infrapunasäteily (IR) eli infrapunavalo on eräänlainen säteilyenergia, joka on ihmissilmille näkymätöntä, mutta jonka voimme tuntea lämpönä. Kaikki maailmankaikkeuden kappaleet säteilevät jonkinlaista IR-säteilyä, mutta kaksi ilmeisintä lähdettä ovat Aurinko ja tuli.
IR on sähkömagneettisen säteilyn tyyppi, taajuuksien jatkumo, joka syntyy, kun atomit absorboivat ja sitten vapauttavat energiaa. Korkeimmasta matalimpaan taajuuteen sähkömagneettinen säteily sisältää gammasäteilyn, röntgensäteilyn, ultraviolettisäteilyn, näkyvän valon, infrapunasäteilyn, mikroaallot ja radioaallot. Nämä säteilytyypit muodostavat yhdessä sähkömagneettisen spektrin.
Brittiläinen tähtitieteilijä William Herschel havaitsi Nasan mukaan infrapunavalon vuonna 1800. Kokeessa, jossa mitattiin näkyvän spektrin värien lämpötilaeroa, hän asetti lämpömittarit valon kulkuradalle näkyvän spektrin jokaisen värin sisään. Hän havaitsi lämpötilan nousun sinisestä punaiseksi, ja hän havaitsi vielä lämpimämmän lämpötilamittauksen aivan näkyvän spektrin punaisen pään takana.
sähkömagneettisessa spektrissä infrapuna-aaltoja esiintyy taajuuksilla, jotka ylittävät mikroaaltojen taajuudet ja ovat hieman punaisen näkyvän valon taajuuksien alapuolella, mistä nimi ”infrared. California Institute of Technologyn (Caltech) mukaan infrapunasäteilyn aallot ovat pidempiä kuin näkyvän valon. IR-taajuudet vaihtelevat noin 300 gigahertsistä (GHz) noin 400 terahertsiin (THz), ja aallonpituuksien arvioidaan olevan 1 000 mikrometrin (µm) ja 760 nanometrin (2,9921 tuumaa) välillä, vaikka nämä arvot eivät Nasan mukaan ole lopullisia.
samoin kuin näkyvän valon spektri, joka vaihtelee violetista (Lyhin näkyvän valon aallonpituus) punaiseen (pisin aallonpituus), infrapunasäteilyllä on oma aallonpituusalueensa. Lyhyemmät ”lähi-infrapuna” – aallot, jotka ovat lähempänä näkyvää valoa sähkömagneettisella spektrillä, eivät lähetä mitään havaittavaa lämpöä, ja ne purkautuvat television kaukosäätimestä kanavien vaihtamiseksi. Pidemmät ”kauko-infrapuna” – aallot, jotka ovat lähempänä sähkömagneettisella spektrillä olevaa mikroaalto-osaa, voivat Nasan mukaan tuntua voimakkaina lämpöinä, kuten auringonvalon tai tulen synnyttäminä lämpöinä.
IR-säteily on yksi kolmesta tavasta siirtää lämpöä paikasta toiseen, kaksi muuta ovat konvektio ja johtuminen. Kaikki, joiden lämpötila on yli 5 Kelvin-astetta (-450 Fahrenheit-astetta tai -268 celsiusastetta) säteilee IR-säteilyä. Aurinko luovuttaa puolet kokonaisenergiastaan IR: nä, ja suuri osa tähden näkyvästä valosta absorboituu ja säteilee uudelleen IR: nä Tennesseen yliopiston mukaan.
kotitalouksissa käytettävät
kodinkoneet, kuten lämpölamput ja leivänpaahtimet, käyttävät infrapunasäteilyä lämmön siirtämiseen, samoin kuin teollisuuslämmittimet, kuten kuivaukseen ja kovetukseen käytettävät. Hehkulamput muuntavat vain noin 10 prosenttia sähköenergiastaan näkyväksi valoenergiaksi ja loput 90 prosenttia infrapunasäteilyksi, kertoo ympäristönsuojeluvirasto.
Infrapunalasereita voidaan käyttää pisteviestintään muutaman sadan metrin tai jaardin etäisyyksillä. Infrapunasäteilyyn tukeutuvat TV: n Kaukosäätimet ampuvat infrapunaenergian pulsseja valodiodista (LED) TV: n IR-vastaanottimeen sen mukaan, miten Kama toimii. Vastaanotin muuntaa valopulssit sähköisiksi signaaleiksi, jotka ohjeistavat mikroprosessoria suorittamaan ohjelmoidun käskyn.
Infrapunatunnistus
yksi IR-spektrin hyödyllisimmistä sovelluksista on tunnistamisessa ja havaitsemisessa. Kaikki maapallolla olevat kappaleet lähettävät IR-säteilyä lämmön muodossa. Tämä voidaan havaita elektronisilla sensoreilla, joita käytetään esimerkiksi pimeänäkölasit ja infrapunakamerat.
yksinkertainen esimerkki tällaisesta anturista on bolometri, joka koostuu Kalifornian yliopiston Berkeleyn (UCB) mukaan kaukoputkella, jonka polttopisteessä on lämpötilaherkkä vastus eli termistori. Jos lämmin kappale tulee tämän laitteen näkökenttään, lämpö aiheuttaa havaittavan jännitteen muutoksen koko termistorissa.
Pimeänäkökameroissa käytetään bolometrin kehittyneempää versiota. Nämä kamerat sisältävät tyypillisesti CCD (charge-coupled device) – kuvaussiruja, jotka ovat herkkiä IR-valolle. CCD: n muodostama kuva voidaan sitten toistaa näkyvässä valossa. Nämä järjestelmät voidaan tehdä niin pieniksi, että niitä voidaan käyttää kädessä pidettävissä laitteissa tai puettavissa pimeänäkölasit. Kameroita voidaan käyttää myös asetähtäimiin, joihin on tai ei ole lisätty ir-laseria tähtäykseen.
Infrapunaspektroskopia mittaa materiaalien ir-päästöjä tietyillä aallonpituuksilla. Aineen IR-spektrissä on tyypillisiä dippejä ja huippuja, kun fotonit (valohiukkaset) absorboituvat tai emittoituvat elektroneista molekyyleissä elektronien siirtyessä orbitaalien eli energiatasojen välillä. Tätä spektroskooppista tietoa voidaan sitten käyttää aineiden tunnistamiseen ja kemiallisten reaktioiden seurantaan.
Missourin valtionyliopiston fysiikan professorin Robert Mayanovicin mukaan infrapunaspektroskopia, kuten Fourier transform infrared (FTIR) – spektroskopia, on erittäin hyödyllinen lukuisissa tieteellisissä sovelluksissa. Näitä ovat muun muassa molekyylijärjestelmien ja 2D-materiaalien, kuten grafeenin tutkimus.
infrapuna-tähtitiede
Caltech kuvaa infrapunatähtitiedettä ”maailmankaikkeuden kohteista säteilevän infrapunasäteilyn (lämpöenergian) havaitsemiseksi ja tutkimiseksi.”IR CCD-kuvantamisjärjestelmien edistysaskeleet ovat mahdollistaneet yksityiskohtaisen tarkkailun IR-lähteiden jakautumisesta avaruudessa, paljastaen monimutkaisia rakenteita tähtisumuissa, galakseissa ja maailmankaikkeuden laajamittaisessa rakenteessa.
yksi IR-havainnon eduista on se, että se voi havaita kohteita, jotka ovat liian viileitä säteilemään näkyvää valoa. Tämä on johtanut siihen, että on löydetty aiemmin tuntemattomia kohteita, kuten komeettoja, asteroideja ja wispy-tähtienvälisiä pölypilviä, joita näyttää olevan kaikkialla galaksissa.
IR-tähtitiede on erityisen hyödyllinen kylmien kaasumolekyylien havainnoinnissa ja pölyhiukkasten kemiallisen rakenteen määrittämisessä tähtienvälisessä väliaineessa, sanoi Missourin osavaltionyliopiston tähtitieteen professori Robert Patterson. Havainnot tehdään käyttämällä erikoistuneita CCD-ilmaisimia, jotka ovat herkkiä IR-fotoneille.
toinen IR-säteilyn etu on Nasan mukaan se, että sen pidempi aallonpituus tarkoittaa sitä, että se ei siroa yhtä paljon kuin näkyvä valo. Kun taas kaasu-ja pölyhiukkaset voivat absorboida näkyvää valoa tai heijastaa sitä, niin pidemmät IR-aallot yksinkertaisesti kiertävät nämä pienet esteet. Tämän ominaisuuden vuoksi IR: llä voidaan tarkkailla kohteita, joiden valo on hämärän peitossa kaasulla ja pölyllä. Tällaisia kohteita ovat esimerkiksi tähtisumuihin tai maan galaksin keskipisteeseen kiinnittyneet vastamuodostuneet tähdet.