Propiedades ópticas del agua y el hielo.

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El índice de refracción del agua a 20 ° C para la luz visible es 1,33. El índice de refracción del hielo normal es 1,31 (de la Lista de índices de refracción ). En general, un índice de refracción es un número complejo con partes reales e imaginarias, donde esta última indica la fuerza de la pérdida por absorción a una longitud de onda particular. En la parte visible del espectro electromagnético, la parte imaginaria del índice de refracción es muy pequeña. Sin embargo, el agua y el hielo se absorben en el infrarrojo y cierran la ventana atmosférica infrarroja, lo que contribuye al efecto invernadero.

El espectro de absorción del agua pura se utiliza en numerosas aplicaciones, incluida la dispersión de la luz y la absorción por los cristales de hielo y las gotas de agua de las nubes, las teorías del arco iris, la determinación del albedo de dispersión simple, el color del océano y muchas otras.

Contenido

1 Descripción cuantitativa del índice de refracción
2 Masa volumétrica de agua
3 Índice de refracción (partes reales e imaginarias) para agua líquida
4 Ver también
5 notas
6 referencias

Descripción cuantitativa del índice de refracción

Sobre las longitudes de onda de 0,2 μm a 1,2 μm, y sobre temperaturas de -12 ° C a 500 ° C, la parte real del índice de refracción del agua se puede calcular mediante la siguiente expresión empírica:

{\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}

norte 2 - 1 norte 2 + 2(1 / ρ ¯)= a 0+ a 1 ρ ¯+ a 2 T ¯+ a 3 λ ¯ 2 T ¯+ a 4 λ ¯ 2+ a 5 λ ¯ 2 - λ ¯ U V 2+ a 6 λ ¯ 2 - λ ¯ I R 2+ a 7 ρ ¯ 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}}

\ 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}

Dónde:

{\overline {T}}={\frac {T}{T^{\text{*}}}}

T ¯= T T *

{\ Displaystyle {\ overline {T}} = {\ frac {T} {T ^ {\ text {*}}}}}

{\ Displaystyle {\ overline {T}} = {\ frac {T} {T ^ {\ text {*}}}}}

{\overline {\rho }}={\frac {\rho }{\rho ^{\text{*}}}}

ρ ¯= ρ ρ *

{\ Displaystyle {\ overline {\ rho}} = {\ frac {\ rho} {\ rho ^ {\ text {*}}}}}

{\ Displaystyle {\ overline {\ rho}} = {\ frac {\ rho} {\ rho ^ {\ text {*}}}}}

, y

{\overline {\lambda }}={\frac {\lambda }{\lambda ^{\text{*}}}}

λ ¯= λ λ *

{\ Displaystyle {\ overline {\ lambda}} = {\ frac {\ lambda} {\ lambda ^ {\ text {*}}}}}

\ overline \ lambda = \ frac {\ lambda} {\ lambda ^ {\ text {*}}}

y las constantes apropiadas son = 0.244257733, = 0.00974634476, = −0.00373234996, = 0.000268678472, = 0.0015892057, = 0.00245934259, = 0.90070492, = −0.0166626219, = 273.15 K, = 1000 kg / m ³, = 589 nm, y = 5.432937 = 0,229202. $a_{0}$

a 0

{\ Displaystyle a_ {0}}

a_ {0}

a_{1}

a 1

{\ Displaystyle a_ {1}}

a_ {1}

a_{2}

a 2

{\ Displaystyle a_ {2}}

a_ {2}

a_{3}

a 3

{\ Displaystyle a_ {3}}

a_ {3}

a_{4}

a 4

{\ Displaystyle a_ {4}}

a_4

a_{5}

a 5

{\ Displaystyle a_ {5}}

a_ {5}

a_{6}

a 6

{\ Displaystyle a_ {6}}

a_ {6}

a_{7}

a 7

{\ Displaystyle a_ {7}}

a_ {7}

T^{*}

T ∗

{\ Displaystyle T ^ {*}}

T ^ {*}

\rho ^{*}

ρ ∗

{\ Displaystyle \ rho ^ {*}}

\ rho ^ {*}

\lambda ^{*}

λ ∗

{\ Displaystyle \ lambda ^ {*}}

\ lambda ^ {{*}}

{\overline {\lambda }}_{\text{IR}}

λ ¯ IR

{\ Displaystyle {\ overline {\ lambda}} _ {\ text {IR}}}

\ overline \ lambda _ {\ text {IR}}

{\overline {\lambda }}_{\text{UV}}

λ ¯ UV

{\ Displaystyle {\ overline {\ lambda}} _ {\ text {UV}}}

\ overline \ lambda _ {\ text {UV}}

En la expresión anterior, T es la temperatura absoluta del agua (en K), es la longitud de onda de la luz en nm, es la densidad del agua en kg / m ³ y n es la parte real del índice de refracción del agua.. $\lambda$

{\ Displaystyle \ lambda}

\ lambda

\rho

{\ Displaystyle \ rho}

\ rho

Masa volumétrica de agua

En la fórmula anterior, la densidad del agua también varía con la temperatura y se define por:

$\rho (t)=a_{5}\left(1-{\frac {(t+a_{1})^{2}(t+a_{2})}{a_{3}(t+a_{4})}}\right)$

ρ(t)= a 5 ( 1 - ( t + a 1 ) 2 ( t + a 2 ) a 3 ( t + a 4 ) )

{\ Displaystyle \ rho (t) = a_ {5} \ left (1 - {\ frac {(t + a_ {1}) ^ {2} (t + a_ {2})} {a_ {3} (t + a_ {4})}} \ right)}

{\ Displaystyle \ rho (t) = a_ {5} \ left (1 - {\ frac {(t + a_ {1}) ^ {2} (t + a_ {2})} {a_ {3} (t + a_ {4})}} \ right)}

con:

$a_{1}$ a 1

{\ Displaystyle a_ {1}} $a_ {1}$ = −3,983035 ° C
$a_{2}$ a 2

{\ Displaystyle a_ {2}} $a_ {2}$ = 301,797 ° C
$a_{3}$ a 3

{\ Displaystyle a_ {3}} $a_ {3}$ = 522528,9 ° C ²
$a_{4}$ a 4

{\ Displaystyle a_ {4}} $a_4$ = 69,34881 ° C
$a_{5}$ a 5

{\ Displaystyle a_ {5}} $a_ {5}$ = 999,974950 kg / m ³

Índice de refracción (partes reales e imaginarias) para agua líquida

Índice de refracción del agua líquida
Longitud de onda (μm)	Número de onda (cm ⁻¹)	Frecuencia (THz)	norte	k	α '(cm ⁻¹)
0,200	5,00 × 10 ⁴	1,50 × 10 ³	1.396	1,1 × 10 ⁻⁷	0,069
0,225	4,44 × 10 ⁴	1,33 × 10 ³	1.373	4,9 × 10 ⁻⁸	0,027
0,250	4,00 × 10 ⁴	1,20 × 10 ³	1.362	3,35 × 10 ⁻⁸	0.0168
0,275	3,64 × 10 ⁴	1,09 × 10 ³	1.354	2,35 × 10 ⁻⁸	0.0107
0.300	3,33 × 10 ⁴	999	1.349	1,6 × 10 ⁻⁸	6,7 × 10 ⁻³
0.325	3,08 × 10 ⁴	922	1.346	1,08 × 10 ⁻⁸	4,18 × 10 ⁻³
0.350	2,86 × 10 ⁴	857	1.343	6,5 × 10 ⁻⁹	2,3 × 10 ⁻³
0.375	2,67 × 10 ⁴	799	1.341	3,5 × 10 ⁻⁹	1,2 × 10 ⁻³
0.400	2,50 × 10 ⁴	749	1.339	1,86 × 10 ⁻⁹	5,84 × 10 ⁻⁴
0,425	2,35 × 10 ⁴	705	1.338	1,3 × 10 ⁻⁹	3,8 × 10 ⁻⁴
0.450	2,22 × 10 ⁴	666	1.337	1,02 × 10 ⁻⁹	2,85 × 10 ⁻⁴
0.475	2,11 × 10 ⁴	631	1.336	9,35 × 10 ⁻¹⁰	2,47 × 10 ⁻⁴
0.500	2,00 × 10 ⁴	600	1.335	1,00 × 10 ⁻⁹	2,51 × 10 ⁻⁴
0.525	1,90 × 10 ⁴	571	1.334	1,32 × 10 ⁻⁹	3,16 × 10 ⁻⁴
0.550	1,82 × 10 ⁴	545	1.333	1,96 × 10 ⁻⁹	4,48 × 10 ⁻⁴
0.575	1,74 × 10 ⁴	521	1.333	3,60 × 10 ⁻⁹	7,87 × 10 ⁻⁴
0,600	1,67 × 10 ⁴	500	1.332	1,09 × 10 ⁻⁸	2,28 × 10 ⁻³
0,625	1,60 × 10 ⁴	480	1.332	1,39 × 10 ⁻⁸	2,79 × 10 ⁻³
0,650	1,54 × 10 ⁴	461	1.331	1,64 × 10 ⁻⁸	3,17 × 10 ⁻³
0,675	1,48 × 10 ⁴	444	1.331	2,23 × 10 ⁻⁸	4,15 × 10 ⁻³
0,700	1,43 × 10 ⁴	428	1.331	3,35 × 10 ⁻⁸	6,01 × 10 ⁻³
0,725	1,38 × 10 ⁴	414	1.330	9,15 × 10 ⁻⁸	0.0159
0,750	1,33 × 10 ⁴	400	1.330	1,56 × 10 ⁻⁷	0.0261
0,775	1,29 × 10 ⁴	387	1.330	1,48 × 10 ⁻⁷	0.0240
0,800	1,25 × 10 ⁴	375	1.329	1,25 × 10 ⁻⁷	0.0196
0,825	1,21 × 10 ⁴	363	1.329	1,82 × 10 ⁻⁷	0.0282
0,850	1,18 × 10 ⁴	353	1.329	2,93 × 10 ⁻⁷	0.0433
0,875	1,14 × 10 ⁴	343	1.328	3,91 × 10 ⁻⁷	0.0562
0.900	1,11 × 10 ⁴	333	1.328	4,86 × 10 ⁻⁷	0.0679
0,925	1,08 × 10 ⁴	324	1.328	1,06 × 10 ⁻⁶	0,144
0,950	1,05 × 10 ⁴	316	1.327	2,93 × 10 ⁻⁶	0.388
0,975	1.03 × 10 ⁴	307	1.327	3,48 × 10 ⁻⁶	0,449
1.0	1.0 × 10 ⁴	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	sesenta y cinco	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

El índice de refracción total del agua se da como m = n + ik. El coeficiente de absorción α 'se usa en la ley de Beer-Lambert, donde el primo significa la convención base e. Los valores son para agua a 25 ° C y se obtuvieron a través de varias fuentes en la revisión de la literatura citada.

Ver también

Notas

Referencias

RM Pope y ES Fry, espectro de absorción (380-700 nm) de agua pura. II. Integración de medidas de cavidad, Appl. Opt., 36, 8710-8723, 1997.
Mobley, Curtis D., Luz y agua: transferencia radiativa en aguas naturales; basado en parte en colaboraciones con Rudolph W. Preisendorfer, San Diego, Academic Press, 1994, 592 p., ISBN 0-12-502750-8