การดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าของน้ำขึ้นอยู่กับสถานะของน้ำ

การดูดกลืนในสถานะแก๊สเกิดขึ้นในสามช่วงของสเปกตรัมการเปลี่ยนสถานะแบบหมุนทำให้เกิดการดูดกลืนในย่านไมโครเวฟและอินฟราเรดไกลการเปลี่ยนสถานะแบบสั่น ทำให้เกิดการดูดกลืน ในย่านอินฟราเรดกลางและอินฟราเรดใกล้ แถบการสั่นมีโครงสร้างละเอียดแบบหมุน การเปลี่ยนสถานะทางอิเล็กตรอนเกิดขึ้นในย่าน อัลตราไวโอเลตสุญญากาศ

เนื่องจากการดูดซับแสงในช่วงคลื่นที่มองเห็นได้ มีน้อย ทำให้่น้ำ มีสี ฟ้าอ่อน

โมเลกุลของน้ำในสถานะก๊าซมีการเปลี่ยนแปลงสามประเภทที่สามารถทำให้เกิดการดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าได้:

• การเปลี่ยนสถานะการหมุน ซึ่งโมเลกุลได้รับพลังงานการหมุน หนึ่งค วอนตัม ไอน้ำในบรรยากาศที่อุณหภูมิและความดันปกติทำให้เกิดการดูดกลืนใน ย่าน อินฟราเรดไกลของสเปกตรัม ตั้งแต่ประมาณ 200 cm⁻¹ ⁽ 50 μm) ไปจนถึงความยาวคลื่นที่ยาวขึ้นไปทางย่านไมโครเวฟ
• การเปลี่ยนสถานะการสั่นสะเทือนที่โมเลกุลได้รับพลังงานการสั่นสะเทือนหนึ่งควอนตัม การเปลี่ยนสถานะพื้นฐานทำให้เกิดการดูดกลืนแสงในช่วงอินฟราเรดกลางในบริเวณประมาณ 1650 cm⁻¹ ⁽แถบ μ, 6 μm) และ 3500 cm⁻¹ ⁽ที่เรียกว่าแถบ X, 2.9 μm)
• การเปลี่ยนสถานะทางอิเล็กตรอนซึ่งโมเลกุลถูกกระตุ้นไปยังสถานะอิเล็กตรอนที่สูงขึ้น การเปลี่ยนสถานะที่มีพลังงานต่ำที่สุดในประเภทนี้เกิดขึ้นในย่านรังสีอัลตราไวโอเลตสุญญากาศ

ในความเป็นจริง การสั่นสะเทือนของโมเลกุลในสถานะก๊าซจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนผ่านแบบหมุน ทำให้เกิด สเปกตรัม การสั่นและการหมุนนอกจากนี้โอเวอร์โทน การสั่น และแถบผสมจะเกิดขึ้นในบริเวณใกล้อินฟราเรด ฐานข้อมูล สเปกโทรสโก^ปีHITRAN แสดงรายการ เส้นสเปกตรัมมากกว่า 37,000 เส้น สำหรับก๊าซ_H₂¹⁶Oตั้งแต่ บริเวณ ไมโครเวฟไปจนถึงสเปกตรัมที่มองเห็นได้^{[ 5 ] [ 12 ]}

ในน้ำที่เป็นของเหลว การเปลี่ยนสถานะแบบหมุนจะถูกยับยั้งอย่างมีประสิทธิภาพ แต่แถบการดูดกลืนจะได้รับผลกระทบจากพันธะไฮโดรเจนในน้ำแข็งผลึก สเปกตรัมการสั่นก็ได้รับผลกระทบจากพันธะไฮโดรเจนเช่นกัน และมีการสั่นของโครงสร้างผลึกที่ทำให้เกิดการดูดกลืนในช่วงอินฟราเรดไกล การเปลี่ยนสถานะทางอิเล็กตรอนของโมเลกุลในสถานะแก๊สจะแสดงโครงสร้างละเอียดทั้งแบบการสั่นและการหมุน

ตำแหน่งของแถบการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดอาจระบุได้ทั้งในหน่วยความยาวคลื่น (โดยปกติในหน่วยไมโครเมตร , μm) หรือหน่วยเลขคลื่น (โดยปกติใน หน่วย เซนติเมตรผกผัน , cm ⁻¹ )

โมเลกุลน้ำเป็นยอดแหลมที่ไม่สมมาตรกล่าวคือ มีโมเมนต์ความเฉื่อยอิสระสามค่า การ หมุนรอบ แกนสมมาตร 2 เท่าแสดงไว้ทางด้านซ้าย เนื่องจากความสมมาตรต่ำของโมเลกุล จึงสามารถสังเกตการเปลี่ยนผ่านจำนวนมากได้ใน บริเวณ อินฟราเรดไกลของสเปกตรัม การวัดสเปกตรัมไมโครเวฟให้ค่าที่แม่นยำมากสำหรับความยาวพันธะ O−H 95.84 ± 0.05 pm และ มุมพันธะ H−O−H 104.5 ± 0.3° ^{[ 13 ]}

การสั่นพื้นฐานสามแบบของโมเลกุลน้ำ

ν ₁ , การยืดแบบสมมาตร O–H 3657 cm ⁻¹ (2.734 μm)

ν ₂ , การดัดงอ H–O–H 1595 cm ⁻¹ (6.269 μm)

ν ₃ , การยืดแบบไม่สมมาตรของ O–H 3756 cm ⁻¹ (2.662 μm)

โมเลกุลของน้ำมีการสั่นสะเทือนระดับโมเลกุล พื้นฐานสาม แบบ การสั่นแบบยืด O–H ทำให้เกิดแถบการดูดกลืนที่มีจุดกำเนิดแถบที่ 3657 cm⁻¹ ⁽ ν₁ _, 2.734 μm) และ 3756 cm⁻¹ ⁽ ν₃ _, 2.662 μm) ในสถานะแก๊ส การสั่นแบบยืดแบบไม่สมมาตร ซึ่งมีสมมาตร B₂ _ในกลุ่มจุด C₂v เป็นการสั่นปกติ จุดกำเนิด _ของโหมดการดัด H–O–H อยู่ที่ 1595 cm⁻¹ ⁽ ν₂ _, 6.269 μm) ทั้งการสั่นแบบยืดและแบบดัดแบบสมมาตรมี สมมาตร _A₁แต่ความแตกต่างของความถี่ระหว่างพวกมันมีมากจนการผสมกันแทบจะเป็นศูนย์ ในสถานะแก๊ส แถบทั้งสามแสดงโครงสร้างละเอียดแบบหมุนอย่างกว้างขวาง^{[ 14 ]}ในสเปกตรัมอินฟราเรดใกล้ ν ₃มีชุดโอเวอร์โทนที่เลขคลื่นน้อยกว่า n·ν ₃ เล็กน้อย n=2,3,4,5... แถบผสม เช่น ν ₂ + ν ₃ก็สามารถสังเกตได้ง่ายในบริเวณอินฟราเรดใกล้เช่นกัน^{[ 15 ] [ 16 ]}การมีอยู่ของไอน้ำในบรรยากาศมีความสำคัญต่อเคมีบรรยากาศโดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากสเปกตรัมอินฟราเรดและอินฟราเรดใกล้สามารถสังเกตได้ง่ายรหัสมาตรฐาน (แสงบรรยากาศ)จะถูกกำหนดให้กับแถบการดูดกลืนดังต่อไปนี้ 0.718 μm (มองเห็นได้): α, 0.810 μm: μ, 0.935 μm: ρστ, 1.13 μm: φ, 1.38 μm: ψ, 1.88 μm: Ω, 2.68 μm: X ช่องว่างระหว่างแถบจะกำหนดหน้าต่างอินฟราเรดในชั้นบรรยากาศของโลก^{[ 17 ]}

สเปกตรัมอินฟราเรดของน้ำเหลวถูกครอบงำด้วยการดูดกลืนอย่างเข้มข้นเนื่องจากการสั่นแบบยืด O–H พื้นฐาน เนื่องจากความเข้มสูง จึงจำเป็นต้องใช้ความยาวเส้นทางที่สั้นมาก โดยปกติจะน้อยกว่า 50 μm เพื่อบันทึกสเปกตรัมของสารละลายในน้ำ ไม่มีโครงสร้างละเอียดแบบหมุน แต่แถบการดูดกลืนจะกว้างกว่าที่คาดไว้เนื่องจากพันธะไฮโดรเจน^{[ 18 ]}ค่าสูงสุดของน้ำเหลวจะสังเกตได้ที่ 3450 cm ⁻¹ (2.898 μm), 3615 cm ⁻¹ (2.766 μm) และ 1640 cm ⁻¹ (6.097 μm) ^{[ 14 ]}การวัดสเปกตรัมอินฟราเรดของสารละลายในน้ำโดยตรงต้องใช้วัสดุที่ไม่ละลายน้ำ เช่นแคลเซียมฟลูออไรด์ ในการทำหน้าต่างคิวเวตต์ ความยากลำบากนี้สามารถเอาชนะได้โดยการใช้ อุปกรณ์ สะท้อนแสงรวมแบบลดทอน (ATR) แทนการส่งผ่าน

ในช่วงอินฟราเรดใกล้ น้ำเหลวมีแถบการดูดกลืนแสงประมาณ 1950 นาโนเมตร (5128 cm⁻¹ ⁾ , 1450 นาโนเมตร (6896 cm⁻¹ ⁾ , 1200 นาโนเมตร (8333 cm⁻¹ ⁾และ 970 นาโนเมตร (10300 cm⁻¹ ⁾ [ ^{19 ] [ 20 ] [ 15 ] บริเวณ}ระหว่างแถบเหล่านี้สามารถใช้ในสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดใกล้เพื่อวัดสเปกตรัมของสารละลายในน้ำ โดยมีข้อดีคือแก้วโปร่งใสในบริเวณนี้ จึงสามารถใช้คิวเวตต์แก้วได้ ความเข้มของการดูดกลืนแสงจะอ่อนกว่าการสั่นพื้นฐาน แต่สิ่งนี้ไม่สำคัญเนื่องจากสามารถใช้คิวเวตต์ที่มีความยาวเส้นทางยาวกว่าได้ แถบการดูดกลืนแสงที่ 698 นาโนเมตร (14300 cm⁻¹ ⁾เป็นโอเวอร์โทนที่ 3 (n=4) มันค่อยๆ จางลงจนถึงช่วงที่มองเห็นได้และเป็นสาเหตุที่ทำให้น้ำมี สีน้ำเงินตามธรรมชาติ สามารถสังเกตได้ด้วยเครื่องสเปกโตรโฟโตมิเตอร์ UV/vis มาตรฐาน โดยใช้ความยาวเส้นทาง 10 ซม. สามารถมองเห็นสีได้ด้วยตาเปล่าโดยมองผ่านคอลัมน์น้ำที่มีความยาวประมาณ 10 เมตร น้ำจะต้องผ่านตัวกรองละเอียดพิเศษเพื่อกำจัดสีที่เกิดจากการกระเจิงของเรย์ลีซึ่งอาจทำให้น้ำปรากฏเป็นสีน้ำเงินได้เช่นกัน^{[ 16 ] [ 21 ] [ 22 ]}

สเปกตรัมของน้ำแข็งมีลักษณะคล้ายกับสเปกตรัมของน้ำเหลว โดยมีค่าสูงสุดที่ 3400 cm ⁻¹ (2.941 μm), 3220 cm ⁻¹ (3.105 μm) และ 1620 cm ⁻¹ (6.17 μm) ^{[ 14 ]}

ในทั้งน้ำเหลวและกลุ่มน้ำแข็ง การสั่นสะเทือนความถี่ต่ำเกิดขึ้น ซึ่งเกี่ยวข้องกับการยืด (TS) หรือการดัด (TB) ของพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุล (O–H•••O) แถบที่ความยาวคลื่น λ = 50–55 μm หรือ 182–200 cm ⁻¹ (44 μm, 227 cm ⁻¹ในน้ำแข็ง) ได้รับการระบุว่าเป็น TS การยืดระหว่างโมเลกุล และ 200 μm หรือ 50 cm ⁻¹ (166 μm, 60 cm ⁻¹ในน้ำแข็ง) เป็น TB การดัดระหว่างโมเลกุล^{[ 11 ]}

ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงสำหรับ 200 นาโนเมตรและ 900 นาโนเมตรเกือบเท่ากันที่ 6.9 ม. ⁻¹ ( ความยาวการลดทอน 14.5 ซม.) มีการวัดการดูดกลืนแสงที่อ่อนมากในช่วงแสงที่มองเห็นได้โดยน้ำเหลวโดยใช้เครื่องวัดการดูดกลืนแสงแบบโพรงรวม (ICAM) ^{[ 16 ]}การดูดกลืนแสงเกิดจากลำดับของแถบโอเวอร์โทนและแถบผสมที่มีความเข้มลดลงในแต่ละขั้น ทำให้เกิดค่าต่ำสุดสัมบูรณ์ที่ 418 นาโนเมตร ซึ่งที่ความยาวคลื่นนี้ ค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนอยู่ที่ประมาณ 0.0044 ม. ⁻¹ซึ่งมีความยาวการลดทอนประมาณ 227 เมตร ค่าเหล่านี้สอดคล้องกับการดูดกลืนแสงบริสุทธิ์โดยไม่มีผลกระทบจากการกระเจิง การลดทอนของลำแสงเลเซอร์จะแรงกว่าเล็กน้อย

การเปลี่ยนผ่านอิเล็กตรอนของโมเลกุลน้ำอยู่ใน ช่วง อัลตราไวโอเลตสุญญากาศสำหรับไอน้ำ แถบต่างๆ ได้รับการกำหนดดังต่อไปนี้^{[ 11 ]}

• แถบคลื่น 65 นาโนเมตร — การเปลี่ยนสถานะทางอิเล็กตรอนที่หลากหลาย การแตกตัวเป็นไอออนด้วยแสงและการแตกตัวเป็นอนุภาคด้วยแสง
• ลักษณะเฉพาะที่แยกจากกันระหว่าง 115 ถึง 180 นาโนเมตร
  • ชุดของแถบแคบๆ ระหว่าง 115 และ 125 นาโนเมตรอนุกรมริดเบิร์ก : 1 b ₁ (n ₂ ) → สถานะริดเบิร์กที่แตกต่างกันมากมาย และ 3 a ₁ (n ₁ ) → สถานะริดเบิร์ก 3 sa ₁
  • อนุกรมริดเบิร์ก แถบ 128 นาโนเมตร: 3 a ₁ (n ₁ ) → สถานะริดเบิร์ก 3 sa ₁และ 1 b ₁ (n ₂ ) → สถานะริดเบิร์ก 3s a ₁
  • แถบ 166.5 nm 1 b ₁ (n ₂ ) → 4 a ₁ (σ ₁ *-like orbital )

สเปกตรัมการหมุนบริสุทธิ์ของไอน้ำขยายไปถึงย่านไมโครเวฟ

น้ำเหลวมีสเปกตรัมการดูดซับที่กว้างในย่านไมโครเวฟ ซึ่งได้รับการอธิบายในแง่ของการเปลี่ยนแปลงใน เครือข่าย พันธะไฮโดรเจนที่ทำให้เกิดสเปกตรัมไมโครเวฟที่กว้างและไม่มีลักษณะเฉพาะ^{[ 24 ]}การดูดซับ (เทียบเท่ากับการสูญเสียไดอิเล็กตริก ) ถูกนำมาใช้ในเตาไมโครเวฟเพื่อให้ความร้อนแก่อาหารที่มีโมเลกุลน้ำ ความถี่2.45 GHzความยาวคลื่น 122 มม. เป็นความถี่ที่ใช้กันทั่วไป

การสื่อสารทางวิทยุที่ความถี่ระดับกิกะเจิงทำได้ยากมากในน้ำจืด และยิ่งยากขึ้นไปอีกในน้ำเค็ม^{[ 11 ]}

ไอน้ำเป็นก๊าซเรือนกระจกในชั้นบรรยากาศของโลกซึ่งเป็นสาเหตุของการดูดซับแสงอาทิตย์ ที่เข้ามาถึง 70% โดยเฉพาะในย่านอินฟราเรด และประมาณ 60% ของการดูดซับรังสีความร้อน ในชั้นบรรยากาศ ของโลกที่เรียกว่าปรากฏการณ์เรือนกระจก [ ^{25 ] นอกจาก}นี้ยังเป็นปัจจัยสำคัญในการถ่ายภาพหลายสเปกตรัมและการถ่ายภาพไฮเปอร์สเปกตรัมที่ใช้ในการสำรวจระยะไกล^{[ 12 ]}เนื่องจากไอน้ำดูดซับรังสีแตกต่างกันในแถบสเปกตรัม ต่างๆ ผลกระทบของมันยังเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องพิจารณาในดาราศาสตร์อินฟราเรดและดาราศาสตร์วิทยุในย่านไมโครเวฟหรือคลื่นมิลลิเมตรกล้องโทรทรรศน์ขั้วโลกใต้ถูกสร้างขึ้นในทวีปแอนตาร์กติกาส่วนหนึ่งเป็นเพราะระดับความสูงและอุณหภูมิต่ำที่นั่นหมายความว่ามีไอน้ำในชั้นบรรยากาศน้อยมาก^{[ 26 ]}

ในทำนองเดียวกันแถบการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ เกิดขึ้นที่ประมาณ 1400, 1600 และ 2000 นาโนเมตร ^{[ 27 ]}แต่การมีอยู่ของมันในชั้นบรรยากาศของโลกคิดเป็นเพียง 26% ของปรากฏการณ์เรือนกระจก^{[ 25 ]}ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ดูดซับพลังงานในบางส่วนของสเปกตรัมอินฟราเรดความร้อนที่ไอน้ำไม่สามารถดูดซับได้ การดูดซับเพิ่มเติมนี้ในชั้นบรรยากาศทำให้อากาศอุ่นขึ้นอีกเล็กน้อย และยิ่งชั้นบรรยากาศอุ่นขึ้นเท่าใด ความสามารถในการกักเก็บไอน้ำก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น การดูดซับไอน้ำเพิ่มเติมนี้ช่วยเสริมปรากฏการณ์เรือนกระจกของโลกให้ดียิ่งขึ้นไปอีก^{[ 28 ]}

ในหน้าต่างบรรยากาศระหว่างประมาณ 8000 ถึง 14000 นาโนเมตร ในสเปกตรัมอินฟราเรดระยะไกล การดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำจะอ่อน^{[ 29 ]}หน้าต่างนี้ทำให้รังสีความร้อนส่วนใหญ่ในแถบนี้สามารถแผ่ออกไปในอวกาศได้โดยตรงจากพื้นผิวโลก แถบนี้ยังใช้สำหรับการสำรวจระยะไกลของโลกจากอวกาศ เช่นการถ่ายภาพ อินฟราเรด ความร้อน

นอกจากจะดูดซับรังสีแล้ว ไอน้ำยังปล่อยรังสีออกมาในทุกทิศทางเป็นครั้งคราว ตาม เส้นโค้งการแผ่รังสี ของวัตถุดำสำหรับอุณหภูมิปัจจุบันที่ซ้อนทับบนสเปกตรัมการดูดซับของน้ำ พลังงานส่วนใหญ่จะถูกดูดซับกลับคืนโดยโมเลกุลของน้ำอื่นๆ แต่ที่ระดับความสูงที่สูงขึ้น รังสีที่ส่งไปยังอวกาศมีโอกาสน้อยที่จะถูกดูดซับกลับคืน เนื่องจากมีน้ำน้อยลงที่จะดูดซับรังสีที่มีความยาวคลื่นเฉพาะที่น้ำดูดซับได้ ที่ส่วนบนสุดของชั้นโทรโพสเฟียร์ประมาณ 12 กิโลเมตรเหนือระดับน้ำทะเล ไอน้ำส่วนใหญ่จะควบแน่นกลายเป็นน้ำเหลวหรือน้ำแข็งเมื่อปล่อยความร้อนจากการระเหยเมื่อเปลี่ยนสถานะแล้ว น้ำเหลวและน้ำแข็งจะตกลงสู่ระดับความสูงที่ต่ำกว่า ซึ่งจะสมดุลกับไอน้ำที่เข้ามาใหม่ซึ่งลอยขึ้นผ่านกระแสการพาความร้อน

น้ำในสถานะของเหลวและน้ำแข็งปล่อยรังสีในอัตราที่สูงกว่าไอน้ำ (ดูแผนภูมิข้างต้น) น้ำที่อยู่ด้านบนสุดของชั้นโทรโปสเฟียร์ โดยเฉพาะในสถานะของเหลวและของแข็ง จะเย็นลงเมื่อปล่อยโฟตอนสุทธิออกสู่ห้วงอวกาศ โมเลกุลของก๊าซอื่นๆ ที่อยู่ใกล้เคียงที่ไม่ใช่น้ำ (เช่น ไนโตรเจน) จะเย็นลงโดยการถ่ายเทความร้อนจลน์ไปยังน้ำ นี่คือเหตุผลที่อุณหภูมิที่ด้านบนของชั้นโทรโปสเฟียร์ (ที่เรียกว่าโทรโปพอส ) อยู่ที่ประมาณ -50 องศาเซลเซียส

• สเปกโทรสโกปีไดอิเล็กทริก
• สเปกโทรสโกปีการดูดกลืนแสงเชิงอนุพันธ์
• การดูดซับไอออนไฮดรอกซิลในใยแก้วนำแสง
• แบบจำลองน้ำ

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับการดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยน้ำ

• การจำลองการดูดซับในเฟสแก๊สที่มีความละเอียดสูง
• สเปกตรัมการดูดซับน้ำ (มาร์ติน แชปลิน) (ฉบับที่เก็บถาวร)