Optische Eigenschaften von Wasser und Eis

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Der Brechungsindex von Wasser bei 20 ° C für sichtbares Licht beträgt 1,33.[1] Der Brechungsindex von normalem Eis beträgt 1,31 (aus der Liste der Brechungsindizes). Im Allgemeinen ist ein Brechungsindex eine komplexe Zahl mit Real- und Imaginärteilen, wobei letzterer die Stärke des Absorptionsverlusts bei einer bestimmten Wellenlänge angibt. Im sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums ist der Imaginärteil des Brechungsindex sehr klein. Wasser und Eis absorbieren jedoch im Infrarot und schließen das atmosphärische Infrarotfenster, wodurch zum Treibhauseffekt beigetragen wird

Das Absorptionsspektrum von reinem Wasser wird in zahlreichen Anwendungen verwendet, einschließlich Lichtstreuung und Absorption durch Eiskristalle und Wolkenwassertröpfchen, Theorien des Regenbogens, Bestimmung der einfach streuenden Albedo, Ozeanfarbe und vielen anderen.

Quantitative Beschreibung des Brechungsindex[edit]

Über die Wellenlängen von 0,2 μm bis 1,2 μm und über Temperaturen von –12 ° C bis 500 ° C kann der Realteil des Brechungsindex von Wasser durch den folgenden empirischen Ausdruck berechnet werden:
[2]

Wo:

und die entsprechenden Konstanten sind

ein0{ displaystyle a_ {0}}

= 0,244257733,

ein1{ displaystyle a_ {1}}

= 0,00974634476,

ein2{ displaystyle a_ {2}}

= –0,00373234996,

ein3{ displaystyle a_ {3}}

= 0,000268678472,

ein4{ displaystyle a_ {4}}

= 0,0015892057,

ein5{ displaystyle a_ {5}}

= 0,00245934259,

ein6{ displaystyle a_ {6}}

= 0,90070492,

ein7{ displaystyle a_ {7}}

= –0,0166626219,

T.{ displaystyle T ^ {*}}

= 273,15 K,

ρ{ displaystyle rho ^ {*}}

= 1000 kg / m3,

λ{ displaystyle lambda ^ {*}}

= 589 nm,

λ¯IR{ displaystyle { overline { lambda}} _ { text {IR}}}

= 5,432937 und

λ¯UV{ displaystyle { overline { lambda}} _ { text {UV}}}

= 0,229202.

In dem obigen Ausdruck ist T die absolute Temperatur von Wasser (in K),

λ{ displaystyle lambda}

ist die Wellenlänge des Lichts in nm,

ρ{ displaystyle rho}

ist die Dichte des Wassers in kg / m3und n ist der Realteil des Brechungsindex von Wasser.

Volumenmasse von Wasser[edit]

In der obigen Formel variiert die Dichte von Wasser auch mit der Temperatur und wird definiert durch:[3][4]

Brechungsindex (Real- und Imaginärteile) für flüssiges Wasser[edit]
Brechungsindex von flüssigem Wasser
Wellenlänge (μm) Wellenzahl (cm−1) Frequenz (THz) n k α ‘(cm−1)
0,200 5.00×104 1,50×103 1,396 1.1×10−7 0,069
0,225 4.44×104 1.33×103 1,373 4.9×10−8 0,027
0,250 4.00×104 1,20×103 1,362 3.35×10−8 0,0168
0,275 3.64×104 1,09×103 1,354 2.35×10−8 0,0107
0,300 3.33×104 999 1,349 1.6×10−8 6.7×10−3
0,325 3,08×104 922 1,346 1,08×10−8 4.18×10−3
0,350 2.86×104 857 1,343 6.5×10−9 2.3×10−3
0,375 2.67×104 799 1,341 3.5×10−9 1.2×10−3
0,400 2,50×104 749 1,339 1,86×10−9 5.84×10−4
0,425 2.35×104 705 1,338 1.3×10−9 3.8×10−4
0,450 2.22×104 666 1,337 1,02×10−9 2,85×10−4
0,475 2.11×104 631 1,336 9.35×10−10 2.47×10−4
0,500 2.00×104 600 1,335 1,00×10−9 2.51×10−4
0,525 1,90×104 571 1,334 1.32×10−9 3.16×10−4
0,550 1,82×104 545 1,333 1,96×10−9 4.48×10−4
0,575 1,74×104 521 1,333 3,60×10−9 7.87×10−4
0,600 1,67×104 500 1.332 1,09×10−8 2.28×10−3
0,625 1,60×104 480 1.332 1.39×10−8 2.79×10−3
0,650 1,54×104 461 1,331 1,64×10−8 3.17×10−3
0,675 1.48×104 444 1,331 2.23×10−8 4.15×10−3
0,700 1.43×104 428 1,331 3.35×10−8 6.01×10−3
0,725 1,38×104 414 1.330 9.15×10−8 0,0159
0,750 1.33×104 400 1.330 1,56×10−7 0,0261
0,775 1.29×104 387 1.330 1.48×10−7 0,0240
0,800 1,25×104 375 1.329 1,25×10−7 0,0196
0,825 1.21×104 363 1.329 1,82×10−7 0,0282
0,850 1.18×104 353 1.329 2.93×10−7 0,0433
0,875 1.14×104 343 1.328 3.91×10−7 0,0562
0,900 1.11×104 333 1.328 4.86×10−7 0,0679
0,925 1,08×104 324 1.328 1,06×10−6 0,144
0,950 1.05×104 316 1.327 2.93×10−6 0,388
0,975 1,03×104 307 1.327 3.48×10−6 0,449
1.0 1.0×104 300 1.327 2.89×10−6 0,36
1.2 8300 250 1.324 9,89×10−6 1.0
1.4 7100 210 1.321 1,38×10−4 12
1.6 6200 190 1.317 8.55×10−5 6.7
1.8 5600 170 1.312 1.15×10−4 8.0
2.0 5000 150 1,306 1.1×10−3 69
2.2 4500 136 1,296 2.89×10−4 17
2.4 4200 125 1,279 9.56×10−4 50.
2.6 3800 115 1,242 3.17×10−3 150
2,65 3770 113 1.219 6.7×10−5 318
2,70 3700 111 1.188 0,019 880
2,75 3640 109 1.157 0,059 2700
2,80 3570 107 1.142 0,115 5160
2,85 3510 105 1.149 0,185 8160
2,90 3450 103 1.201 0,268 11600
2,95 3390 102 1,292 0,298 12700
3.00 3330 100. 1,371 0,272 11400
3.05 3280 98.3 1.426 0,240 9990
3.10 3230 96.7 1,467 0,192 7780
3.15 3170 95.2 1,483 0,135 5390
3.20 3120 93.7 1,478 0,0924 3630
3.25 3080 92.2 1,467 0,0610 2360
3.30 3030 90,8 1.450 0,0368 1400
3.35 2990 89,5 1.432 0,0261 979
3.40 2940 88,2 1.420 0,0195 721
3.45 2900 86.9 1.410 0,0132 481
3,50 2860 85.7 1.400 0,0094 340
3.6 2780 83 1,385 0,00515 180
3.7 2700 81 1,374 0,00360 120
3.8 2630 79 1,364 0,00340 110
3.9 2560 77 1,357 0,00380 120
4.0 2500 75 1,351 0,00460 140
4.1 2440 73 1,346 0,00562 170
4.2 2380 71 1,342 0,00688 210
4.3 2330 70. 1,338 0,00845 250
4.4 2270 69 1,334 0,0103 290
4.5 2220 67 1.332 0,0134 370
4.6 2170 65 1.330 0,0147 400
4.7 2130 64 1.330 0,0157 420
4.8 2080 62 1.330 0,0150 390
4.9 2040 61 1.328 0,0137 350
5.0 2000 60. 1.325 0,0124 310
5.1 1960 59 1.322 0,0111 270
5.2 1920 58 1.317 0,0101 240
5.3 1890 57 1.312 0,0098 230
5.4 1850 56 1,305 0,0103 240
5.5 1820 55 1,298 0,0116 380
5.6 1790 54 1,289 0,0142 320
5.7 1750 53 1,277 0,0203 450
5.8 1720 52 1,262 0,0330 710
5.9 1690 51 1,248 0,0622 1300
6.0 1670 50. 1,265 0,107 2200
6.1 1640 49 1.319 0,131 2700
6.2 1610 48.4 1,363 0,0880 1800
6.3 1590 47.6 1,357 0,0570 1100
6.4 1560 46.8 1,347 0,0449 880
6.5 1540 46.1 1,339 0,0392 760
6.6 1520 45.4 1,334 0,0356 680
6.7 1490 44.7 1.329 0,0337 630
6.8 1470 44.1 1.324 0,0327 600
6.9 1450 43.4 1.321 0,0322 590
7.0 1430 42.8 1.317 0,0320 570

Der Gesamtbrechungsindex von Wasser ist gegeben als m = n + ik. Der Absorptionskoeffizient α ‘wird im Beer-Lambert-Gesetz verwendet, wobei die Primzahl hier die Basis-e-Konvention bezeichnet. Die Werte beziehen sich auf Wasser bei 25 ° C und wurden aus verschiedenen Quellen in der zitierten Literaturübersicht erhalten.[5]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  • RM Pope und ES Fry, Absorptionsspektrum (380-700 nm) von reinem Wasser. II. Hohlraummessungen integrieren, Appl. Opt., 36, 8710 & ndash; 8723, 1997.
  • Mobley, Curtis D., Licht und Wasser: Strahlungsübertragung in natürlichen Gewässern; teilweise basierend auf Kooperationen mit Rudolph W. Preisendorfer, San Diego, Academic Press, 1994, 592 S., ISBN 0-12-502750-8


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