How big is Długość fali podczerwieni?

Światło podczerwone to światło o falach zbyt długich, by ludzkie oczy mogły je zobaczyć. Eksplorator pokazuje falę podczerwoną o długości 15 mikrometrów. Mikrometr to milionowa część metra, czyli tysięczna część milimetra. Fale o takiej długości należą do tych, które Ziemia oddaje w postaci ciepła.

Długość fali

Światło rozchodzi się jako fala, a odległość od jednego grzbietu fali do następnego to jej długość. Fale podczerwone są dłuższe niż fale światła widzialnego. Ludzie ich nie widzą, ale niektóre z nich mogą odczuwać jako ciepło.

Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa (CIE) przyjmuje, że podczerwień obejmuje zakres od około 780 nanometrów do 1 milimetra. Nanometr to tysięczna część mikrometra. Najdłuższe fale podczerwone są około 1300 razy dłuższe od najkrótszych. CIE dzieli ten zakres na IR-A (780–1400 nanometrów), IR-B (od 1,4 do 3 mikrometrów) i IR-C (od 3 mikrometrów do 1 milimetra), więc fala o długości 15 mikrometrów należy do IR-C.

W innych dziedzinach mówi się o bliskiej, średniej i dalekiej podczerwieni, a CIE zaznacza, że granice między nimi zależą od zastosowania. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, należący do NASA, uznaje za średnią podczerwień zakres od 4,9 do 28,8 mikrometra. Badacze Ziemi nazywają podczerwienią termalną zakres 8–15 mikrometrów, ponieważ fale o tych długościach najlepiej nadają się do badania ciepła, które oddaje Ziemia. Pokazane w eksploratorze 15 mikrometrów leży na krańcu tego pasma, gdzie fale są najdłuższe.

Porównania rozmiarów

Około pięciu do siedmiu fal o długości 15 mikrometrów, ułożonych jedna za drugą, miałoby długość równą szerokości ludzkiego włosa, który ma 80–100 mikrometrów szerokości.
Fala o długości 15 mikrometrów jest około 20 razy dłuższa od fali światła czerwonego o długości około 700 nanometrów, najdłuższej, jaką ludzie mogą zobaczyć.
Pilot do telewizora wykorzystuje światło podczerwone o długości fali około 940 nanometrów. Fala o długości 15 mikrometrów jest od niej 16 razy dłuższa.
Jedna fala o długości 15 mikrometrów jest 1,5 raza dłuższa niż szerokość krwinki białej, która ma 10 mikrometrów i w eksploratorze sąsiaduje z tą falą, oraz około dwa razy dłuższa niż szerokość krwinki czerwonej, która ma 7–8 mikrometrów średnicy.

Światło podczerwone i ciepło

Światło podczerwone odkrył w 1800 roku William Herschel. Umieścił termometry w każdym kolorze światła słonecznego i stwierdził, że temperatura rosła od koloru niebieskiego do czerwonego. Za czerwonym końcem, gdzie nie widział już żadnego światła, było jeszcze cieplej.

Bardzo gorące obiekty, takie jak ogień, emitują zarówno światło widzialne, jak i podczerwone. Chłodniejsze obiekty, takie jak ludzie i zwierzęta, emitują tylko światło podczerwone. Kamery na podczerwień i noktowizory wykrywają to światło, więc mogą pokazać ciepłe ciała, których oczy nie widzą.

Ciepło Ziemi i dwutlenek węgla

Ziemia traci ciepło w przestrzeń kosmiczną w postaci światła podczerwonego. Europejska Agencja Kosmiczna podaje, że ponad 97% energii, którą oddaje Ziemia, ma fale o długości od 4 do 100 mikrometrów. Gazy w powietrzu pochłaniają część tej energii i ogrzewają powierzchnię Ziemi. Zjawisko to nazywa się efektem cieplarnianym. Dzięki niemu średnia temperatura powierzchni Ziemi wynosi około 15 stopni Celsjusza, czyli o ponad 30 stopni więcej, niż wynosiłaby bez atmosfery.

Dwutlenek węgla silnie pochłania światło podczerwone o fali dłuższej niż około 12–13 mikrometrów, a więc także o długości 15 mikrometrów. To niedaleko długości fali, przy której powierzchnia Ziemi oddaje najwięcej energii: około 12,5 mikrometra. Para wodna pochłania niewiele światła o długości fali od około 8 do 14 mikrometrów. To okno atmosferyczne, przez które duża część tego światła ucieka w przestrzeń kosmiczną, a większa ilość dwutlenku węgla częściowo to okno zamyka.

Kosmos w świetle o długości fali 15 mikrometrów

Instrument średniej podczerwieni teleskopu Webba, zwany MIRI, może wykonywać zdjęcia w świetle o długości fali 15 mikrometrów. Jego detektory muszą być utrzymywane w temperaturze poniżej 7 kelwinów, czyli 7 stopni powyżej zera bezwzględnego, najniższej możliwej temperatury. Na pokładzie teleskopu jest chłodziarka zwana kriochłodziarką, przeznaczona tylko dla nich.

W 2023 roku astronomowie za pomocą MIRI zmierzyli temperaturę planety TRAPPIST-1 b, skalistej planety oddalonej o około 40 lat świetlnych od Ziemi (rok świetlny, czyli odległość, jaką światło pokonuje w ciągu roku). Strona dzienna planety świeciła w świetle o długości fali 15 mikrometrów tak jasno jak powierzchnia o temperaturze około 500 kelwinów (około 230 stopni Celsjusza).

Taki wynik pasuje do nagiej skały bez atmosfery, która rozprowadzałaby ciepło po planecie. Atmosfera z dużą ilością dwutlenku węgla wysyłałaby mniej światła o długości fali 15 mikrometrów i sprawiałaby, że planeta wyglądałaby na chłodniejszą.