ما حجم الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء؟

الأشعة تحت الحمراء ضوء موجاته أطول من أن تراها العين البشرية. يعرض المستكشف موجة تحت حمراء طولها 15 ميكرومترًا. الميكرومتر جزء من مليون من المتر، أو جزء من ألف من المليمتر. والموجات بهذا الطول من الموجات التي تبعثها الأرض على هيئة حرارة.

الطول الموجي

ينتقل الضوء على هيئة موجة، وطوله الموجي هو المسافة من قمة موجة إلى القمة التي تليها. الموجات تحت الحمراء أطول من موجات الضوء المرئي. لا يستطيع الناس رؤيتها، لكنهم يشعرون ببعضها على هيئة حرارة.

تحدد اللجنة الدولية للإضاءة (CIE) نطاق الأشعة تحت الحمراء بنحو 780 نانومترًا إلى 1 مليمتر. النانومتر جزء من ألف من الميكرومتر. ويبلغ طول أطول الموجات تحت الحمراء نحو 1,300 مرة طول أقصرها. وتقسّم CIE هذا النطاق إلى IR-A (780–1,400 نانومتر) وIR-B (1.4–3 ميكرومتر) وIR-C (من 3 ميكرومترات إلى 1 مليمتر)، ولذلك فالموجة التي طولها 15 ميكرومترًا من النوع IR-C.

وتتحدث مجالات أخرى عن الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة والبعيدة، وتشير CIE إلى أن الحدود بينها تختلف بحسب التطبيق. ويعدّ تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا المدى من 4.9 إلى 28.8 ميكرومتر أشعة تحت حمراء متوسطة. ويسمّي علماء علوم الأرض المدى من 8 إلى 15 ميكرومترًا الأشعة تحت الحمراء الحرارية، لأن هذه الأطوال الموجية أنسب لدراسة الحرارة التي تبعثها الأرض. والطول الذي يعرضه المستكشف، 15 ميكرومترًا، يقع عند الحافة الطويلة لهذا النطاق.

مقارنات الحجم

لو وُضعت نحو خمس إلى سبع موجات، طول كل منها 15 ميكرومترًا، واحدةً تلو الأخرى لامتدّت على عرض شعرة الإنسان التي يبلغ عرضها 80–100 ميكرومتر.
يبلغ طول موجة طولها 15 ميكرومترًا نحو 20 مرة طول موجة الضوء الأحمر. والضوء الأحمر هو أطول ضوء موجةً يستطيع الناس رؤيته، وطول موجته نحو 700 نانومتر.
يستخدم جهاز التحكم عن بُعد للتلفاز ضوءًا تحت أحمر يبلغ طول موجته نحو 940 نانومترًا. ويبلغ طول موجة طولها 15 ميكرومترًا 16 مرة طول موجة هذا الضوء.
يبلغ طول موجة واحدة طولها 15 ميكرومترًا مرة ونصف عرض خلية دم بيضاء. وهذه الخلية التي قطرها 10 ميكرومترات تجاور هذه الموجة في المستكشف. ويبلغ طول الموجة أيضًا نحو ضعف عرض خلية دم حمراء قطرها 7–8 ميكرومترات.

الضوء تحت الأحمر والحرارة

اكتشف ويليام هيرشل الأشعة تحت الحمراء عام 1800. فقد وضع مقاييس حرارة في كل لون من ألوان ضوء الشمس، ووجد أن درجة الحرارة ترتفع من الأزرق إلى الأحمر. وبعد الطرف الأحمر، حيث لم يكن يرى أي ضوء، كانت الحرارة أعلى من ذلك أيضًا.

الأجسام الشديدة السخونة، مثل النار، تبعث ضوءًا مرئيًا إلى جانب الأشعة تحت الحمراء. أما الأجسام الأبرد، مثل البشر والحيوانات، فلا تبعث إلا الأشعة تحت الحمراء. وتلتقط كاميرات الأشعة تحت الحمراء ونظارات الرؤية الليلية هذا الضوء، ولذلك تُظهر أجسامًا دافئة لا تستطيع العين رؤيتها.

حرارة الأرض وثاني أكسيد الكربون

تفقد الأرض حرارتها إلى الفضاء على هيئة أشعة تحت حمراء. وتفيد وكالة الفضاء الأوروبية بأن أكثر من 97% من الطاقة التي تبعثها الأرض تتراوح أطوالها الموجية بين 4 و100 ميكرومتر. وتمتص غازات في الهواء جزءًا من هذه الطاقة فتدفّئ السطح، وهذا ما يسمى تأثير الدفيئة. ويُبقي هذا التأثير متوسط درجة حرارة سطح الأرض عند نحو 15 درجة مئوية، أي أعلى بأكثر من 30 درجة مما كان سيكون عليه لو لم يكن للأرض غلاف جوي.

يمتص ثاني أكسيد الكربون بقوة الأشعة تحت الحمراء التي يزيد طولها الموجي على نحو 12–13 ميكرومترًا، ومنها الطول 15 ميكرومترًا. وهذا قريب من الطول الموجي الذي يبعث عنده سطح الأرض أكبر قدر من الطاقة، وهو نحو 12.5 ميكرومتر. ولا يمتص بخار الماء إلا قدرًا قليلًا من الضوء بين نحو 8 و14 ميكرومترًا. وهذا النطاق نافذة جوية يهرب عبرها جزء كبير من هذا الضوء إلى الفضاء، ويؤدي ازدياد ثاني أكسيد الكربون إلى إغلاق هذه النافذة جزئيًا.

رصد الفضاء عند 15 ميكرومترًا

يستطيع جهاز الأشعة تحت الحمراء المتوسطة في تلسكوب ويب، ويسمى MIRI، التقاط صور عند 15 ميكرومترًا. ويجب إبقاء كواشفه عند أقل من 7 كلفن، أي 7 درجات فوق الصفر المطلق، وهو أبرد درجة حرارة ممكنة. ويحمل التلسكوب ثلاجة تسمى المبرِّد فائق البرودة، مخصصة لهذه الكواشف وحدها.

في عام 2023 استخدم علماء الفلك MIRI لقياس درجة حرارة TRAPPIST-1 b، وهو كوكب صخري يبعد عن الأرض نحو 40 سنة ضوئية. والسنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الضوء في سنة واحدة. وتوهّج الجانب النهاري من الكوكب عند 15 ميكرومترًا بسطوع سطح تبلغ حرارته نحو 500 كلفن (نحو 230 درجة مئوية).

وهذا يتفق مع صخر عارٍ لا يحيط به غلاف جوي ينشر الحرارة. ولو وُجد غلاف جوي يحوي كثيرًا من ثاني أكسيد الكربون لبعث ضوءًا أقل عند 15 ميكرومترًا، ولجعل الكوكب يبدو أبرد.