Absorción de Chappuis
El cielo del crepúsculo occidental después de la puesta del sol , durante la hora azul (alrededor del anochecer náutico ). El color azul profundo de la parte superior se debe a la absorción de Chappuis.

La absorción de Chappuis ( en francés: [ʃapɥi] ) se refiere a la absorción de la radiación electromagnética por el ozono , que es especialmente notable en la capa de ozono , que absorbe una pequeña parte de la luz solar en la porción visible del espectro electromagnético . Las bandas de absorción de Chappuis se producen en longitudes de onda entre 400 y 650  nm . Dentro de este rango hay dos máximos de absorción de altura similar a 575 y 603 nm. [1] [2]

En comparación con la absorción de la luz ultravioleta por la capa de ozono, conocida como absorción de Hartley y Huggins, la absorción de Chappuis es claramente más débil. [3] Junto con la dispersión de Rayleigh , contribuye al color azul del cielo , y es perceptible cuando la luz tiene que recorrer un largo camino a través de la atmósfera terrestre . Por esta razón, la absorción de Chappuis solo tiene un efecto significativo en el color del cielo al amanecer y al anochecer , durante la llamada hora azul . [4] Recibe su nombre en honor al químico francés James Chappuis (1854-1934), quien descubrió este efecto. [5]

Historia

James Chappuis fue el primer investigador (en 1880) en notar que la luz que pasa a través del gas ozono tiene un tinte azul. Atribuyó este efecto a la absorción en las partes amarilla, naranja y roja del espectro de luz. [6] El químico francés Auguste Houzeau ya había demostrado en 1858 que la atmósfera contiene trazas de ozono, por lo que Chappuis supuso que el ozono podría explicar el color azul del cielo. Ciertamente era consciente de que esta no era la única explicación posible, ya que la luz azul que se puede ver desde la superficie de la Tierra está polarizada. La polarización no se puede explicar por la absorción de luz por el ozono, pero sí por la dispersión de Rayleigh , que ya se conocía en la época de Chappuis. Los científicos contemporáneos pensaron que la dispersión de Rayleigh era suficiente para explicar el cielo azul, por lo que la idea de que el ozono pudiera desempeñar un papel finalmente se olvidó. [5]

A principios de los años 1950, Edward Hulburt estaba realizando investigaciones sobre el cielo al anochecer, para verificar las predicciones teóricas sobre la temperatura y la densidad de la atmósfera superior sobre la base de la luz dispersa medida en la superficie de la Tierra. [7] La ​​idea básica era que después de que el Sol pasa bajo el horizonte, continúa iluminando las capas superiores de la atmósfera. Hulburt deseaba relacionar la intensidad de la luz que llega a la superficie de la Tierra a través de la dispersión de Rayleigh con la abundancia de partículas a cada altitud, a medida que la luz solar pasa a través de la atmósfera a diferentes alturas durante el transcurso del atardecer. En sus mediciones, realizadas en 1952 en Sacramento Peak en Nuevo México , encontró que la intensidad de la luz medida era menor en un factor de 2 a 4 que el valor predicho. Sus predicciones se basaron en su teoría, y en mediciones que se realizaron en la atmósfera superior solo unos años antes por vuelos de cohetes lanzados no lejos de Sacramento Peak. La magnitud de la desviación entre la predicción y las mediciones fotométricas realizadas en Sacramento Peak excluían un mero error de medición . Hasta entonces, la teoría había predicho que el cielo en el cenit durante la puesta del sol debería aparecer de azul verdoso a gris, y el color debería cambiar a amarillo durante el anochecer. Obviamente, esto estaba en conflicto con la observación diaria de que el color azul del cielo en el cenit al anochecer cambia solo imperceptiblemente. Como Hulburt sabía sobre la absorción por ozono, y como el rango espectral de la absorción de Chappuis había sido medido con mayor precisión solo unos años antes por el matrimonio francés Arlette y Étienne Vassy, ​​intentó tener en cuenta este efecto en sus cálculos. Esto hizo que las mediciones coincidieran completamente con las predicciones teóricas. Los resultados de Hulburt se confirmaron repetidamente en los años siguientes. De hecho, no todos los efectos de color al anochecer en un cielo despejado pueden explicarse por las capas más profundas. Para ello, probablemente sea necesario tener en cuenta la extinción espectral por aerosoles en las simulaciones teóricas. [8]

Independientemente de Hulburt, el meteorólogo francés Jean Dubois había propuesto unos años antes que la absorción de Chappuis tenía un efecto sobre otro fenómeno de color del cielo al anochecer. Dubois trabajó sobre la llamada " sombra de la Tierra " en su tesis doctoral en la década de 1940 y planteó la hipótesis de que este efecto también podría atribuirse a la absorción de Chappuis. [5] Sin embargo, esta conjetura no está respaldada por mediciones más recientes. [9]

Base física

La absorción de Chappuis es una absorción continua en el rango de longitud de onda entre 400 y 650 nm. Es causada por la fotodisociación (ruptura) de la molécula de ozono. El máximo de absorción se encuentra alrededor de 603 nm, con una sección transversal de 5,23 10 −21  cm 2 . Un segundo máximo, algo más pequeño a ca. 575 nm tiene una sección transversal de 4,83 10 −21  cm 2 . [2] La energía de absorbancia en las bandas de Chappuis se encuentra entre 1,8 y 3,1  eV . Los valores medidos implican que el mecanismo de absorción apenas depende de la temperatura; la desviación representa menos del tres por ciento. Alrededor de sus máximos, la absorción de Chappuis es aproximadamente tres órdenes de magnitud más débil que la absorción de luz ultravioleta en el rango de las bandas de Hartley. [10] De hecho, la absorción de Chappuis es uno de los pocos procesos de absorción dignos de mención dentro del espectro visible en la atmósfera de la Tierra. [11]

En el espectro de absorción de las bandas de Chappuis, en longitudes de onda más cortas, se superponen bandas parcialmente irregulares y difusas causadas por vibraciones moleculares . La irregularidad de estas bandas implica que la molécula de ozono solo se encuentra en estado excitado durante un tiempo extremadamente corto antes de disociarse. [10] Durante esta corta excitación, sufre principalmente vibraciones de estiramiento simétricas, aunque con algunas contribuciones de vibraciones de flexión. [1] Durante mucho tiempo, una explicación teórica consistente de la estructura de vibración que esté en línea con los datos experimentales fue un problema sin resolver; incluso hoy, no todos los detalles de la absorción de Chappuis pueden explicarse mediante la teoría. [10]

Al igual que cuando absorbe luz ultravioleta, la molécula de ozono puede descomponerse en una molécula de O2 y un átomo de O durante la absorción de Chappuis. Sin embargo, a diferencia de las absorciones de Hartley y Huggins, los productos de descomposición no permanecen en un estado excitado. La disociación en las bandas de Chappuis es el proceso fotoquímico más importante que involucra al ozono en la atmósfera terrestre por debajo de una altitud de 30 km. Por encima de esta altitud, se ve superada por las absorciones en la banda de Hartley. Sin embargo, ni la absorción de Hartley ni la de Chappuis causan una pérdida significativa de ozono en la estratosfera, a pesar de la alta tasa de fotodisociación potencial, porque el oxígeno elemental tiene una alta probabilidad de encontrar una molécula de O2 y recombinarse nuevamente en ozono. [12]

Referencias

  1. ^ ab Bogumil, Constanza (2005). Absorcionesspektroskopie von Ozon und anderen, wichtigen, atmosphärischen Spurengasen mit dem SCIAMACHY-Satellitenspektrometer im ultravioletten bis nahinfraroten Spektralbereich (PDF) (Tesis) (en alemán). Universidad de Bremen . págs. 21-26.
  2. ^ ab Brion, J.; Chakir, A.; Charbonnier, J.; Daumont, D.; Parisse, C.; Malicet, J. (1998). "Medidas de espectros de absorción para la molécula de ozono en la región de 350–830 nm" (PDF) . Journal of Atmospheric Chemistry . 30 (2): 291–99. Bibcode :1998JAtC...30..291B. doi :10.1023/A:1006036924364. S2CID  25037900.
  3. ^ Vázquez, M.; Pallé, E.; Rodríguez, P. Montañés (12 de marzo de 2010). La Tierra como planeta distante: una piedra de Rosetta para la búsqueda de mundos similares a la Tierra. Springer Science & Business Media. pág. 159. ISBN 9781441916846.
  4. ^ Der Brockhaus Wetter und Klima: Phänomene, Vorhersage, Klimawandel (en alemán) (1. Aufl ed.). Leipzig : Brockhaus, F A. 2009. p. 54.ISBN​ 9783765333811.OCLC 316287956  .
  5. ^ abc Hoeppe, Götz (2007). Por qué el cielo es azul: descubriendo el color de la vida. Princeton University Press . pp. 238–53. ISBN 978-0691124537.
  6. ^ Altafila, P.; Chappuis, J. (1880). "Sobre la liquéfacción del ozono y sobre el color del estado gaseoso". Cuentas Rendus de la Academia de Ciencias . 91 : 552–525.
  7. ^ Hulburt, EO (1 de julio de 1938). "El brillo del cielo crepuscular y la densidad y temperatura de la atmósfera". JOSA . 28 (7): 227–236. doi :10.1364/JOSA.28.000227.
  8. ^ Lee, Raymond L.; Meyer, Wolfgang; Hoeppe, Götz (2011). "Ozono atmosférico y colores del cielo crepuscular antártico" (PDF) . Applied Optics . 50 (28): F162–71. Código Bibliográfico :2011ApOpt..50F.162L. doi :10.1364/AO.50.00F162. PMID  22016241. Archivado desde el original (PDF) el 2023-04-01 . Consultado el 2017-09-06 .
  9. ^ Lee, Raymond L. (1 de febrero de 2015). "Medición y modelado del Cinturón de Venus del crepúsculo". Applied Optics . 54 (4): B194–B203. Código Bibliográfico :2015ApOpt..54B.194L. doi :10.1364/AO.54.00B194. ISSN  2155-3165. PMID  25967826.
  10. ^ abc Grebenshchikov, S. Yu.; Qu, Z.-W.; Zhu, H.; Schinke, R. (27 de abril de 2007). "Nuevas investigaciones teóricas de la fotodisociación del ozono en las bandas de Hartley, Huggins, Chappuis y Wulf". Química física Física química . 9 (17): 2044–64. Bibcode :2007PCCP....9.2044G. doi :10.1039/b701020f. ISSN  1463-9084. PMID  17464386.
  11. ^ Fischer, Herbert. "Wechselwirkung zwischen Strahlung und Erdatmosphäre: absorción y emisión" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 23 de septiembre de 2015.
  12. ^ "Erster Zwischenbericht der Enquete-Kommission" Vorsorge zum Schutz der Erdatmosphäre. "" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 4 de marzo de 2016.
  • Götz Hoeppe: Himmelslicht. Spiegelbild des Erdklimas. En: fu-berlin.de.
  • Wetterlexikon: Chappuis-Absorción. En: deutscher-wetterdienst.de.
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