الخواص البصرية للماء والجليد

شرح الاستاذ ماجد الخطيب

معامل انكسار الماء عند 20 درجة مئوية للضوء المرئي هو 1.33. معامل الانكسار للجليد العادي هو 1.31 (من قائمة معاملات الانكسار). بشكل عام، مؤشر الانكسار هو رقم مركب به أجزاء حقيقية وخيالية، حيث يشير الأخير إلى قوة فقد الامتصاص عند طول موجي معين. في الجزء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي، يكون الجزء التخيلي من معامل الانكسار صغيرًا جدًا. ومع ذلك، يمتص الماء والجليد الأشعة تحت الحمراء ويغلقان نافذة الغلاف الجوي للأشعة تحت الحمراء مما يساهم في تأثير الاحتباس الحراري

يتم استخدام طيف امتصاص الماء النقي في العديد من التطبيقات، بما في ذلك تشتت الضوء وامتصاصه بواسطة بلورات الجليد وقطرات الماء السحابية، ونظريات قوس قزح، وتحديد البياض المفرد، ولون المحيط، وغيرها الكثير.

الوصف الكمي لمؤشر الانكسار

على مدى الأطوال الموجية من 0.2 ميكرومتر إلى 1.2 ميكرومتر، وفوق درجات الحرارة من -12 درجة مئوية إلى 500 درجة مئوية، يمكن حساب الجزء الحقيقي من مؤشر انكسار الماء بالتعبير التجريبي التالي: $\frac{n^2-1}{n^2+2}(1/\overline{\rho })=a_0+a_1\overline{\rho }+a_2\overline{T}+a_3{\overline{\lambda }}^2\overline{T}+\frac{a_4}{{\overline{\lambda }}^2}+\frac{a_5}{{\overline{\lambda }}^2-{\overline{\lambda }}_{\mathit{U}\mathit{V}}^2}+\frac{a_6}{{\overline{\lambda }}^2-{\overline{\lambda }}_{\mathit{I}\mathit{R}}^2}+a_7{\overline{\rho }}^2$

أين:

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

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

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

والثوابت المناسبة $a_0$ = 0.244257733، $a_1$ = 0.00974634476، $a_2$ = −0.00373234996، $a_3$ = 0.000268678472، $a_4$ = 0.0015892057، $a_5$ = 0.00245934259، $a_6$ = 0.90070492، $a_7$ = −0.0166626219، $T^{*}$ = 273.15،${\rho }^{*}$ = 1000 كجم/ م ³، ${\lambda }^{*}$ = 589 نانومتر، ${\overline{\lambda }}_{\text{IR}}$ = 5.432937، و${\overline{\lambda }}_{\text{UV}}$ = 0.229202.

الكتلة الحجمية للماء

في الصيغة أعلاه، تختلف كثافة الماء أيضًا باختلاف درجة الحرارة ويتم تحديدها بواسطة:

$\rho (t)=a_5(1-\frac{(t+a_1{)}^2(t+a_2)}{a_3(t+a_4)})$

مع

• $a_1$ = −3.983035 °C
• $a_2$ = 301.797 °C
• $a_3$ = 522528.9 °C²
• $a_4$ = 69.34881 °C
• $a_5$ = 999.974950 kg / m³

معامل الانكسار (الأجزاء الحقيقية والخيالية) للمياه السائلة

جدول يحتوي على بعض معاملات إنكسار الماء

نص التعليق

الطول الموجي	الرقم الموجي	التكرار	أن	كيه	آيه'(سم^-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

يُعطى معامل الانكسار الكلي للماء بالصيغة m = n + ik. يتم استخدام معامل الامتصاص α 'في قانون بير-لامبرت مع الإشارة الرئيسية هنا إلى قاعدة القاعدة e. القيم للمياه عند 25 درجة مئوية، وتم الحصول عليها من خلال مصادر مختلفة في مراجعة الأدبيات المذكورة.

المصادر

• R. M. Pope and E. S. Fry, Absorption spectrum (380-700 nm) of pure water. II. Integrating cavity measurements, Appl. Opt., 36, 8710-8723, 1997.
• Mobley, Curtis D., Light and water: radiative transfer in natural waters; based in part on collaborations with Rudolph W. Preisendorfer, San Diego, Academic Press, 1994, 592 p., ISBN 0-12-502750-8