نافذة الأشعة تحت الحمراء

الموسوعة الحرة
وباعتبارها الجزء الرئيسي من طيف "النافذة"، يمكن رؤية "نافذة" واضحة لانتقال الطيف الكهرومغناطيسي بين 8 و14 ميكرومتر. ويمكن أيضًا رؤية جزء مجزأ من طيف "النافذة" (يمكن للمرء أن يقول جزءًا من "النافذة") في الأشعة تحت الحمراء المرئية إلى متوسطة الطول الموجي بين 0.2 و5.5 ميكرومتر.

نافذة الأشعة تحت الحمراء الجوية هي نافذة جوية في طيف الأشعة تحت الحمراء حيث يكون هناك امتصاص ضئيل نسبيًا للإشعاع الحراري الأرضي بواسطة الغازات الجوية. [1] تلعب النافذة دورًا مهمًا في تأثير الاحتباس الحراري الجوي من خلال الحفاظ على التوازن بين الإشعاع الشمسي الوارد والأشعة تحت الحمراء الصادرة إلى الفضاء. في الغلاف الجوي للأرض، تكون هذه النافذة تقريبًا المنطقة بين 8 و 14 ميكرومتر على الرغم من أنه يمكن تضييقها أو إغلاقها في أوقات وأماكن ذات رطوبة عالية بسبب الامتصاص القوي في استمرارية بخار الماء أو بسبب الحجب بواسطة السحب. [2] [3] [4] [5] [6] إنها تغطي جزءًا كبيرًا من الطيف من الانبعاث الحراري السطحي والذي يبدأ عند حوالي 5 ميكرومتر . إنها في الأساس فجوة كبيرة في طيف امتصاص بخار الماء. يلعب ثاني أكسيد الكربون دورًا مهمًا في تحديد الحدود عند نهاية الطول الموجي الطويل. يمنع الأوزون جزئيًا النقل في منتصف النافذة.

اكتشف جورج سيمبسون أهمية نافذة الأشعة تحت الحمراء الجوية في توازن الطاقة الجوية في عام 1928، استنادًا إلى الدراسات المعملية التي أجراها جي هيتنر عام 1918 [7] للفجوة في طيف امتصاص بخار الماء. في تلك الأيام، لم تكن أجهزة الكمبيوتر متاحة، ويشير سيمبسون إلى أنه استخدم التقريبات؛ ويكتب عن الحاجة إلى ذلك من أجل حساب الإشعاع تحت الأحمر الصادر: "لا يوجد أمل في الحصول على حل دقيق؛ ولكن من خلال إجراء افتراضات تبسيط مناسبة ..." [8] في الوقت الحاضر، أصبحت الحسابات الدقيقة سطرًا بسطر ممكنة، وقد نُشرت دراسات دقيقة عن التحليل الطيفي للغازات الجوية تحت الحمراء.

الآليات

الغازات الدفيئة الطبيعية الرئيسية حسب أهميتها هي بخار الماء H
2O ، ثاني أكسيد الكربون CO
2, الأوزون
3، الميثان CH
4وأكسيد النيتروز N
2O. تركيز أقل هذه العناصر شيوعًا، وهو النيتروجين
2يبلغ تركيز الأكسجين حوالي 400 جزء في المليار (بالحجم). [ بحاجة لتوضيح ] [9] توجد غازات أخرى تساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري بمستويات جزء في الألف. وتشمل هذه مركبات الكلورو فلورو كربون (CFCs) والهالونات والهيدرو فلورو كربون (HFC وHCFCs). وكما تمت مناقشته أدناه، فإن السبب الرئيسي وراء فعاليتها كغازات دفيئة هو أن لها نطاقات اهتزازية قوية تقع في نافذة الأشعة تحت الحمراء الجوية. امتصاص الأشعة تحت الحمراء بواسطة ثاني أكسيد الكربون
2عند 14.7 ميكرومتر يتم تحديد حد الطول الموجي الطويل لنافذة الأشعة تحت الحمراء الجوية مع الامتصاص عن طريق التحولات الدورانية للهيدروجين
2O عند أطوال موجية أطول قليلاً. يتم تعيين حدود الطول الموجي القصير لنافذة الأشعة تحت الحمراء الجوية عن طريق الامتصاص في أدنى نطاقات اهتزازية ترددية لبخار الماء. يوجد نطاق قوي من الأوزون عند 9.6 ميكرومتر في منتصف النافذة وهذا هو السبب في أنه يعمل كغاز دفيئة قوي. يتمتع بخار الماء بامتصاص مستمر بسبب الاتساع التصادمي لخطوط الامتصاص التي تمتد عبر النافذة. [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [10] يمكن للرطوبة المحلية العالية جدًا أن تحجب نافذة الاهتزاز بالأشعة تحت الحمراء تمامًا.

فوق جبال الأطلس ، تظهر الأطياف المسجلة تداخليًا للإشعاع الموجي الطويل الصادر [11] انبعاثًا نشأ من سطح الأرض عند درجة حرارة حوالي 320 كلفن ومر عبر نافذة الغلاف الجوي، وانبعاثًا غير نافذة نشأ بشكل أساسي من طبقة التروبوسفير عند درجات حرارة حوالي 260 كلفن.

فوق ساحل العاج ، تُظهر الأطياف المسجلة بالتداخل للإشعاع الموجي الطويل الصادر [11] انبعاثًا نشأ من قمم السحب عند درجة حرارة حوالي 265 كلفن ومر عبر النافذة الجوية، وانبعاثًا غير نافذة نشأ بشكل أساسي من طبقة التروبوسفير عند درجات حرارة حوالي 240 كلفن. وهذا يعني أنه عند الاستمرارية التي يتم امتصاصها بالكاد من الأطوال الموجية (8 إلى 14 ميكرومتر)، فإن الإشعاع المنبعث من سطح الأرض إلى الغلاف الجوي الجاف ومن قمم السحب يمر في الغالب دون امتصاص عبر الغلاف الجوي، وينبعث مباشرة إلى الفضاء؛ هناك أيضًا انتقال جزئي للنافذة في خطوط الطيف تحت الحمراء البعيدة بين حوالي 16 و28 ميكرومتر. السحب هي مصادر ممتازة لإشعاع الأشعة تحت الحمراء. ينشأ إشعاع النافذة من قمم السحب على ارتفاعات تكون فيها درجة حرارة الهواء منخفضة، ولكن كما يُرى من تلك الارتفاعات، فإن محتوى بخار الماء في الهواء أعلاه أقل بكثير من محتوى الهواء على سطح الأرض والبحر. وعلاوة على ذلك، [10] تقل قدرة امتصاص بخار الماء المتواصل، جزيءًا بجزيء، مع انخفاض الضغط. وبالتالي فإن بخار الماء فوق السحب، بالإضافة إلى كونه أقل تركيزًا، يكون أيضًا أقل امتصاصًا من بخار الماء على ارتفاعات أقل. وبالتالي، فإن النافذة الفعالة كما تُرى من ارتفاعات قمم السحب تكون أكثر انفتاحًا، ونتيجة لذلك فإن قمم السحب هي مصادر قوية فعليًا لإشعاع النافذة؛ وهذا يعني أن السحب في الواقع تعيق النافذة بدرجة صغيرة فقط (انظر رأيًا آخر حول هذا الموضوع، اقترحه أهرينز (2009) على الصفحة 43 [12] ).

أهمية للحياة

بدون نافذة الغلاف الجوي تحت الأحمر، ستصبح الأرض دافئة للغاية بحيث لا تدعم الحياة، وربما تكون دافئة لدرجة أنها ستفقد مياهها، كما حدث مع كوكب الزهرة في وقت مبكر من تاريخ النظام الشمسي . وبالتالي، فإن وجود نافذة الغلاف الجوي أمر بالغ الأهمية لبقاء الأرض كوكبًا صالحًا للحياة .

كاستراتيجية إدارة مقترحة للاحتباس الحراري العالمي، تستخدم أسطح التبريد الإشعاعي النهاري السلبي (PDRC) نافذة الأشعة تحت الحمراء لإرسال الحرارة مرة أخرى إلى الفضاء الخارجي بهدف عكس ارتفاع درجات الحرارة الناجم عن تغير المناخ . [13] [14]

التهديدات

في العقود الأخيرة، أصبح وجود نافذة الأشعة تحت الحمراء الجوية مهددًا بسبب تطور الغازات شديدة عدم التفاعل والتي تحتوي على روابط بين الفلور والكربون أو الكبريت أو النيتروجين . تم اكتشاف تأثير هذه المركبات لأول مرة من قبل عالم الغلاف الجوي الهندي الأمريكي فيرابهادران راماناثان في عام 1975، [15] بعد عام واحد من ورقة رولاند ومولينا الأكثر شهرة حول قدرة مركبات الكلورو فلورو كربون على تدمير الأوزون الستراتوسفيري .

إن "ترددات التمدد" للروابط بين الفلور وغيره من اللافلزات الخفيفة هي بحيث يكون الامتصاص القوي في النافذة الجوية دائمًا سمة مميزة للمركبات التي تحتوي على مثل هذه الروابط، [16] على الرغم من أن الفلوريدات من اللافلزات الأخرى غير الكربون أو النيتروجين أو الكبريت قصيرة العمر بسبب التحلل المائي . يتم تعزيز هذا الامتصاص لأن هذه الروابط شديدة الاستقطاب بسبب السالبية الكهربية الشديدة لذرة الفلور. تمتص الروابط مع الكلور [16] والبروم [17] أيضًا في النافذة الجوية، وإن كان ذلك بقوة أقل بكثير.

علاوة على ذلك، فإن الطبيعة غير التفاعلية لهذه المركبات التي تجعلها ذات قيمة كبيرة للعديد من الأغراض الصناعية تعني أنها غير قابلة للإزالة في الدورة الطبيعية للغلاف الجوي السفلي للأرض. تنتج المصادر الطبيعية الصغيرة للغاية التي تم إنشاؤها عن طريق الأكسدة الإشعاعية للفلوريت والتفاعل اللاحق مع معادن الكبريتات أو الكربونات عن طريق إزالة الغازات تركيزات جوية تبلغ حوالي 40 جزء في الألف لجميع مركبات الكربون المشبعة بالفلور و0.01 جزء في الألف لسداسي فلوريد الكبريت، [18] ولكن السقف الطبيعي الوحيد هو عن طريق التحلل الضوئي في طبقة الميزوسفير والستراتوسفير العليا. [19] يُقدر أن مركبات الكربون المشبعة بالفلور ( CF
4, ج
2ف
6, ج
3ف
8)، والتي تنشأ من الإنتاج التجاري للمخدرات والمبردات والبوليمرات [20] يمكن أن تبقى في الغلاف الجوي لمدة تتراوح بين ألفين وستمائة وخمسين ألف سنة. [21]

وهذا يعني أن مثل هذه المركبات تمتلك إمكانات هائلة في الاحترار العالمي . على سبيل المثال، سيتسبب كيلوغرام واحد من سادس فلوريد الكبريت في ارتفاع درجة حرارة الأرض بقدر ما قد يتسبب فيه 26.7 طنًا من ثاني أكسيد الكربون على مدار 100 عام، وما يصل إلى 37.6 طنًا على مدار 500 عام. [22] وتتشابه مركبات الكربون المشبعة بالفلور في هذا الصدد، وحتى رباعي كلوريد الكربون ( CCl)
4) لديه إمكانية الاحتباس الحراري العالمي بمقدار 2310 مقارنة بثاني أكسيد الكربون. [22] لا تزال المركبات المهلجنة قصيرة العمر إلى حد ما تتمتع بإمكانات عالية إلى حد ما في الاحتباس الحراري العالمي: على سبيل المثال، الكلوروفورم ، الذي يبلغ عمره الافتراضي 0.5 عام، لا يزال لديه إمكانية الاحتباس الحراري العالمي بمقدار 22؛ الهالوثان ، الذي يبلغ عمره الافتراضي عامًا واحدًا فقط، لديه إمكانية الاحتباس الحراري العالمي بمقدار 47 على مدى 100 عام، [22] والهالون 1202 ، الذي يبلغ عمره الافتراضي 2.9 عام، لديه إمكانية الاحتباس الحراري العالمي لمدة 100 عام 231 مرة من ثاني أكسيد الكربون. [23] لا تزال هذه المركبات تشكل مشكلة كبيرة مع الجهود الجارية لإيجاد بدائل لها.

انظر أيضا

مراجع

  1. ^ "معجم الأرصاد الجوية للجمعية الأمريكية للأرصاد الجوية".
  2. ^ ab Paltridge, GW; Platt, CMR (1976). Radiative Processes in Meteorology and Climatology. Elsevier. ص.  139– 140، 144– 147، 161– 4. ISBN 0-444-41444-4.
  3. ^ ab Goody, RM; Yung, YL (1989). Atmospheric Radiation. Theoretical Basis (الطبعة الثانية). Oxford University Press. ص.  201– 4. ISBN 0-19-505134-3.
  4. ^ ab Liou, KN (2002). مقدمة للإشعاع الجوي (الطبعة الثانية). أكاديمي. ص. 119. ISBN 0-12-451451-0.
  5. ^ ab Stull, R. (2000). Meteorology, for Scientific and Engineers. Delmont CA: Brooks/Cole. p. 402. ISBN 978-0-534-37214-9.
  6. ^ ab Houghton, JT (2002). The Physics of Atmospheres (الطبعة الثالثة). مطبعة جامعة كامبريدج. ص 50، 208. ISBN 0-521-80456-6.
  7. ^ أب هيتنر ، ج. (1918). "Über das Ultrarote Absorptionsspektrum des Wasserdampfes". أنالين دير فيزيك . 4. 55 (6): 476-497 بما في ذلك الشكل المطوي. بيب كود :1918AnP...360..476H. دوى :10.1002/andp.19183600603. اتش دي ال : 2027/uc1.b2596204 .
  8. ^ "نسخة مؤرشفة". مؤرشفة من الأصل في 2008-04-22 . تم استرجاعها في 2009-06-26 .{{cite web}}:CS1 maint: نسخة مؤرشفة كعنوان ( رابط ) سيمبسون، جي سي (1928). "دراسات إضافية في الإشعاع الأرضي". مذكرات الجمعية الملكية للأرصاد الجوية . 3 (21): 1- 26.
  9. ^ Blasing, TJ (2009). "54 Environmental Sciences" (PDF) . تركيزات غازات الاحتباس الحراري الحديثة . البنية الأساسية لبيانات علوم النظام البيئي لنظام بيئي افتراضي؛ مركز تحليل معلومات ثاني أكسيد الكربون (CDIAC)، مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL)، أوك ريدج، تينيسي (الولايات المتحدة). doi :10.3334/CDIAC/atg.032.
  10. ^ ab Daniel, JS; Solomon, S.; Kjaergaard, HG; Schofield, DP (2004). "Atmospheric water vapour complexes and the continuum". Geophysical Research Letters . 31 (6): L06118. Bibcode :2004GeoRL..31.6118D. doi :10.1029/2003GL018914. S2CID  56320625.
  11. ^ ab Hanel, RA; Conrath, BJ; Kunde, VG; Prabhakara, C.; Revah, I.; Salomonson, VV; Wolford, G. (1972). "تجربة مطيافية الأشعة تحت الحمراء Nimbus 4. 1. أطياف الانبعاث الحراري المعايرة". مجلة البحوث الجيوفيزيائية . 77 (15): 2629–41 . Bibcode :1972JGR....77.2629H. doi :10.1029/JC077i015p02629.
  12. ^ Ahrens, CD (2009). Meteorology Today . Belmont CA: Brooks/Cole. ISBN 978-0-495-55573-5.
  13. ^ تشن، ميجي؛ بانج، دان؛ تشن، شينغ يو؛ يان، هونغجي؛ يانغ، يوان (2022). "التبريد الإشعاعي السلبي أثناء النهار: الأساسيات وتصميمات المواد والتطبيقات". EcoMat . 4 (1). doi : 10.1002/eom2.12153 . S2CID  240331557.
  14. ^ مونداي، جيريمي (2019). "معالجة تغير المناخ من خلال التبريد الإشعاعي". جول . 3 (9): 2057– 2060. رمز Bibcode :2019Joule...3.2057M. doi : 10.1016/j.joule.2019.07.010 . S2CID  201590290.
  15. ^ راماناثان، فيرابهادران؛ "تأثير الاحتباس الحراري الناتج عن مركبات الكلورو فلورو كربون: التداعيات المناخية"؛ ساينس ، المجلد 190، العدد 4209 (3 أكتوبر 1975)، ص 50-52
  16. ^ ab Bera, Partha P.; Francisco, Joseph S.; Lee, Timothy J. (2009). "تحديد الأصل الجزيئي للاحتباس الحراري العالمي". مجلة الكيمياء الفيزيائية . 113 (45): 12694– 12699. Bibcode :2009JPCA..11312694B. doi :10.1021/jp905097g. hdl : 2060/20110023746 . PMID  19694447.
  17. ^ Gann, Richard G.; Barnes, John D.; Davis, Sanford; Harris, Jonice S.; Harris Jr., Richard H.; Herron, John T.; Levin, Barbara C.; Mospik, Frederick I.; Notarianni, Kathy A.; Nyden, Marc R.; Paabo, Maya; Ricker, Richard E. (1990). إجراءات الفحص الأولية ومعايير استبدال الهالونات 1211 و1301 (تقرير فني). ص 135.
  18. ^ هارنش ، يوخن. أيزنهاور، أنطون (1998). “CF4 و SF6 الطبيعي على الأرض”. رسائل البحوث الجيوفيزيائية . 25 (13): 2401– 2404. بيب كود :1998GeoRL..25.2401H. دوى : 10.1029/98GL01779 . S2CID  129805049.
  19. ^ Kovács, Tamás; Feng, Wuhu; Totterdill, Anna; Plane, 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.; Chipperfield, Martyn P. (20 يناير 2017). "تحديد العمر الجوي وإمكانية الاحتباس الحراري العالمي لسداسي فلوريد الكبريت باستخدام نموذج ثلاثي الأبعاد" (PDF) . الكيمياء والفيزياء الجوية . 17 (2): 883– 898. رمز Bibcode : 2017ACP....17..883K. doi : 10.5194/acp-17-883-2017 . S2CID  54586431.
  20. ^ Lemal DM (يناير 2004). "منظور كيمياء الفلوروكربون". J. Org. Chem . 69 (1): 1– 11. doi :10.1021/jo0302556. PMID  14703372.
  21. ^ Midgeley, PM; McCulloch, A. (9 April 1999). "Properties and Applications of Industrial Halocarbons". في Fabian, Peter; Singh, Onkar N. (eds.). Reactive Halogen Compounds in the Atmosphere, Volume 4 . Springer. p. 134. ISBN 3540640908.
  22. ^ اي بي سي هودنيبروغ ، أويفيند ؛ أماس، بورجار؛ فوجليستفيت، يناير؛ مارستون، جورج. ميهري، جونار؛ نيلسن، كلاوس يورغن؛ ساندستاد، ماريت؛ شاين، كيث ب. والينغتون ، تيم ج. (9 يوليو 2020). “إمكانات الاحتباس الحراري المحدثة والكفاءات الإشعاعية للهالوكربونات وغيرها من المواد الممتصة الضعيفة في الغلاف الجوي”. تقييمات الجيوفيزياء . 58 (3): e2019RG000691. بيب كود :2020RvGeo..5800691H. دوى :10.1029/2019RG000691. بمك 7518032 . بميد  33015672. 
  23. ^ هودنيبروغ، أويفيند؛ عتمين، مريم؛ فوجليستفيت، يناير؛ مارستون، جورج. ميهري، جونار؛ نيلسن، كلاوس يورغن؛ شاين، كيث ب. والينغتون ، تيم ج. (24 أبريل 2013). “إمكانات الاحترار العالمي والكفاءة الإشعاعية للهالوكربونات والمركبات ذات الصلة: مراجعة شاملة” (PDF) . تقييمات الجيوفيزياء . 51 (2): 300– 378. بيب كود :2013RvGeo..51..300H. دوى :10.1002/rog.20013.

كتب

  • ميهالاس، د.؛ ويبل-ميهالاس، ب. (1984). أسس هيدروديناميكية الإشعاع. دار نشر جامعة أكسفورد. رقم ISBN 0-19-503437-6. تم أرشفة النسخة الأصلية في 2011-10-08 . تم استرجاعها في 2009-10-17 .
  • نافذة الأشعة تحت الحمراء الجوية أرشيف 2018-10-11 على موقع Wayback Machine
تم الاسترجاع من "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=نافذة_الأشعة_تحت_الأشعة_الحمراء&oldid=1250590220"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate