물에 의한 전자기 흡수

Electromagnetic absorption by water
667nm에서 200μm 사이의 액체 물(빨간색),[1][2][3] 대기 수증기(녹색)[4][5][6][4][7] 및 얼음(파란색 선)[8][9][10]의 흡수 스펙트럼.[11] 증기에 대한 플롯은 웹 정보 시스템의 Hitran에서 검색한 데이터 Synthetic Spectrum for gas 혼합물 'Pure HO2'(296K, 1 atm)의 변환이다.[6]
넓은 파장 범위에서 액체 흡수 스펙트럼

물에 의한 전자기 방사선의 흡수는 물의 상태에 따라 달라진다.

가스 단계의 흡수는 스펙트럼의 세 영역에서 발생한다. 회전 전환은 마이크로파 및 원적외선 진동 전환의 중간적외선과 근적외선에서의 흡수를 담당한다. 진동 밴드는 회전 미세 구조를 가지고 있다. 전자적 전환은 진공 자외선 영역에서 발생한다.

액체 상태의 물은 회전 스펙트럼은 없지만 마이크로파 영역에서 흡수된다. 눈에 보이는 스펙트럼에서 그것의 약한 흡수는 옅은 청색의 물을 만든다.

개요

기체 상태의 물 분자는 전자기 방사선의 흡수를 발생시킬 수 있는 세 가지 종류의 전환을 가지고 있다.

  • 분자가 회전 에너지의 양자(퀀텀)를 얻는 회전 전환. 주변 온도와 압력에서 대기 수증기는 약 200cm−1(50μm)에서 마이크로파 영역 쪽으로 더 긴 파장까지 스펙트럼의 원적외선 영역에서 흡수를 일으킨다.
  • 분자가 진동 에너지의 양자를 얻는 진동 전환. 근본적인 변화는 1650 cm−1(μ band, 6 μm)와 3500 cm−1(일명 X band, 2.9 μm) 정도의 지역에서 중간 적외선 흡수를 일으킨다.
  • 분자가 흥분된 전자 상태로 승격되는 전자 전환. 이러한 유형의 에너지 전환이 가장 낮은 곳은 진공 자외선 영역이다.

실제로 기체 상태의 분자의 진동은 회전 전이를 동반하여 진동 회전 스펙트럼을 발생시킨다. 더욱이 진동 오버톤과 조합 밴드는 근적외선 지역에서 발생한다. HITRAN 분광기 데이터베이스에는 마이크로파 영역에서 가시 스펙트럼에 이르는 기체 HO에216 대한 37,000개 이상의 스펙트럼 라인이 나열된다.[5][12]

액체 상태의 물에서는 회전 전환이 효과적으로 가라앉지만 흡수 밴드는 수소 결합에 의해 영향을 받는다. 결정체 얼음에서 진동 스펙트럼은 수소 결합에 의해서도 영향을 받고 원적외선 흡수를 유발하는 격자 진동이 있다. 기체 분자의 전자적 전환은 진동과 회전 미세 구조를 둘 다 보여줄 것이다.

단위

적외선 흡수 밴드 위치는 파장(보통 마이크로미터, μm) 또는 와번(대개 상호 센티미터, cm−1) 척도로 지정할 수 있다.

회전 스펙트럼

수증기의 순수 회전 흡수 스펙트럼의 일부
회전수분자

물 분자는 비대칭 상층, 즉 세 개의 독립적인 관성 모멘트를 가지고 있다. 왼쪽에는 2배 대칭 축에 대한 회전이 예시되어 있다. 분자의 대칭이 낮기 때문에 스펙트럼의 원적외선 영역에서 많은 수의 전환을 관찰할 수 있다. 마이크로파 스펙트럼 측정은 O-H 본드 길이 95.84 ± 0.05 pm 및 H-O-H 본드 각도 104.5 ± 0.3°[13]에 대해 매우 정밀한 값을 제공했다.

진동 스펙트럼

물 분자의 세 가지 기본 진동
ν1,O-H 대칭 스트레칭
3657cm−1(2.734μm)
ν2, H-O-H 벤딩
1595cm−1(6.269μm)
ν3, O-H 비대칭 스트레칭
3756cm−1(2.662μm)

물 분자는 세 가지 기본적인 분자 진동을 가지고 있다. O-H 스트레칭 진동은 가스상 3657 cm−11(㎛, 2.734 μm), 37563 cm−1(㎛, 2.662 μm)에서 밴드 기원을 갖는 흡수대역을 발생시킨다. 점군 C에서2v B2 대칭의 비대칭 스트레칭 진동은 정상 진동이다. H-O-H 벤딩 모드 원점은 1595 cm−1 (19982, 6.269 μm)이다. 대칭 스트레칭과 휨 진동은 모두 A1 대칭을 가지지만 그 사이의 주파수 차이가 너무 커서 혼합은 사실상 0이다. 가스 단계에서 세 대역 모두 광대한 회전 미세 구조를 보인다.[14] 근적외선 스펙트럼에서 ν은3 n/s보다3 다소 적은 wavenuper에서 일련의 오버톤을 가지고 있다, n=2,3,4,5... 근적외선 지역에서도 ν2 + ν과3 같은 콤비네이션 밴드를 쉽게 관찰할 수 있다.[15][16] 대기 중 수증기의 존재는 특히 적외선과 근적외선 스펙트럼을 관찰하기 쉽기 때문에 대기 화학에 중요하다. 표준(대기권 광학) 코드는 다음과 같이 흡수 대역에 할당된다. 0.718 μm(가시): α, 0.810 μm: μm, 0.935 μm: μm: μm, 1.13 μm: μm, 1.38 μm: μm, 1.88 Ω, 2.68 μm: X. 그 밴드들 사이의 간격은 지구 대기의 적외선 창을 규정한다.[17]

액체 상태의 물의 적외선 스펙트럼은 근본적인 O-H 스트레칭 진동으로 인해 강렬한 흡수가 지배하고 있다. 높은 강도로 인해 수용액의 스펙트럼을 기록하려면 일반적으로 50μm 미만의 매우 짧은 경로 길이가 필요하다. 회전 미세 구조는 없지만 수소 결합 때문에 흡수 밴드가 예상보다 넓다.[18] 액체 상태의 물의 최대치는 3450 cm−1(2.898 μm), 3615−1 cm(2.766 μm), 1640 cm(6.097 μm)에서 관측된다.[14] 수용액의 적외선 스펙트럼을 직접 측정하려면 큐벳 창은 수용성이 없는 불소 칼슘과 같은 물질로 만들어져야 한다. 이러한 어려움은 대체적으로 전송이 아닌 감쇠된 총 반사율(ATR) 장치를 사용하여 극복할 수 있다.

근적외선 범위의 액체 물에는 1950nm(5128cm−1), 1450nm(6896cm−1), 1200nm(8333cm−1), 970nm(10300cm−1)의 흡수대역이 있다.[19][20][15] 이 대역들 사이의 영역은 유리가 이 영역에서 투명하기 때문에 유리 큐벳을 사용할 수 있다는 이점과 함께 수용액의 스펙트럼을 측정하기 위해 근적외선 분광법에 사용할 수 있다. 흡수 강도는 기본 진동보다 약하지만, 긴 경로 길이 큐벳을 사용할 수 있기 때문에 중요하지 않다. 698nm (14300−1 cm)의 흡수 밴드는 세 번째 오버론(n=4)이다. 그것은 눈에 보이는 영역으로 방향을 틀고 물의 본질적인 푸른색을 책임진다. 이것은 10 cm 경로 길이를 사용하는 표준 UV/vis 분광도계로 관찰할 수 있다. 색깔은 물기둥을 통해 약 10m 길이의 눈으로 볼 수 있다. 물은 Rayleigh 산란으로 인해 색을 제거하기 위해 극필터를 통과해야 하며, 이것은 또한 물을 푸른색으로 보이게 할 수 있다.[16][21][22]

얼음의 스펙트럼은 액체 상태의 물과 유사하며 최고봉은 3400cm−1(2.941μm), 3220cm−1(3.105μm), 1620cm−1(6.17μm)[14]이다.

액체 물과 얼음 클러스터 모두에서 저주파 진동이 발생하는데, 이는 분자간 수소 결합(O–H•••O)의 스트레칭(TS)이나 벤딩(TB)을 수반한다. 파장 bands = 50-55 μm 또는 182-200 cm−1(얼음 44 μm, 227 cm−1)의 띠는 TS, 분자간 스트레칭, 200 μm 또는 50 cm−1(얼음 166 μm, 60 cm−1)의 띠는 TB, 분자간 굴곡에[11] 기인한다.

가시영역

가시영역에서[16] 오버톤의 예측 파장과 액체 상태의 물의 조합 밴드
ν1, ν3 ν2 파장/nm
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

200nm와 900nm의 흡수 계수는 6.9m−1(수화 길이 14.5cm)에서 거의 같다. 가시 영역에서 액체 상태의 물에 의한 매우 약한 광 흡수는 ICAM(통합 캐비티 흡수계)을 사용하여 측정되었다.[16] 이 흡수는 각 단계에서 강도가 감소하여 파장 감쇠 계수가 약 0.0044m인−1 418nm에서 절대 최소값이 발생하여 약 227m의 감쇠 길이인 오버론 및 콤비네이션 밴드의 순서에 기인하였다. 이러한 값은 산란 효과가 없는 순수 흡수에 해당한다. 예를 들어 레이저 빔의 감쇠는 약간 더 강할 것이다.

순수한 물의 가시광 흡수 스펙트럼(흡수 계수 대 파장)[16][21][22]

전자 스펙트럼

물 분자의 전자적 전환은 진공 자외선 영역에 있다. 수증기의 경우 띠를 다음과 같이 배정하였다.[11]

  • 65nm 대역 — 다양한 전자 전환, 광투명화, 광분해
  • 115 ~ 180nm 사이의 이산형 형상
    • 115 ~ 125 nm 사이의 좁은 대역 세트
      라이드버그 시리즈: 1b1 (n2) → 많은 다른 라이드버그 주와 3a1 (n1) → 3sa1 라이드버그 주
    • 128nm 대역
      라이드버그 시리즈: 3a1 (n1) → 3sa1 Rydberg 주 및 1b1 (n2) → 3sa1 Rydberg 주
    • 166.5nm 대역
      1b1 (n2) → 4a1 (1021*-같은 궤도)
적어도 이러한 전환들 중 일부는 물을 H+OH로 광분화시키는 결과를 낳는다. 그 중에서 가장 잘 알려진 것은 166.5 nm이다.

전자파와 전파

온도[23] 상승 효과를 나타내는 화살표인 0°C~100°C 사이의 유전적 허용률 및 유전적 수분 손실
참고 항목: 라디오 창

수증기의 순회전 스펙트럼은 마이크로파 영역까지 확장된다.

액체 상태의 물은 마이크로파 영역에 광범위한 흡수 스펙트럼을 가지고 있는데, 이는 수소 결합 네트워크의 변화로 인해 광범위하고 특징 없는 마이크로파 스펙트럼이 발생한다는 측면에서 설명되어 왔다.[24] 흡수(유전 손실과 동일)는 물 분자가 포함된 식품을 가열하기 위해 전자레인지에 사용된다. 2.45GHz 주파수, 파장 122mm가 일반적으로 사용된다.

GHz 주파수에서의 무선 통신은 민물에서는 매우 어렵고 소금물에서는 더욱 어렵다.[11]

대기 효과

참고 항목: 적외선 창
웹 시스템에서 Hitran을 사용하여 생성된 HITRAN 데이터를[5] 기반으로 지구의 대기 구성에 해당하는 간단한 가스 혼합물의 합성 스틱 흡수 스펙트럼.[6] 녹색 - 수증기, WN – 수증기(주의: 오른쪽 파장 낮음, 왼쪽 높음) 이 가스 혼합물의 수증기 농도는 0.4%이다.

수증기는 지구 대기의 온실 가스로서, 특히 적외선 지역에서 들어오는 햇빛의 알려진 흡수의 70%와 온실 효과로 알려진 지구에 의한 열 방사선의 대기 흡수의 약 60%를 담당한다.[25] 수증기가 서로 다른 스펙트럼 대역에서 방사선을 다르게 흡수하기 때문에 원격 감지에[12] 사용되는 다중 스펙트럼 영상과 과대 스펙트럼 영상에도 중요한 요소다. 그것의 영향은 또한 마이크로파 또는 밀리미터파 대역의 적외선 천문학 및 전파 천문학에서 중요한 고려사항이다. 남극 망원경은 부분적으로 남극대륙에 건설되었다. 왜냐하면 그곳의 고도와 낮은 온도는 대기에 수증기가 거의 없다는 것을 의미하기 때문이다.[26]

마찬가지로 이산화탄소 흡수 밴드는 1400, 1600, 2000nm 정도 발생하지만 지구 대기권에서의 존재는 온실 효과의 26%에 불과하다.[27][25] 이산화탄소 가스는 수증기가 놓치는 열적외선 스펙트럼의 일부 소부분에서 에너지를 흡수한다. 이러한 대기권 내에서의 추가 흡수는 공기를 조금 더 따뜻하게 하고, 대기가 따뜻해질수록 수증기를 더 많이 담을 수 있는 용량이 커진다. 이 여분의 수증기 흡수는 지구의 온실 효과를 더욱 강화시킨다.[28]

약 8000~14000nm의 대기 창에서 원적외선 스펙트럼에서는 이산화탄소와 수분 흡수가 약하다.[29] 이 창문은 이 띠의 열 방사선의 대부분을 지구 표면에서 우주로 직접 방사할 수 있게 한다. 이 밴드는 열적외선 영상과 같이 우주에서 지구를 원격으로 감지하는 데도 사용된다.

수증기는 흡수 방사선뿐만 아니라 수분 흡수 스펙트럼에 중첩된 현재 온도에 대한 흑체 방출 곡선에 따라 때때로 모든 방향에서 방사선을 방출한다. 이 에너지의 상당 부분은 다른 물 분자에 의해 재탈환되겠지만, 고도가 높을 때에는 수특이 흡수되는 파장의 방사선을 재탈환할 수 있는 물이 적기 때문에 우주를 향해 보내지는 방사선은 재탈환될 가능성이 적다. 해발 약 12km의 대류권 상류에 의해, 대부분의 수증기는 증기의 열을 방출하면서 액체 물이나 얼음으로 응축된다. 일단 상태가 바뀌면 액체와 얼음은 낮은 고도로 떨어진다. 이것은 대류 전류를 통해 상승하는 유입 수증기에 의해 균형을 이룰 것이다.

액체 물과 얼음은 수증기보다 더 높은 속도로 방사선을 방출한다(위 그래프 참조). 대류권 상층부의 물, 특히 액체와 고체 상태의 물은 그물 광자를 우주로 방출하면서 냉각된다. 물 이외의 이웃 가스 분자(예: 질소)는 열을 운동적으로 물에 전달함으로써 냉각된다. 이것이 대류권 상층부(대류권)의 온도가 섭씨 -50도 정도 되는 이유다.

참고 항목

참조

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외부 링크