Absorción de Chappuis

La absorción de Chappuis ( en francés: [ ʃapɥi ] ) se refiere a la absorción de radiación electromagnética por el ozono , especialmente notable en la capa de ozono , que absorbe una pequeña parte de la luz solar en la porción visible del espectro electromagnético . Las bandas de absorción de Chappuis se presentan en longitudes de onda entre 400 y 650 nm . Dentro de este rango, existen dos máximos de absorción de altura similar a 575 y 603 nm. ^{[ 1 ] [ 2 ]}  

En comparación con la absorción de luz ultravioleta por la capa de ozono, conocida como absorción de Hartley y Huggins, la absorción de Chappuis es notablemente más débil. ^{[ 3 ]} Junto con la dispersión de Rayleigh , contribuye al color azul del cielo y se hace perceptible cuando la luz tiene que recorrer una larga distancia a través de la atmósfera terrestre . Por esta razón, la absorción de Chappuis solo tiene un efecto significativo en el color del cielo al amanecer y al atardecer , durante la llamada hora azul . ^{[ 4 ]} Recibe su nombre del químico francés James Chappuis (1854-1934), quien descubrió este efecto. ^{[ 5 ]}

James Chappuis fue el primer investigador (en 1880) en notar que la luz que atraviesa el gas ozono tiene un tinte azulado. Atribuyó este efecto a la absorción en las partes amarilla, naranja y roja del espectro de luz. ^{[ 6 ]} El químico francés Auguste Houzeau ya había demostrado en 1858 que la atmósfera contiene trazas de ozono, por lo que Chappuis supuso que el ozono podría explicar el color azul del cielo. Sin duda, era consciente de que esta no era la única explicación posible, ya que la luz azul que se puede ver desde la superficie terrestre está polarizada. La polarización no puede explicarse por la absorción de luz por el ozono, pero sí por la dispersión de Rayleigh , que ya se conocía en la época de Chappuis. Los científicos contemporáneos pensaron que la dispersión de Rayleigh era suficiente para explicar el cielo azul, por lo que la idea de que el ozono pudiera desempeñar un papel acabó por olvidarse. ^{[ 5 ]}

A principios de la década de 1950, Edward Hulburt realizaba investigaciones sobre el cielo al atardecer para verificar las predicciones teóricas sobre la temperatura y la densidad de la atmósfera superior a partir de la luz dispersa medida en la superficie terrestre. ^{[ 7 ]} La idea básica era que, después de que el Sol se oculta tras el horizonte, continúa iluminando las capas superiores de la atmósfera. Hulburt deseaba relacionar la intensidad de la luz que llega a la superficie terrestre mediante la dispersión de Rayleigh con la abundancia de partículas a cada altitud, a medida que la luz solar atraviesa la atmósfera a diferentes alturas durante la puesta de sol. En sus mediciones, realizadas en 1952 en Sacramento Peak, Nuevo México , descubrió que la intensidad de la luz medida era entre dos y cuatro veces menor que el valor predicho. Sus predicciones se basaban en su teoría y en mediciones realizadas en la atmósfera superior pocos años antes mediante vuelos de cohetes lanzados cerca de Sacramento Peak. La magnitud de la desviación entre la predicción y las mediciones fotométricas realizadas en Sacramento Peak descartaba un simple error de medición . Hasta entonces, la teoría predecía que el cielo en el cenit durante la puesta del sol debería aparecer de color azul verdoso a gris, y que el color debería cambiar a amarillo durante el crepúsculo. Esto obviamente contradecía la observación diaria de que el color azul del cielo en el cenit al anochecer cambia solo imperceptiblemente. Como Hulburt conocía la absorción por ozono, y dado que el rango espectral de la absorción de Chappuis había sido medido con mayor precisión solo unos años antes por la pareja francesa Arlette y Étienne Vassy, ​​intentó tener en cuenta este efecto en sus cálculos. Esto hizo que las mediciones coincidieran completamente con las predicciones teóricas. Los resultados de Hulburt se confirmaron repetidamente en los años siguientes. De hecho, no todos los efectos de color al anochecer en un cielo despejado pueden explicarse por las capas más profundas. Para ello, probablemente sea necesario tener en cuenta la extinción espectral por aerosoles en las simulaciones teóricas. ^{[ 8 ]}

Independientemente de Hulburt, el meteorólogo francés Jean Dubois había propuesto unos años antes que la absorción de Chappuis influía en otro fenómeno cromático del cielo al anochecer. Dubois trabajó en la llamada " sombra terrestre " en su tesis doctoral en la década de 1940, e hipotetizó que este efecto también podría atribuirse a la absorción de Chappuis. ^{[ 5 ]} Sin embargo, esta conjetura no está respaldada por mediciones más recientes. ^{[ 9 ]}

La absorción de Chappuis es una absorción continua en el rango de longitud de onda entre 400 y 650  nm. Es causada por la fotodisociación (ruptura) de la molécula de ozono. El máximo de absorción se encuentra alrededor de 603  nm, con una sección transversal de 5,23  × ^10⁻²¹  cm² . Un segundo máximo, algo menor, a aproximadamente 575 ^nm  tiene una sección transversal de 4,83  × ^10⁻²¹  cm² ^{. [ 2 ]} La energía de absorbancia en las bandas de Chappuis se encuentra entre 1,8 y 3,1 eV . Los valores medidos implican que el mecanismo de absorción es apenas dependiente de la temperatura; la desviación representa menos del tres por ciento. Alrededor de sus máximos, la absorción de Chappuis es aproximadamente tres órdenes de magnitud más débil que la absorción de luz ultravioleta en el rango de las bandas de Hartley. ^{[ 10 ]} De hecho, la absorción de Chappuis es uno de los pocos procesos de absorción notables dentro del espectro visible en la atmósfera terrestre. ^{[ 11 ]} 

Superpuestas al espectro de absorción de las bandas de Chappuis a longitudes de onda más cortas, se encuentran bandas parcialmente irregulares y difusas causadas por vibraciones moleculares . La irregularidad de estas bandas implica que la molécula de ozono se encuentra en un estado excitado durante un tiempo extremadamente corto antes de disociarse. ^{[ 10 ]} Durante esta breve excitación, experimenta principalmente vibraciones de estiramiento simétricas, aunque con algunas contribuciones de vibraciones de flexión. ^{[ 1 ]} Una explicación teórica coherente de la estructura vibracional que esté en consonancia con los datos experimentales fue durante mucho tiempo un problema sin resolver; incluso hoy en día, no todos los detalles de la absorción de Chappuis pueden explicarse mediante la teoría. ^{[ 10 ]}

Al igual que cuando absorbe luz ultravioleta, la molécula de ozono puede descomponerse en una molécula de O₂ _y un átomo de O durante la absorción de Chappuis. Sin embargo, a diferencia de las absorciones de Hartley y Huggins, los productos de descomposición no permanecen en un estado excitado. La disociación en las bandas de Chappuis es el proceso fotoquímico más importante que involucra al ozono en la atmósfera terrestre por debajo de los 30  km de altitud. Por encima de esta altitud, las absorciones en la banda de Hartley lo superan. No obstante, ni las absorciones de Hartley ni las de Chappuis causan una pérdida significativa de ozono en la estratosfera, a pesar de la alta tasa potencial de fotodisociación, porque el oxígeno elemental tiene una alta probabilidad de encontrarse con una molécula de O₂ _y recombinarse para formar ozono. ^{[ 12 ]}

• Götz Hoeppe: Himmelslicht. Spiegelbild des Erdklimas. En: fu-berlin.de.
• Wetterlexikon: Chappuis-Absorción. En: deutscher-wetterdienst.de.