі атмосфери було доведено Джорджем Сімпсоном в 1928 р., на основі лабораторних досліджень Г. Хеттнера 1918 р. по вивченню прогалин у спектрі поглинання водяної пари. У ті дні комп'ютери були недоступні, і Сімпсон використовував наближення; зокрема він писав: «Немає жодної надії знайти точне рішення, окрім як використовувати відповідні спрощення …» У нинішні дні з ростом обчислювальних можливостей машин, більш точні рішення стали можливі, і конкретні результати досліджень інфрачервоного вікна атмосфери були опубліковані.

Зовнішні зображення
	Спектр пропускання земної атмосфери

Інфрачервоне вікно атмосфери — шлях від земної поверхні в космос. Він поділяється на два компоненти випромінювання: випромінювання, що потрапляє у вікно і випромінювання, непотрапляюче у вікно. До даних компонентів неможливо застосувати закон Бугера-Ламберта-Бера, тому що для цього не вистачає початкових даних.

Причина в тому, що характеристики випромінювання вже визначені цим законом, тому повторно застосовувати закон було б помилково. Закон Бугера-Ламберта застосовується до випромінювання, для якого відоме джерело, а, отже, і характеристики випромінюваних ним хвиль, в той час, як невідомий напрямок, куди випромінювання піде. У разі атмосферного вікна якраз невідомі початкові характеристики випромінювання. Але відомо, куди випромінювання потрапить в кінцевому рахунку. Випромінювання, що потрапляє у вікно, піде в космос, що не потрапляє — повністю поглинеться атмосферою. Якщо ж розглядати ці випадки з точки зору закону Бугера-Ламберта, то частина випромінювання, що поглинається, і не потрапляє у вікно, може покинути атмосферу, тому кожен раз проходячи через чергову поглинаючу ділянку, частина випромінювання все одно пройде через неї, закон вкаже цю частину.

Випромінювання, поглинене атмосферою, переходить у кінетичну енергію молекул. Енергія поширюється відповідно до звичайної динаміки перенесення енергії в атмосфері.

Дані принципи для випромінювання, що потрапляє і не потрапляє в інфрачервоне вікно, витікають з визначення, що атмосферне вікно — динамічна властивість всієї атмосфери в цілому.

Поглинання інфрачервоного випромінювання парниковими газами найбільш сильне у двох діапазонах довжин хвиль. Хвиль довших 14мкм, такими газами, як вуглекислий газ, метан (поряд з іншими вуглеводнями, в залежності від довжини С-С ланцюжка), а також обертовими модами молекул водяної пари. І хвиль коротших 8 мкм молекулярними зв'язками води та аміаку. Виключенням є озон, зв'язки якого, поглинають у проміжку 8-14 мкм. Зв'язки між атомами вуглецю, водню, азоту і кисню не поглинають у цьому інтервалі, тому в цілому поглинання хвиль від 8 до 14 мкм в атмосфері слабке.

Для прикладу — довгохвильовий спектр, знятий над горами Атласу, містить випромінювання, що виходило від земної поверхні при температурі близько 320К, яке пройшло крізь атмосферне вікно, і випромінювання, що не потрапляло в прозорість вікна, яке виходило головним чином з тропосфери при температурах близько 260К. Аналогічна ситуація над Берегом Слонової Кістки: 265К пройшло від поверхні через вікно, і 240К з тропосфери.

Це означає, що випромінювання діапазону довжин хвиль 8-14 мкм, що виходить від земної поверхні і вершин хмар, у сухій атмосфері проходить в космос практично непоглиненим. Часткову прозорість також зафіксовано у дальньому інфрачервоному спектрі в діапазоні 16-28 мкм. Хмари — найсильніші джерела ІЧ-випромінювання. Доля випромінювання від хмар, що проходить через вікно, зростає в широтах, де температура повітря мала, але також у тих широтах, де вміст водяної пари у шарах, розташованих над хмарами, менша, ніж у нижніх. Крім того, кількість випромінювання, поглиненого водяною парою, зменшується разом з падінням тиску. Пояснюється це тим, что водяна пара стає менш концентрованою, а отже і поглинання ним випромінювання в цілому падає. Отже, випромінювання, в складі вікна виходить головним чином від поверхні хмар, що пояснює таку високу інтенсивність випромінювання від них. Але є думка, що це випромінювання затінює вікно лише у малому діапазоні.

Зовнішні зображення
	ІЧ-вікно. Механізм дії

Без наявності прозорого ІЧ-вікна, Земля стане значно гарячішою для існування життя, і, можливо, настільки гарячішою, що втратить свою вологу, як це сталося на Венері. Наявність ІЧ-вікна критична для Землі, щоб залишатися населеною планетою.

В останні десятиліття прозорість ІЧ-вікна поставлено під загрозу створенням високоінертних газів, що містять зв'язки між фтором і вуглецем, або сіркою. Частоти зв'язків між фтором і іншими легкими неметалами такі, що сильне поглинання в атмосферному ІЧ-вікні буде характеристикою компонентів, що містять саме ці зв'язки. Поглинання підсилюється тим, що дані зв'язки полярні, в силу електровід'ємності атома фтору. Зв'язки, що утворюються з іншими галогенами також поглинають випромінювання в діапазоні ІЧ-вікна, але не настільки сильно.

Більш того, інертність даних газів робить їх дуже цінними в промисловості, що означає, що їх неможливо виключити з циркуляції атмосферного повітря. Відомо, що фторвуглеці (CF4, C2 F6, C3 F8) можуть залишатися в атмосфері понад 50 тис. років — факт, який може бути недооціненим через відсутність природних джерел цих газів.

Це означає, що дані сполуки, мають чужорідний потенціал, який сприяє перегріву. Один кілограм гексафториду сірки підсилує парниковий ефект так, як 23 т вуглекислого газу за 100 років. Фторовуглеці подібні щодо цього. Тетрахлорметан дає вклад в парниковий ефект в 1800 разів більший від вуглекислого газу.

Пошуки заміни даним сполукам тривають і залишаються дуже проблематичними.

• Інфрачервоне випромінювання
• Парникові гази
• Глобальне потепління
• Чутливість клімату
• Зміна клімату
• Закон Бугера-Ламберта-Бера

• Матвеев Л. Т. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы. — Л., 1965; СПб, Гидрометеоиздат, 2000. — 751 с.
• Хргиан А. Х. Физика атмосферы. — Л., 1969.
• Гуди Р. М., Вокер Дж. Атмосферы. — М., 1975.
• Воронков Н. А. Экология. Общая, социальная, прикладная: Уч. пособие. — М.: Агар, 1999. — 424 с.
• Хотунцев Ю. Л. Экология и экологическая безопасность: Уч. пособие. — М.: ACADEMA, 2002. — 480 с.

• Инфракрасное излучение и изменение климата