How big is Довжина інфрачервоної хвилі?

Інфрачервоне світло — це світло з хвилями, надто довгими, щоб їх бачило людське око. Цей сайт показує інфрачервону хвилю завдовжки 15 мікрометрів. Мікрометр — це мільйонна частка метра, або тисячна частка міліметра. Хвилі такої довжини є серед тих, що їх Земля віддає у вигляді тепла.

Довжина хвилі

Світло поширюється як хвиля, а довжина хвилі — це відстань від одного гребеня хвилі до наступного. Інфрачервоні хвилі довші за хвилі видимого світла. Люди не можуть їх бачити, але деякі з них можуть відчувати як тепло.

Міжнародна комісія з освітлення (CIE) визначає інфрачервоний діапазон приблизно від 780 нанометрів до 1 міліметра. Нанометр — це тисячна частка мікрометра. Найдовші інфрачервоні хвилі приблизно в 1 300 разів довші за найкоротші. CIE ділить діапазон на IR-A (780–1 400 нанометрів), IR-B (від 1,4 до 3 мікрометрів) і IR-C (від 3 мікрометрів до 1 міліметра), тож хвиля завдовжки 15 мікрометрів належить до IR-C.

Інші галузі говорять про ближнє, середнє й дальнє інфрачервоне випромінювання, і CIE зазначає, що межі між ними змінюються залежно від застосування. Космічний телескоп НАСА «Джеймс Вебб» відносить 4,9–28,8 мікрометра до середнього інфрачервоного діапазону. Науковці, що вивчають Землю, називають діапазон 8–15 мікрометрів тепловим інфрачервоним, бо ці довжини хвиль найкраще підходять для вивчення тепла, яке віддає Земля. Довжина 15 мікрометрів, яку показує цей сайт, лежить на довгохвильовому краї цього діапазону.

Порівняння розмірів

Приблизно п’ять–сім хвиль завдовжки 15 мікрометрів, викладені в ряд встик, простяглися б на ширину людської волосини, яка завтовшки 80–100 мікрометрів.
Хвиля завдовжки 15 мікрометрів приблизно у 20 разів довша за хвилю червоного світла, найдовшу з тих, що бачать люди, завдовжки близько 700 нанометрів.
Пульт дистанційного керування телевізором використовує інфрачервоне світло завдовжки приблизно 940 нанометрів. Хвиля завдовжки 15 мікрометрів довша у 16 разів.
Довжина однієї хвилі, 15 мікрометрів, у 1,5 раза більша за ширину лейкоцита завширшки 10 мікрометрів, розташованого поруч із нею на цьому сайті, і приблизно вдвічі більша за ширину еритроцита, який має 7–8 мікрометрів у поперечнику.

Інфрачервоне світло і тепло

Вільям Гершель відкрив інфрачервоне світло 1800 року. Він розмістив термометри в кожному кольорі сонячного світла й виявив, що температура зростає від синього до червоного. За червоним краєм, де він не бачив жодного світла, було ще тепліше.

Дуже гарячі об’єкти, як-от вогонь, випромінюють і видиме, і інфрачервоне світло. Менш нагріті об’єкти, як-от люди й тварини, випромінюють лише інфрачервоне. Інфрачервоні камери та окуляри нічного бачення вловлюють це світло, тому можуть показувати теплі тіла, яких очі не бачать.

Тепло Землі та вуглекислий газ

Земля втрачає тепло в космос у вигляді інфрачервоного світла. Європейське космічне агентство повідомляє, що понад 97 відсотків енергії, яку віддає Земля, мають довжину хвилі від 4 до 100 мікрометрів. Гази в повітрі поглинають частину цієї енергії й нагрівають поверхню, і це називають парниковим ефектом. Завдяки йому середня температура поверхні Землі становить приблизно 15 градусів Цельсія, що більш ніж на 30 градусів вище, ніж було б без атмосфери.

Вуглекислий газ сильно поглинає інфрачервоне світло з хвилями довшими за приблизно 12–13 мікрометрів, зокрема й 15 мікрометрів. Це недалеко від довжини хвилі, на якій поверхня Землі віддає найбільше енергії, — близько 12,5 мікрометра. Водяна пара поглинає мало світла з довжиною хвилі приблизно від 8 до 14 мікрометрів. Це атмосферне вікно, крізь яке в космос виходить значна частина цього світла, а більша кількість вуглекислого газу частково закриває це вікно.

Космос на довжині хвилі 15 мікрометрів

Прилад телескопа «Вебб» для середнього інфрачервоного діапазону (Mid-Infrared Instrument), який називають MIRI, може робити знімки на довжині хвилі 15 мікрометрів. Його детектори треба тримати за температури нижче 7 кельвінів, тобто 7 градусів вище від абсолютного нуля, найнижчої можливої температури. Телескоп має для них одних окремий холодильник, який називають кріокулером.

2023 року астрономи за допомогою MIRI виміряли температуру TRAPPIST-1 b, кам’янистої планети, віддаленої від Землі приблизно на 40 світлових років. Світловий рік — це відстань, яку світло проходить за один рік. Денна сторона планети світилася на довжині хвилі 15 мікрометрів так яскраво, як поверхня з температурою приблизно 500 кельвінів (близько 230 градусів Цельсія).

Це відповідає голій скелі, на якій немає атмосфери, що розносила б тепло. Атмосфера з великим умістом вуглекислого газу випромінювала б менше світла з довжиною хвилі 15 мікрометрів, через що планета здавалася б холоднішою.