4. Absorptie en verstrooiing

De transmissie

De wet van Lambert wordt in deze vorm toegepast in de natuurkunde en biologie, in milieu- en geowetenschappen:

Chemici herformuleren de wet en leiden daaruit de wet van Lambert-Beer af, waarmee ze de concentratie van absorberende stoffen kunnen meten.

De doorzichtigheid of transmissie T op de weg van 0 naar $x$ wordt gegeven door:

Het heeft waarden van 0 voor ondoorzichtige materialen tot 1 voor volledig transparante materialen, en het kan ook worden aangegeven in %.

De hoogste waarde $T=1$ bestaat praktisch niet. Glazen vensters van een monsterkuvet reflecteren ongeveer 10% van het licht bij verticale inval. De venstertransmissie is dus niet meer dan 90%. Bovendien wordt straling altijd tot op zekere hoogte verstrooid door atomen en moleculen van materie. Het volgende diagram toont de relevantie van verstrooiing en absorptie voor de transmissie van de atmosfeer. Het is het resultaat van een modelberekening waarbij werd aangenomen dat licht de atmosfeer verticaal passeert (wat de kortst mogelijke afstand betekent) op een dag met perfect zicht en typische concentraties broeikasgassen.

Transmissie van de atmosfeer over de golflengten van 200 nm tot 70 μm op een logaritmische schaal. De toenemende afname in transmissie van VIS naar UV wordt veroorzaakt door Rayleigh-verstrooiing van de gasmoleculen en door absorptie door ozon (O₃). De dalingen in het rode bereik en in het IR worden voornamelijk veroorzaakt door absorptie door broeikasgassen en in mindere mate door zuurstof (O₂) en ozon. In een volgende paragraaf gaan we dieper in op de absorptie van gassen in de atmosfeer.
Bron: Wikimedia, gewijzigd.

Het diagram laat zien dat $T=0$ op veel plaatsen in het spectrum voorkomt. Ozon beschermt ons enerzijds tegen gevaarlijke UV en anderzijds zorgen broeikasgassen ervoor dat er geen transmissie is in verschillende absorptiebanden in het IR. In deze spectrale gebieden is de atmosfeer een zwart lichaam. In spectrale gebieden met variabele transmissie is het een gekleurd lichaam. In een van de volgende paragrafen wordt aangetoond welke gassen deze absorptie veroorzaken.

De hoge transmissiewaarden in het zichtbare spectrum maken de atmosfeer transparant voor zonlicht. Dit geldt ook voor de straling met een temperatuur van 10 μm die door het aardoppervlak wordt uitgezonden. Deze spectrale gebieden zijn de atmosferische vensters die van belang zijn voor het stralingsbudget en bijgevolg voor de temperaturen op aarde.

Op de meeste momenten is de transmissie van de atmosfeer veel lager dan in het diagram links. De volgende foto, genomen vanuit de ruimte, laat zien hoe stof, nevel en vooral wolken een helder zicht op het aardoppervlak belemmeren. Ze verminderen niet alleen de transparantie in het zichtbare spectrum, maar sluiten ook het optische venster in het infrarood door de hoge absorptie van water. Naast andere broeikasgassen speelt het water in de atmosfeer dus een belangrijke rol met betrekking tot het weer en het klimaat.

Foto van de Stille Oceaan genomen vanuit het internationale ruimtestation ISS. Verlicht door het tegenlicht van de zon zijn er verschillende wolkenstructuren te zien die het zicht op het aardoppervlak belemmeren. De Stille Oceaan is alleen waarneembaar in het midden van de foto door het zonlicht dat wordt gereflecteerd door het water. De hogere luchtlagen verschijnen als een fijn, blauw gloeiend lint aan de horizon.
Bron: NASA - Johnson Space Center

Op de volgende pagina's zal worden geïllustreerd hoe transmissie­gegevens en absorptiecoëfficiënten experimenteel kunnen worden bepaald. We moeten de atmosfeer beperken en ons alleen bezighouden met vloeibare monsters.