Näkymätön maailma, säteilyn absorbtio ja emissio: Osa III
Olen käsitellyt parissa aikasemmassa näkymättömän maailman blogissani ( 1 ja 2 ) joka koskettaa sähkömagneettisen säteilyn ominaisuuksia, jotka ovat meille jokaiselle tuttuja. Me kaikki aistimme lämmön ja näkyvän valon, mutta se maailma on äärimmäisen kapea osa koko sähkömagneettisen säteilyn spektriä, joka kattaa gamma-, röntgen-, näkyvän valon, lämmön ja radioaaltojen alueen.
Absorbtio on meille kaikille elämän edellytys, sillä saamme kaiken lämpömme auringon valosta, josta suurin osa on näkyvää valoa. Auringon näkyvä valo lämmittää planeetan pintaa absorbtion avulla (imeytyminen) ja myös kaasukehäämme.
Telluksen pinnalle auringosta tuleva säteily on yli 90%:sti näkyvää valoa mutta ilmakehämme ominaisuuksista johtuen sieltä pääsee liukahtamaan pikkuisen haitallista ultraviolettia (UV) pinnalle, onneksi vain sitä pitkäaaltoisinta säteilyn lajia, joka ei ole meille hengenvaarallista, vaikka se riittää ruskettamaan ihomme pinnan kesäisin ja on tarpeen vitamiinien muodostukselle kehossamme.
Elinympäristömme jäähtyy lopulta aina säteilemällä avaruuteen, vaikka me täällä telluksen pinnalla koemme johtumista, konvektiota ja säteilyä.
Mutta itse asiaan, eli absorbtioon. Absorbtio on säteilyn imeytymistä aineeseen ja varsinkin kaasuilla absorbtio on hyvin riippuvaista aallonpituudesta. Kiinteät aineet sen sijaan ovat hyvin laajakaistaisia absorbaattoreita. Lasi vaikuttaa meistä läpinäkyvälle aineelle, koska silmämme kertovat niin.
Todellisuudessa lasi absorboi ja heijastaa hyvin laajalla taajuusalueella aallonpituuksia infrapunan puolella ja myös ultravioletien säteilyn puolella. Pitkäaaltoiselle säteilylle (radioaallot) lasi on hyvin lähellä ilmaa. Lasia käytetään ihmisten asumuksissa siksi, että se päästää lävitseen näkyvän valon, muttei lämpösäteilyä suuntaan tai toiseen.
Jottei blogi olisi tavattoman tylsää tekstiä, niin laitampa tähän kuvan, joka kertoo enemmän kuin tuhat sanaa aiheesta.
Artikkelikuvassa punainen väri kuvaa vesihöyryn absobtiota, oranssi viiva on hiilidioksidin absorbtio, sininen nestemäisen veden absorbtio ja vihreä viiva on otsonin absorbtiokaista.
Ainoa aine, joka varsinaisesti emitoi absoboimaansa energiaa termisen infrapunan aallonpituuksilla on otsoni, joka emitoi imemäänsä ultraviolettisäteilyä termisellä infrapunalla.
Kuvista on selvästi havaittavissa se, kuinka heikko absorbaattori hiilidioksidi on lopultakin.
Jotta asia valkenisi paremmin laitan tähän kolmen eri lämpöisen mustan kappaleen säteilykäyrän alle.
Nestemäisen veden absorbtiokaistalla on siellä alle 3µm aallonpituuksilla hyvin voimakas absorbtio piikki ja sattumoisin aurinko säteilee kyseisillä aallonpituuksilla hyvin merkittävillä tehoilla.
Toisaalta hiilidioksidin 4,3µm absorbtiokaistalla ei säteile aurinko, eikä tellus millään merkittävällä teholla (milliwatteja/m^2)…
Olennaisinta on, ettei peljätty CO2 emitoi mitään lämpösäteilyn puolella, vaikka sitä kovin usein selitetään näin tekevän. CO2 emitoi kyllä radiotaajuuksilla ollessaan absoluuttisen nollapisteen yläpuolisissa lämpötiloissa.
Eikä aine voi emitoidakkaan samoilla aallonpituuksilla, jos aine absorboi säteilyä. Jos aine lähettää fotonin samalla aallonpituudella, kuin se sen absorboi, ei molekyyliin siirry energiaa, vaan ilmiötä kutsutaan elastiseksi sironnaksi.
Edit:
Kuvaajat yllä kertovat pitkä-aaltoisemman ja termisen infrapunasäteilyn absorbtiosta.
Blogi käsittelee lähinnä termistä säteilyä.
Seuraavassa blogissa käyn sitten vähän kurkkaamassa sekundääri emissioiden maailmaan…
Ensimmäisestä kuvasta en saa juuri mitään tolkkua, kun siinä näyttää olevan niin monta skaalaa päällekkäin, että esimerkiksi CO2:n aallonpituusskaalaa en löydä.
Ilmoita asiaton viesti
Skaala on aaltoluvusta 3500 – 400cm.
CO2 on helppo kiinnittää kuvaajassa, kun katsoo pelkän CO2 absorbtio kuvaajaa.
Siksi olen merkinnyt aallonpituudet mikrometreinä.
Kuvaajat on NIST.gov tietokannasta. Aallonpituuskaalat eivät ole täydellisen kohdallaan, mutta siinä on samat kuvat päällekkäin, kuin alemmissa absorbtio kuvaajissa.
Ilmoita asiaton viesti
Tämä toteamus on mielenkiintoinen: ”Ainoa aine, joka varsinaisesti emittoi absorboimaansa energiaa on otsoni, joka emittoi imemäänsä ultraviolettisäteilyä termisellä infrapunalla.”
Säteilyfysiikan yksi peruslaki on, että emissiokyky ja absorptiokyky ovat täsmälleen yhtä suuria. Kasvihuonekaasut ovat mielestäni tästä poikkeus, koska jos ne absorboivat jonkin aallonpituuden fotonin, niin se aiheuttaa mekaanista liikettä kasvihuonemolekyylin atomien välisissä sidoksissa, ja se nostaa molekyylin lämpötilaa. Tämä sama molekyyli emittoi (edit) saman tien toisen fotonin, jolla on pienempi energia eli sen aallonpituus on suurempi.
Sen vuoksi olen eri mieltä, että vain otsoni emittoi absorboimaansa energiaa; kaikki kasvihuonemolekyylit tekevät niin.
Ilmoita asiaton viesti
Olen kerrankin (mutta vain osittain) samaa mieltä kuin Ollila.
Ilmoita asiaton viesti
Ehkä ilmaisin itseni epäselvästi, sillä otsooni on ainoa aine, joka emitoi termisellä infrapunalla. Muut absorboivat kaasut taas eivät.
Vesihöyry ei emitoi mitään 7-14µm aallonpituusalueella, mutta alimillimetri-alueella kylläkin (radioastronomia hyödyntää sitä).
Nestemäinen vesi kykenee emitoimaan ja absorboimaan termisellä alueella ja heijastamaan termistä säteilyä.
Kun kaasumainen aine absorboi fotonin, se lämpenee ja luovuttaa uuden fotonin kullekkin aineelle ominaisella aallonpituudella. Tähän perustuu mm. spektroskopia…
Tästä syystä otsonin pystyy havaitsemaan lämpökameralla ja päivisin taivaan opasiteetti on huomattavasti vähäisempi, kuin yöllä.
Ilmoita asiaton viesti
Tämä otsoni ja varsinkin otsonikerros on mietityttänyt meikäläistä jo jonkin aikaa.
-UV-c absorboituu O2-atomiin hajottaen sen. Ei emissiota?, mutta O-radikaalit saavat valtavan nopeuden kohottaen stratosfäärin lämpötilaa törmäilyillään.
-auringon korkeaenergiset UV-c ja Uv-b muuttuvat lämmöksi ja säteilyksi. Ei mitään energiaa tyhjästä.
– koska otsonia syntyy ja tuhoutuu 360 milj. tonnia vuorokaudessa, on otsonikerros säteilevä ”pimeä aurinko”
-alle 3 mikrometrin säteilyä pidetään auringosta lähtöisin olevana (163,3 w/m2) ja sitten on tämä salaperäinen ”back radiation” 340 W/m2. Näin NASA
– mutta missä on se ilmakehän kuumien otsonireaktioiden säteily?
-onko kasvihuoneilmiö pelkästään stratopaussin (0 C) säteily + vesihöyryn lauhtumislämpö?
Ilmoita asiaton viesti
Kyllä tuolla ihan alle 3µm säteilyssä on selviä spektraalisia piikkejä, jotka syntyvät happimolekyylistä jota UV-C/B pieksee kovalla kädellä.
Tämä ”back-radiation” on myöskin aika pitkälti seurausta tuosta, koska O3 molekyyli säteilee jännittävästi siellä CO2 absorbtion pitkäaaltoisessa päässä ja osin sen ulkopuolella ja energiansa se saa tuosta auringon UV-säteilystä…
Mutta eihän virtahevosta olohuoneessa voi puhua, koska sen katoamisesta tehtiin stanallinen älämölö 80-luvun lopussa fluorattujen halogeenien muodossa, kun yht’äkkiksesti oli löydetty ”otsoni-aukko” etelänavan päältä sateelliitti mittauksissa ja heti alettiin huutamaan ihmisen syyllisyyttä, vaikkei ollut tietoa aikasemmista ajoista ja koko O3 kemiasta yläilmakehästä, puhumattakaan pitkistä aikasarjoista mitä aurinko säteilee ilmakehän ulkopuolella ja miten sen spektri vaihtelee aikain saatossa.
Kummasti, kukaan ei ole valittanut kiinalle siitä, että sieltä tulee edelleen suuria CFC-päästöjä Montrealin sopimuksesta huolimatta…
Ilmoita asiaton viesti
Looginen sarvikuono:
– meret ovat sinisiä, koska tykkäävät näkyvän valon sinisestä osasta; ja tietenkin UV-säteilystä, mutta se ei näy
– vedet lämpenevät näiden säteilykomponenttien lisääntyessä
– lämmenneet vedet aiheuttavat enemmän haihduntaa, mikä lämmittää ilmakehää
– ilmakehä lämpenee ja sateet lisääntyvät, eritysesti monsuunityyppiset
– OOPS! missään ei mainita pitkäaaltoista IR säteilyä, koska se ei pysty lämmittämään vettä, vaan yksinkertaisesti heijastuu pinnasta
Ilmoita asiaton viesti
Muutamia faktoja.
Varsinkin maallikoilla näyttäisi olevan jonkin verran kiistaa siitä, voiko infrapunavalo kulkea lasin läpi. Oikea vastaus on: ”Se riippuu!”
Infrapunasäteily kattaa laajan aallonpituusalueen. Lyhyemmän aallonpituuden päässä, lähellä näkyvää punaista, infrapunavalon käyttäytyminen ei eroa paljoa näkyvästä valosta, paitsi että ihmiset eivät tietenkään näe sitä. Tämä säteily, jota kutsutaan lähi-infrapunaksi kulkee lasin läpi.
Parempi tapa katsoa sitä on sanoa, ettei se absorboidu lasiin. Sen energia on liian suuri virittääkseen molekyylien atomeja korkeampiin värähtelytiloihin.
Keskimmäinen aallonpituuksien kaista, jota yleensä kutsutaan terminä infrapunaksi, on infrapunavaloa, jonka aine tuottaa huoneen lämpötilassa. Juuri tämä infrapunakaista saa molekyylien atomit ”heilahtelemaan” ja tuottamaan lämpöä. Tämä säteily absorboituu voimakkaasti aineeseen, eikä se kulje lasin läpi. Se on myös CO2:n absorboimaa säteilyä. Joten kaikki demonstraatiot missä osoitetaan, että CO2 :lla täytetty lasipurkki lämpenee nopeammin ja korkeampaan lämpötilaan kuin ilmalla täytetty purkki, valaisemalla infrapunasäteilyä molempiin purkkeihin.
Infrapunaspektrin toisessa päässä, kauko-infrapunassa, valo on energialtaan huomattavasti alhaisempi ja lähestyy mikroaaltojen ja radioaaltojen energiaa. Tämän tyyppistä säteilyä tuottavat yleensä kylmemmät aineet. Se on paremmin hallittavissa oleva lämmityssäteily ja sitä käytetään infrapunakiukaissa ja saunoissa.
Viimeisenä muttei vähäisimpänä, infrapunasäteily on valon muoto, ei lämpöä. Lämpö siirtyy molekyylitörmäyksissä ja on suhteellisen hidasta, missä infrapunasäteily puolestaan liikkuu valon nopeudella.
Yhdistämme infrapunavalon lämpöön vain silloin, kun se on vuorovaikutuksessa aineen kanssa ja herättää atomien värähtelymuotoja molekyyleissä. Jotta tämä tapahtuisi, värähtelymoodin on muodostettava molekyyliin värähtelevä sähkökenttä, joka voi kytkeytyä infrapunaaallon sähkökenttäkomponenttiin.
Esimerkin vuoksi. Vaikka N2:n typpiatomit värähtelevät, ne eivät pysty luomaan värähtelevää sähkökenttää. Näin ollen N2 ei ole infrapuna-aktiivinen. Hiilimonoksidi CO on polaarinen molekyyli, ja siksi se muodostaa värähtelevän sähkökentän, kun hiili-happisidos venyy. Se on silloin infrapuna aktiivinen.
Tuosta ”heikosta” CO2:n absorbtiosta olen eri mieltä. ”Sekin riippuu” mm. tehollisesta muutosnopeudesta.
Ilmoita asiaton viesti
Lasi läpäisee kyllä suhteellisen hyvin NIR-alueen (lähi-infrapuna alueen) infrapunasäteilyä, jota hyödyntävät mm. pimeännäkölaitteet.
Mitä aallonpituusaluetta snivirta tarkoittaa lasipurkki esimerkissään puhuessaan valaisusta?
Noista infrapunasaunoista sen verran, että niiden säteilyelementit ovat useinden satojen asteiden lämpötiloissa, joten niiden suurimman säteilyvoimakkuuden piikki pyörii siellä 7µm tietämissä.
Blogissa on myös se pointti, että ilmakehä on yllättävän läpinäkyvä (vesi ikkunat) 3-5µm ja 7-14µm aallonpituus välillä.
Lyhempää aallonpituusaluetta hyödyntävät VOC-kamerat ja lämpöhakuisten ohjusten hakupäät. Alempaa käyttävät varsinaiset lämpökamerat. Sattumoisin suurin osa telluksen ulos säteilystä on nimenomaisesti tuolla alemmalla taajuuskaistalla.
Kun ryhdyt laskemaan sitä oikeata absobtiotehoa CO2:lla ja vertaat sitä vaikka otsonin kaistoihin, niin kyllähän telluksen säteilyspektrissä se O3, eli otsoni on hyvin merkittävä tekijä tehollisesti kun sitä verrataan todellisen maailman säteilyspektriin.
Ironisinta tässä on se, että tehollisesti CO2 absorbtio on %-osuuksissa tutkien nimenomaisesti kylmän telluksen pinnan spektrillä merkittävä (talvella).
Vaan eipä se kummoisesti lämmittänyt viime yönä, koska pakkanen laski -21,5C lämpötilaan kunnes pilvisyys lopetti lämpötilan laskun. Päivällä oli silti +2,2C.
Ilmoita asiaton viesti
Sen enempää puuttumatta blogiisi, suora radioluotaus on jo vahvistanut ihmisen vaikutuksen 2000-luvulla, kasvihuonekaasujen absorbtiona, joka lämmittää troposfääriä, missä stratosfääri viilenee samassa suhteessa. Tätä muutosta ei selitetä otsonitason muutoksilla. Siitä lähemmin alla.
https://puheenvuoro.uusisuomi.fi/hannusinivirta/troposfaarin-lampeneminen-ja-stratosfaarin-jaahtyminen-2000-luvulla/
Ilmoita asiaton viesti
Minkänlainen tulos radioluotauksella saatiin -40 luvulla?
Ilmoita asiaton viesti
No, radioastronomia ei ollut vielä tuolloin olemassa siinä mielessä kuin sen nykyisin tunnemme ja GPS:n matematiikkaakin kehitti eräs brittiläinen nainen tuolloin.
Ensimmäiset Navstar paikannus-satelliitit saatiin taivaalle 1978…
Ilmoita asiaton viesti
Itse asiassa, tuolla kysymyksellä ei ole mitään merkitystä.
Ilmoita asiaton viesti
Suora radioluotaus? Blogisi tekniikka on epäsuoraa luotausta.
Radioastronomit tekevät suoria radioluotauksia joko aktiivisesti tai passiivisesti. Suoran radioluotauksen tekniikoita telluksen lähellä oleviin kohteisiin on SAR (=Synthetic Aperture Radar) tai ISAR (=inverted Synthetic Aperture Radar). Passiivisia luotauksia tehdään suomessa mm. metsähovissa ja sodankylässä. Viestikalliollakin tehdään harrastajien toimesta aika paljon.
Olisit edes vähän viitsinyt noudattaa esko valtaojan periaatteita ja suomentaa käsitteitä…
GNSS= paikannussatelliitti (GPS, Galileo, Glonassa, Baidu….). Blogisi on aika suora käännös ESA:n artikkelista, jossa mittaus menetelmänä on paikannus-satelliittien signaalin käytöksen analysointi.
Okkultaatio= tähden peitto (tässä tapauksessa radiopeitto), jossa radiosignaali taipuu ilmakehässä ja sitä tutkitaan kuten auringon imennyksissä valolla (näkyvä/UV/IR)…
Et sentään ruvennut vääntämään dimensiottomia differentaaliyhtälöitä aiheesta, koska tuon radiotaajuisen sähkömagneettisen säteilyn kohdalla liikut erittäin heikoilla jäillä…
Ilmoita asiaton viesti
Ettei menisi hiusten halkomiseksi, olisit nyt ensin ottanut selvää, mitä GNSS- radio-okkultaatiolla tarkoitetaan. Kyllä se on aika suoraa radioluotausta.
Kun ei ihan jokaista juttua viitsisi lähteä avamaan, voi itse käydä tutustumassa.
https://puheenvuoro.uusisuomi.fi/hannusinivirta/troposfaarin-lampeneminen-ja-stratosfaarin-jaahtyminen-2000-luvulla/
https://www.eumetsat.int/iasi
https://www.eumetsat.int/amsu-a
IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) ja AMSU-A (Advanced Microwave Sounding Unit). Ja GNSS (Global Navigation Satellite System). Ym.
GPS ym. sovellukset ovat periaatteessa sitä samaa radiosignaalien käsittelyä, sekin mikroaalloilla.
Ilmoita asiaton viesti
Siihen näkymättömyyteen on luemma tulossa ehkä muutos
Ilmoita asiaton viesti
Voipi olla, että pukkaan horsmaa, ennenkuin kyseinen keksintö saa mitään oikeasti kuluttajalle soveltuvia sovelluksia.
Lämpökamera perustuu nykyisin mikro-bolometreihin, mutta linkkisi menetelmässä ns. kameran pitää olla suoraan signaalin edessä.
Lämpösäteily lähtee jokaiseen suuntaan, mutta radiosignaalit useinkaan eivät, koska herzin dynodia tai isotrooppista säteilijää ei ole olemassa todellisessa maailmassa. Se löytyy ainoastaan matemaatikkojen laskelmista…
Ilmoita asiaton viesti
Tuossa on maapallon säteily avaruuteen. Nähdään, että niillä aallonpituuksilla joita CO2 absorboi, säteily noudattaa hieman alle 220K mustan kappaleen säteilyä. Tämä johtuu siitä, että säteily lähtee avaruuteen ilmakehän yläosasta, joka on kylmä. Myös auringonvalo on mustan kappaleen säteilyä. Kaasut säteilevät mustan kappaleen säteilyä, vaikka eivät ole täydellisiä mustia kappaleita, kuten eivät ole kiinteätkään aineet.
https://www.acs.org/content/acs/en/climatescience/atmosphericwarming/_jcr_content/articleContent/columnbootstrap_1/column0/image.img.jpg/1374178157948.jpg
Ilmoita asiaton viesti
Nyt härkönen puhuu täysin puuta, heinää…
Telluksen pinta säteilee 7-14µm aallonpituusalueella aika vapaasti avaruuteen pois lukien veden, CO2 ja otsonnin absorbtio-piikit.
Kun katsot linkkaamasi kuvaajaa, niin spektraalinen vaste on 320K (=47C) käyrällä.
Edelleen, ilmakehä on läpinäkyvä 3-5µm (poislukien CO2 4,3µm absorbtio ja 7-14µm väliltä.
Kaasujen säteilystä sen verran, etteivät ne pääsääntönä säteile lämpösäteilyä mutta ali-millimetri aalloilla ja THz taajuuksilla kylläkin kullekkin kaasulle ominaisella taajuudella.
Edes vesihöyry ei kummoisesti säteile lämpösäteilyä. Voit testata höyrypesurilla asiaa…
Kannattaa myös katsoa ajatuksella se ensimmäisen blogini kuva.
https://puheenvuoro.uusisuomi.fi/wp-content/uploads/2021/01/iroda.jpg
Ilmoita asiaton viesti
No jos se 320K oli ongelma niin tuossa on sama kuva 294 K.
https://www.giss.nasa.gov/research/briefs/2010_schmidt_05/curve_s2.gif
Ilmoita asiaton viesti
Viestissäsi #3850669 kirjoitat 220K = -53C.
Joten se ei ole uskottavaa, kuin napa-alueilta tai siperiasta talvella.
Viestissäsi linkkaamassasi kuvassa spektri vastaa 320K, mikä sekään ei ole uskottavaa, ettei se ole mitattu saharasta, arabian niemimaalta tai australiasta.
Nyt tämä uuski kuvaajasi väittää, että se on +21C lämpötilan säteilyä. Kyllähän se on niin, ettei +21C ole lämpösäteilyn huippu ole aaltoluvussa 600cm, vaan aaltoluvulla 1000cm.
Jos spektraalinen huippu halutaan aaltoluvulle 600cm, pitää lämpötila laskea 185K lukemaan, joka on niin raju pakkanen, ettei sellaista tavata kuin antarktiksella tai siperiassa ankarissa pakkasissa.
Joten mistähän ihmeestä kaivelet nuo kuvaajasi?
Ilmoita asiaton viesti
220K on ilmakehän yläosan lämpötila. Johtuu siis CO2:n absorptiosta.
Tuossahan tuo lähde on. ”The emissivities corresponding to the stronger absorptions near 15 μm are larger and the emissions from these wavelengths come from layers at about 220 to 210 K (about –60 °C), near the top of the troposphere.”
https://www.acs.org/climatescience/atmosphericwarming/earthatmosphere.html
Ilmoita asiaton viesti