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红外窗口

红外窗口或红外大气窗口是指红外光谱中大气气体对地面热辐射吸收相对较小的区域 [1]。窗口在大气温室效应中发挥着重要作用，令入射太阳辐射和向太空发射红外辐射之间保持平衡。在地球大气层中，这个窗口大约在8到14μm之间，然而由于水蒸气连续体的强烈吸收或云层的阻挡，它在高湿度的时间和地区可能会变窄或关闭[2][3][4][5][6]。总体而言，红外窗口覆盖了从大约5μm开始的表面热发射光谱的很大一部分。主要是水蒸气吸收光谱中的一个大间隙。二氧化碳在设定的长波长端的边界方面发挥着重要作用，臭氧阻断了窗口中间部分的传输。

在8-14μm之间可以看到清晰的电磁光谱传输“窗口”，是红外光谱“窗口”的主要部分。在0.2至5.5μm的可见光至中红外中，也可以看到零星的光谱“窗口”碎片（可以说是“窗口”的百叶窗部分）。

红外大气窗口在大气中能量收支的重要性是由乔治·辛普森 (气象学家)（英语：George Simpson (meteorologist)）在1928年根据G.Hettner在1918年[7]在实验室对水蒸气吸收光谱间隙的研究资料发现的。在那些日子里，还没有电脑可以使用，辛普森指出他使用近似；他写道为了计算IR辐射的输出需要这样做：“没有希望得到确切的解决办法；但通过做出适当的简化假设……”[8]。如今，精确的执行计算是可能的，并且已经发表了对红外大气气体光谱学的仔细研究。

红外大气窗口中的机制

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主要的天然温室气体按其重要性顺序是水蒸气H
2O、二氧化碳CO
2、臭氧O
3、甲烷CH
4和一氧化二氮N
2O（俗称的“笑气”）。这些中最不常见的浓度，N
2O，大约是400 ppbV.[需要解释][9]。其它导致温室效应的气体以pptV水准存在。其中包括氯氟烃（CFCs）和氢氟碳化合物（HCFCs）。如下文所述，它们作为温室气体如此有效的一个主要原因是，它们具有落在红外大气窗口中的强振动带：二氧化碳CO
2在14.7μm处的IR吸收设定了红外大气窗口的长波长极限，以及H
2O在稍长波长处的旋转跃迁吸收。大气窗口的短波长边界是通过在水蒸气的最低频率振动带中的吸收来设定的。窗口中间有一条9.6μm的强烈臭氧带，这就是为什么它会成为如此强烈的温室气体。由于穿过窗口的吸收线的碰撞加宽，水蒸气具有连续吸收[2][3][4][5][6][7][8][10]。局部非常高的湿度可以完全阻断红外振动窗口。

在阿特拉斯山脉上空，用干涉仪记录的长波辐射光谱[11] 显示了在大约320K的温度下，从陆地表面产生并穿过大气窗口的发射，以及在大约260K的温度主要从对流层产生的非窗口发射。

在科特迪瓦上空，干涉量测记录的长波辐射发射光谱[11]显示了在大约265K的温度下，从云顶产生并穿过大气窗口的发射，以及在大约240K的温度主要从对流层产生的非窗口发射。这意味着，在几乎不被吸收的连续波长（8至14μm）下，地球表面发射到干燥大气层和云顶的辐射大多未被吸收而穿过大气层，直接发射到太空；在约16至28μm的远红外光谱线中也存在部分窗口透射。云是极好的红外辐射源。云顶的窗口辐射出现在空气温度较低的高度，但从这些高度可以看出，上面空气的水蒸气含量远低于陆-海表面的空气。此外[10]，水蒸气的连续吸收率，分子对分子，随着压力的降低而降低。因此，云层上方的水蒸气除了浓度较低外，吸收能力也不如低海拔的水蒸气。因此，从云顶高度看，有效窗口更加开放，此云顶是有效的强窗口辐射源； 也就是说实际上云层只在很小的程度上遮挡了窗户（参见关于这一点的另一种观点，阿伦斯（Ahrens，2009年）在第43页提出[12]。）。

对生命的重要性

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如果没有红外大气窗口，地球将变得过于温暖，无法维持生命，甚至可能变得过度温暖，以至于失去水分；就像金星在太阳系历史的早期所做的那样。 因此，大气窗口的存在对地球保持适居行星至关重要。

作为一种拟议的全球暖化管理策略，被动日间辐射冷却（英语：Passive daytime radiative cooling）（PDRC，Passive daytime radiative cooling）利用表面的红外窗口将热量送回外太空，目的是扭转气候变迁导致的气温上升[13][14]。

威胁

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近几十年来，红外大气窗口的存在受到含有氟和碳，硫或氮等键联的堕性气体发展的威胁。这些化合物的影响最早是由印度裔美国大气科学家维拉巴德兰·拉马纳坦（英语：Veerabhadran Ramanathan）于1975年发现的[15]，而一年后罗兰和莫利纳关于氯氟烃破坏平流层中臭氧层能力的论文更为著名。

尽管碳、氮或硫以外的非金属氟化物由于水解而寿命短，但氟和其它轻非金属键之间的“拉伸频率”使得大气窗口中的强吸收始终是含有这种键的化合物的特征[16]。因为这些键由于氟原子的极端电负性而具有高度极性，使得这种吸收得到加强。其它卤素的键也会在大气窗口中吸收，但强度要低得多[16]。

此外，这些化合物的堕性使它们在许多工业用途中非常有价值，这意味着它们在地球低层大气的自然循环中是不可能去除的。通过放射性氧化萤石并随后与硫酸盐或碳酸盐矿物反应产生极小的天然来源，通过脱气（英语：Degassing）产生的大气浓度，所有全氟化碳约为40ppt，六氟化硫为0.01 ppt[17]，但唯一的自然天花板是通过中间层和平流层上层的光解。但唯一的自然天花板是通过中间层和平流层上层的光解[18]。据估计，全氟化碳（CF
4、C
2F
6、C
3F
8），起源于麻醉剂、制冷剂和聚合物的商业生产[19]，可以在大气中停留2,650万年[20]。

这意味着这些化合物具有巨大的全球暖化潜势。例如，一公斤六氟化硫将在100年内造成多达23吨二氧化碳的变暖。全氟化碳在这方面是相似的，甚至四氯化碳（CCl
4）与二氧化碳相比，全球变暖潜能值为1800。这些化合物仍然存在很大问题，并且正在努力寻找它们的替代品。

相关条目

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参考资料

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  1. ^ American Meteorological Society Meteorology Glossary. [2023-07-31]. （原始内容存档于2023-07-11）. 
  2. ^ 2.0 2.1 Paltridge, G.W.; Platt, C.M.R. Radiative Processes in Meteorology and Climatology. Elsevier. 1976: 139–140, 144–7, 161–4. ISBN 0-444-41444-4. 
  3. ^ 3.0 3.1 Goody, R.M.; Yung, Y.L. Atmospheric Radiation. Theoretical Basis 2nd. Oxford University Press. 1989: 201–4. ISBN 0-19-505134-3. 
  4. ^ 4.0 4.1 Liou, K.N. An Introduction to Atmospheric Radiation 2nd. Academic. 2002: 119. ISBN 0-12-451451-0. 
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  8. ^ 8.0 8.1 Archived copy. [2009-06-26]. （原始内容存档于2008-04-22）.  Simpson, G.C. Further Studies in Terrestrial Radiation. Memoirs of the Royal Meteorological Society. 1928, 3 (21): 1–26. 
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  11. ^ 11.0 11.1 Hanel, R.A.; Conrath, B.J.; Kunde, V.G.; Prabhakara, C.; Revah, I.; Salomonson, V.V.; Wolford, G. The Nimbus 4 infrared spectroscopy experiment. 1. Calibrated thermal emission spectra. Journal of Geophysical Research. 1972, 77 (15): 2629–41. Bibcode:1972JGR....77.2629H. doi:10.1029/JC077i015p02629. 
  12. ^ Ahrens, C.D. Meteorology Today. Belmont CA: Brooks/Cole. 2009. ISBN 978-0-495-55573-5. 
  13. ^ Chen, Meijie; Pang, Dan; Chen, Xingyu; Yan, Hongjie; Yang, Yuan. Passive daytime radiative cooling: Fundamentals, material designs, and applications. EcoMat. 2022, 4. S2CID 240331557. doi:10.1002/eom2.12153 –通过Wiley. 
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  16. ^ 16.0 16.1 Bera, Partha P.; Francisco, Joseph S. and Lee, Timothy J.; 'Identifying the Molecular Origin of Global Warming'; Journal of Physical Chemistry; 113 (2009), pp. 12694-12699
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  19. ^ Lemal DM. Perspective on fluorocarbon chemistry. J. Org. Chem. January 2004, 69 (1): 1–11. PMID 14703372. doi:10.1021/jo0302556. 
  20. ^ Midgeley, P.M. and McCulloch, A.; Properties and Applications of Industrial Halocarbons, in Fabian, Peter and Singh, Onkar N. (editors); Reactive Halogen Compounds in the Atmosphere, Volume 4, p. 134 ISBN 3540640908

书籍

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外部链接

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