Optische Eigenschaften von Wasser und Eis
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]
- n2– –1n2+2((1/.ρ¯)=ein0+ein1ρ¯+ein2T.¯+ein3λ¯2T.¯+ein4λ¯2+ein5λ¯2– –λ¯U.V.2+ein6λ¯2– –λ¯ichR.2+ein7ρ¯2{ displaystyle { frac {n ^ {2} -1} {n ^ {2} +2}} (1 / { overline { rho}}) = a_ {0} + a_ {1} { overline { rho}} + a_ {2} { overline {T}} + a_ {3} { overline { lambda}} ^ {2} { overline {T}} + { frac {a_ {4} } {{ overline { lambda}} ^ {2}}} + { frac {a_ {5}} {{ overline { lambda}} ^ {2} – { overline { lambda}} _ { mathit {UV}} ^ {2}}} + { frac {a_ {6}} {{ overline { lambda}} ^ {2} – { overline { lambda}} _ { mathit {IR }} ^ {2}}} + a_ {7} { overline { rho}} ^ {2}}
Wo:
- T.¯=T.T.* *{ displaystyle { overline {T}} = { frac {T} {T ^ { text {*}}}} ,
- λ¯=λλ* *{ displaystyle { overline { lambda}} = { frac { lambda} { lambda ^ { text {*}}}}
und die entsprechenden Konstanten sind
ein1{ displaystyle a_ {1}} = 0,244257733,
ein2{ displaystyle a_ {2}} = 0,00974634476,
ein3{ displaystyle a_ {3}} = –0,00373234996,
ein4{ displaystyle a_ {4}} = 0,000268678472,
ein5{ displaystyle a_ {5}} = 0,0015892057,
ein6{ displaystyle a_ {6}} = 0,00245934259,
ein7{ displaystyle a_ {7}} = 0,90070492,
T.∗{ displaystyle T ^ {*}} = –0,0166626219,
ρ∗{ displaystyle rho ^ {*}} = 273,15 K,
λ∗{ displaystyle lambda ^ {*}} = 1000 kg / m3,
λ¯IR{ displaystyle { overline { lambda}} _ { text {IR}}} = 589 nm,
λ¯UV{ displaystyle { overline { lambda}} _ { text {UV}}} = 5,432937 und
= 0,229202.
In dem obigen Ausdruck ist T die absolute Temperatur von Wasser (in K),
λ{ displaystyle lambda}ρ{ displaystyle rho} ist die Wellenlänge des Lichts in nm,
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]
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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