Введение

Атмосферное окно

Инфракрасное атмосферное окно – это область инфракрасного спектра, в которой атмосферные газы поглощают относительно небольшую часть теплового излучения, исходящего от земной поверхности. Это окно играет важную роль в атмосферном парниковом эффекте, поддерживая баланс между входящим солнечным излучением и исходящим в космос инфракрасным излучением. В атмосфере Земли это окно приблизительно соответствует диапазону длин волн от 8 до 14 мкм, хотя оно может сужаться или полностью закрываться в местах и периоды высокой влажности из-за сильного поглощения водяным паром или блокировки облаками. Оно охватывает значительную часть спектра теплового излучения от поверхности, которое начинается примерно с 5 мкм. По сути, это большой промежуток в спектре поглощения водяного пара. Углекислый газ играет важную роль в определении границы на длинноволновом конце этого диапазона. Озон частично препятствует прохождению излучения в середине окна. Значение инфракрасного атмосферного окна для энергетического баланса атмосферы было установлено Джорджем Симпсоном в 1928 году на основе лабораторных исследований Г. Хеттнера 1918 года, посвященных изучению промежутка в спектре поглощения водяного пара. В те времена компьютеры были недоступны, и Симпсон отмечает, что использовал приближения, подчеркивая необходимость этого для расчета исходящего инфракрасного излучения: «Не стоит надеяться на получение точного решения, но, делая подходящие упрощающие предположения…». В настоящее время возможны точные построчные вычисления, а также опубликованы детальные исследования спектроскопии инфракрасных атмосферных газов.

Механизмы

Основными природными парниковыми газами в порядке их важности являются водяной пар, углекислый газ, озон, метан и оксид азота. Концентрация наименее распространенного из них составляет около 400 ppb (по объему). Другие газы, способствующие парниковому эффекту, присутствуют в количестве ppt. К ним относятся хлорфторуглероды (ХФУ), галоны и гидрофторуглероды (ГФУ и ГХФУ). Как обсуждается ниже, основная причина, по которой они так эффективны как парниковые газы, заключается в том, что они имеют сильные вибрационные полосы, попадающие в инфракрасное атмосферное окно. Поглощение ИК-излучения при 14,7 мкм определяет длинноволновую границу инфракрасного атмосферного окна вместе с поглощением при ротационных переходах при немного больших длинах волн. Граница короткой длины волны атмосферного ИК-окна определяется поглощением водяного пара в низкочастотных вибрационных полосах. В середине окна присутствует сильная полоса озона на 9,6 мкм, что объясняет его высокую эффективность как парникового газа. Водяной пар обладает непрерывным поглощением, обусловленным коллизионным уширением поглотительных линий, которое простирается через окно. Местная очень высокая влажность может полностью блокировать инфракрасное вибрационное окно. Над Атласскими горами интерферометрически зарегистрированные спектры исходящего длинноволнового излучения показывают излучение, возникшее с поверхности суши при температуре около 320 К и прошедшее через атмосферное окно, а также излучение вне окна, возникшее в основном из тропосферы при температуре около 260 К. Над Кот-д'Ивуаром интерферометрически зарегистрированные спектры исходящего длинноволнового излучения.

Важность для жизни

Без инфракрасного атмосферного окна Земля стала бы слишком теплой для поддержания жизни, и, возможно, настолько теплой, что потеряла бы воду, как это произошло с Венерой на ранних этапах истории Солнечной системы. Таким образом, существование атмосферного окна критически важно для сохранения Земли как обитаемой планеты. В качестве предлагаемой стратегии борьбы с глобальным потеплением, поверхности пассивного дневного радиационного охлаждения (PDRC) используют инфракрасное окно для излучения тепла обратно в космос, стремясь обратить вспять рост температуры, вызванный изменением климата.

Угрозы

В последние десятилетия существование инфракрасного атмосферного окна стало подвергаться угрозе из-за появления высоко нереактивных газов, содержащих связи между фтором и углеродом, серой или азотом. Влияние этих соединений впервые обнаружил индийско-американский ученый-атмосферолог Вирабхадран Раманатан в 1975 году, спустя год после гораздо более известной работы Роланда и Молины о способности хлорфторуглеродов разрушать стратосферный озон. "Частоты растяжения" связей между фтором и другими легкими неметаллами таковы, что сильное поглощение в атмосферном окне всегда будет характерно для соединений, содержащих такие связи, хотя фториды неметаллов, отличных от углерода, азота или серы, имеют короткий срок службы из-за гидролиза. Это поглощение усиливается благодаря высокой полярности этих связей, обусловленной крайней электроотрицательностью атома фтора. Связи с хлором также поглощают в атмосферном окне, хотя и значительно слабее. Более того, нереактивность этих соединений, делающая их столь ценными для многих промышленных целей, означает, что они не удаляются в естественной циркуляции нижней атмосферы Земли. Чрезвычайно небольшие природные источники, образующиеся в результате радиоактивного окисления флюорита и последующей реакции с сульфатными или карбонатными минералами, выделяют в атмосферу около 40 ppt всех перфторуглеродов и 0,01 ppt гексафторида серы, однако естественным ограничением является только фотолиз в мезосфере и верхней стратосфере. По оценкам, перфторуглероды (ссылка=ТетрафторметанCF4, , ), образующиеся в процессе коммерческого производства анестетиков, хладагентов и полимеров, могут оставаться в атмосфере от двух тысяч шестисот до пятисот тысяч лет. Это означает, что такие соединения обладают огромным потенциалом глобального потепления. Например, один килограмм гексафторида серы вызывает такое же потепление, как и 26,7 тонн углекислого газа за 100 лет и 37,6 тонн за 500 лет. Перфторуглероды в этом отношении аналогичны, и даже тетрахлорметан имеет потенциал глобального потепления 2310 по сравнению с углекислым газом. Эти соединения по-прежнему представляют серьезную проблему, и продолжаются усилия по поиску их заменителей.