Атмосфералық терезе: Жердің жылу сәулеленуіндегі инфрақызыл спектрдің маңызды бөлігі, ылғалдылық пен бұлттардың әсеріне қарай өзгереді. Жасыл үй эффектісі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Атмосфералық терезе
Atmospheric window
Инфрақызыл атмосфералық терезе – атмосфералық газдардың жер бетінен шығатын жылулық сәулеленуді салыстырмалы түрде аз сіңіретін инфрақызыл спектрдің аймағы. Бұл терезе атмосфералық парниктік эффектіде маңызды рөл атқарады, кіріп келетін күн сәулесі мен космосқа шығатын инфрақызыл сәулелер арасындағы тепе-теңдікті сақтайды. Жер атмосферасында бұл терезе шамамен 8 және 14 мкм аралығында, бірақ жоғары ылғалдылық жағдайында су буының күшті сіңіруі немесе бұлттардың кедергісі салдарынан оның көлемі тарылып немесе жабылуы мүмкін. Ол шамамен 5 мкм-ден басталатын жер бетінен шығатын жылулық сәулеленудің спектрінің маңызды бөлігін қамтиды. Негізінен, бұл су буының сіңіру спектріндегі үлкен олқылық. Көмірқышқыл газы ұзын толқынды ұзындық шегін анықтауда маңызды рөл атқарады. Озон терезенің ортасында сәуле өткізуді ішінара бөгеп қояды. Атмосфералық энергия балансында инфрақызыл атмосфералық терезенің маңыздылығын Джордж Симпсон 1928 жылы Г. Хеттнердің 1918 жылғы су буының сіңіру спектріндегі олқылықты зертханада зерттеулеріне сүйене отырып анықтаған. Сол кезде компьютерлер болмағандықтан, Симпсон жуықтауларды қолданғанын айтады; ол шығатын инфрақызыл сәулеленуді есептеу үшін мұның қажеттілігі туралы былай деп жазады: «Дәл шешім табуға үміт жоқ; бірақ тиісті жеңілдетуші шарттар жасау арқылы…». Қазіргі таңда сызық бойынша дәл есептеулер жүргізуге болады және атмосфералық газдардың инфрақызыл спектроскопиясын зерттеуге арналған көптеген жұмыстар жарияланды.
The infrared atmospheric window refers to a region of the infrared spectrum where there is relatively little absorption of terrestrial thermal radiation by atmospheric gases. The window plays an important role in the atmospheric greenhouse effect by maintaining the balance between incoming solar radiation and outgoing IR to space. In the Earth's atmosphere this window is roughly the region between 8 and 14 μm although it can be narrowed or closed at times and places of high humidity because of the strong absorption in the water vapor continuum or because of blocking by clouds. It covers a substantial part of the spectrum from surface thermal emission which starts at roughly 5 μm. Principally it is a large gap in the absorption spectrum of water vapor. Carbon dioxide plays an important role in setting the boundary at the long wavelength end. Ozone partly blocks transmission in the middle of the window. The importance of the infrared atmospheric window in the atmospheric energy balance was discovered by George Simpson in 1928, based on G. Hettner's 1918 laboratory studies of the gap in the absorption spectrum of water vapor. In those days, computers were not available, and Simpson notes that he used approximations; he writes about the need for this in order to calculate outgoing IR radiation: "There is no hope of getting an exact solution; but by making suitable simplifying assumptions ." Nowadays, accurate line by line computations are possible, and careful studies of the spectroscopy of infrared atmospheric gases have been published.
Механизмдер
Ең басты табиғи парниктік газдар маңыздылығы бойынша су буы, көмірқышқыл газы, озон, метан және азоттық оксид болып табылады. Олардың ең аз таралған концентрациясы шамамен 400 ppb (көлем бойынша) құрайды. Парниктік әсерге үлес қосатын басқа газдар ppt деңгейінде кездеседі. Бұларға хлорфторкарбондар (ХФК), галондар және гидрофторкарбондар (ГФК және ГХФК) жатады. Төменде талқыланғандай, олардың парниктік газдар ретінде тиімді болуының басты себебі – олардың атмосфералық инфрақызыл терезесіне сәйкес келетін күшті тербеліс жолақтарының болуы. 14,7 мкм толқын ұзындығындағы ИҚ сіңіруі, айналу ауысулары арқылы сіңірумен қатар, инфрақызыл атмосфералық терезенің ұзын толқынды шегін анықтайды. Атмосфералық инфрақызыл терезенің қысқа толқынды шекарасы су буының ең төмен жиілікті тербеліс жолақтарында сіңіру арқылы белгіленеді. Терезенің ортасында 9,6 мкм озонның күшті жолағы орналасқан, сондықтан ол осындай қуатты парниктік газ ретінде әрекет етеді. Су буы сіңіру сызықтарының соқтығысу нәтижесінде кеңейетін үздіксіз сіңіруге ие, бұл терезе арқылы созылады. Жергілікті өте жоғары ылғалдылық инфрақызыл тербеліс терезесін толығымен жаба алады. Атлас тауларының үстінде интерферометриялық әдіспен тіркелген шығыс ұзақ толқынды сәулелену спектрлері, шамамен 320 К температурада жер бетінен шыққан және атмосфералық терезеден өткен сәулеленуді, сондай-ақ негізінен тропосферадан шамамен 260 К температурада шыққан терезеден тыс сәулеленуді көрсетеді. Кот-д'Ивуар үстінде интерферометриялық әдіспен тіркелген шығыс ұзақ толқынды сәулелену спектрлері).
The principal natural greenhouse gases in order of their importance are water vapor , carbon dioxide , ozone , methane and nitrous oxide The concentration of the least common of these, , is about 400 ppb (by volume). Other gases which contribute to the greenhouse effect are present at ppt levels. These include the chlorofluorocarbons (CFCs), halons and hydrofluorocarbons (HFC and HCFCs). As discussed below, a major reason that they are so effective as greenhouse gases is that they have strong vibrational bands that fall in the infrared atmospheric window. IR absorption by at 14.7 μm sets the long wavelength limit of the infrared atmospheric window together with absorption by rotational transitions of at slightly longer wavelengths. The short wavelength boundary of the atmospheric IR window is set by absorption in the lowest frequency vibrational bands of water vapor. There is a strong band of ozone at 9.6 μm in the middle of the window which is why it acts as such a strong greenhouse gas. Water vapor has a continuum absorption due to collisional broadening of absorption lines which extends through the window. Local very high humidity can completely block the infrared vibrational window. Over the Atlas Mountains, interferometrically recorded spectra of outgoing longwave radiation show emission that has arisen from the land surface at a temperature of about 320 K and passed through the atmospheric window, and non window emission that has arisen mainly from the troposphere at temperatures about 260 K.
Over Côte d'Ivoire, interferometrically recorded spectra of outgoing longwave radiation).
Өмір үшін маңызы
Инфрақызыл атмосфералық терезе болмаса, Жер тіршілікке тым ыстық болар еді, тіпті, Күн жүйесі тарихының басында Венера болғандай, суын жоғалтуы мүмкін еді. Сондықтан, атмосфералық терезенің болуы Жердің өмір сүруге жарамды планета болып қалуы үшін маңызды. Глобалды жылынуды басқарудың ұсынылған стратегиясы ретінде, пассивті күндізгі радиациялық салқындату (PDRC) беттері инфрақызыл терезені пайдаланып, климаттың өзгеруінен туындаған температураның көтерілуін кері қайтару мақсатында жылуды сыртқы ғарышқа жібереді.
Without the infrared atmospheric window, the Earth would become much too warm to support life, and possibly so warm that it would lose its water, as Venus did early in Solar System history. Thus, the existence of an atmospheric window is critical to Earth remaining a habitable planet. As a proposed management strategy for global warming, passive daytime radiative cooling (PDRC) surfaces use the infrared window to send heat back into outer space with the aim of reversing rising temperature increases caused by climate change.
Қауіптер
Соңғы онжылдықтарда инфрақызыл атмосфералық терезеге фтор мен көміртек, күкірт немесе азот арасындағы байланыстарды қамтитын, өте инертті газдардың пайда болуы қауіп тудырып отыр. Бұл қосылыстардың әсерін алғаш 1975 жылы үнді-американдық атмосфера ғалымы Верабхадран Раманатан ашты, бұл Роланд пен Молинаның стратосфералық озонды жоятын хлорфторкөмірсутектердің қабілеті туралы, одан да әйгілі мақаласынан бір жыл кейін болды. Фтор мен басқа жеңіл металл емес элементтер арасындағы байланыстардың "созылу жиілігі" осындай байланыстарды қамтитын қосылыстар үшін атмосфералық терезенің күшті сіңіруін қамтамасыз етеді, бірақ көміртек, азот немесе күкірттен басқа металл емес элементтердің фторидтері гидролизден кейін аз ғана уақытқа созылады. Бұл сіңіру фтор атомының өте жоғары электронегативтілігіне байланысты осы байланыстардың жоғары полюстігімен күшейтіледі. Хлорға байланысты байланыстар да атмосфералық терезенің әсерінен сіңіріледі, бірақ одан әлдеқайда нашар. Сонымен қатар, осы қосылыстардың реакцияға түспейтін қасиеті, оларды көптеген өнеркәсіптік мақсаттар үшін құнды етеді, сондықтан олар Жердің төменгі атмосферасының табиғи айналымында жойылмайды. Флюориттің радиоактивті тотығуы және одан кейінгі сульфатты немесе карбонатты минералдармен реакциясы нәтижесінде пайда болатын өте аз табиғи көздер барлық перфторкөмірсутектер үшін шамамен 40 ppt және күкірт гексафториді үшін 0,01 ppt атмосфералық концентрациясын құрайды, бірақ табиғи шектеу мезосферада және жоғарғы стратосферада фотолиз арқылы жүзеге асырылады. Анестетиктер, тоңазытқыштар және полимерлерді коммерциялық өндіруден туындаған перфторкөмірсутектер (link=TetrafluoromethaneCF4, , ) атмосферада екі мың алты жүз елу мың жылға дейін қалуы мүмкін деп есептеледі. Бұл мұндай қосылыстардың өте жоғары жаһандық жылыну әлеуетіне ие екенін білдіреді. Мысалы, 1 кг күкірт гексафториді 100 жыл ішінде 26,7 тонна көмірқышқыл газының, ал 500 жыл ішінде 37,6 тонна көмірқышқыл газының әсеріне тең келеді. Перфторкөмірсутектер де осы жағынан ұқсас, тіпті көміртек тетрахлоридінің де көмірқышқыл газымен салыстырғанда 2310-ға жуық жаһандық жылыну әлеуеті бар. Бұл қосылыстар әлі де өте үлкен мәселе болып табылады және оларды алмастыру үшін үздіксіз іздеу жұмыстары жүргізілуде.
In recent decades, the existence of the infrared atmospheric window has become threatened by the development of highly unreactive gases containing bonds between fluorine and carbon, sulfur or nitrogen. The impact of these compounds was first discovered by Indian–American atmospheric scientist Veerabhadran Ramanathan in 1975, one year after Roland and Molina's much more celebrated paper on the ability of chlorofluorocarbons to destroy stratospheric ozone. The "stretching frequencies" of bonds between fluorine and other light nonmetals are such that strong absorption in the atmospheric window will always be characteristic of compounds containing such bonds, although fluorides of nonmetals other than carbon, nitrogen or sulfur are short lived due to hydrolysis. This absorption is strengthened because these bonds are highly polar due to the extreme electronegativity of the fluorine atom. Bonds to chlorine also absorb in the atmospheric window, though much less strongly. Moreover, the unreactive nature of such compounds that makes them so valuable for many industrial purposes means that they are not removable in the natural circulation of the Earth's lower atmosphere. Extremely small natural sources created by means of radioactive oxidation of fluorite and subsequent reaction with sulfate or carbonate minerals produce via degassing atmospheric concentrations of about 40 ppt for all perfluorocarbons and 0.01 ppt for sulfur hexafluoride, but the only natural ceiling is via photolysis in the mesosphere and upper stratosphere. It is estimated that perfluorocarbons (link=TetrafluoromethaneCF4, , ), originating from commercial production of anesthetics, refrigerants, and polymers can stay in the atmosphere for between two thousand six hundred and fifty thousand years. This means that such compounds possess enormous global warming potential. One kilogram of sulfur hexafluoride will, for example, cause as much warming as 26.7 tonnes of carbon dioxide over 100 years, and as much as 37.6 tonnes over 500 years. Perfluorocarbons are similar in this respect, and even carbon tetrachloride has a global warming potential of 2310 compared to carbon dioxide. These compounds still remain highly problematic with an ongoing effort to find substitutes for them.