Vad är infrarött?

Infraröd strålning (IR), eller infrarött ljus, är en typ av strålningsenergi som är osynlig för mänskliga ögon men som vi kan känna som värme. Alla föremål i universum avger någon nivå av IR-strålning, men två av de mest uppenbara källorna är solen och elden.

IR är en typ av elektromagnetisk strålning, ett kontinuum av frekvenser som produceras när atomer absorberar och sedan släpper energi. Från högsta till lägsta frekvens inkluderar elektromagnetisk strålning gammastrålar, röntgenstrålar, ultraviolett strålning, synligt ljus, infraröd strålning, mikrovågor och radiovågor. Tillsammans utgör dessa typer av strålning det elektromagnetiska spektrumet.

Enligt NASA upptäckte den brittiska astronomen William Herschel infrarött ljus 1800. I ett experiment för att mäta skillnaden i temperatur mellan färgerna i det synliga spektrumet placerade han termometrar i ljusbanan i varje färg i det synliga spektrumet. Han observerade en ökning av temperaturen från blått till rött, och han hittade en ännu varmare temperaturmätning strax utanför det synliga spektrumets röda ände.

Inom det elektromagnetiska spektrumet inträffar infraröda vågor vid frekvenser över mikrovågsvågor och strax under rött synligt ljus, varav namnet "infraröd". Vågor med infraröd strålning är längre än synligt ljus, enligt California Institute of Technology (Caltech). IR-frekvenser sträcker sig från cirka 300 gigahertz (GHz) upp till cirka 400 terahertz (THz), och våglängderna beräknas sträcka sig mellan 1 000 mikrometer (µm) och 760 nanometer (2.9921 tum), även om dessa värden inte är definitiva, enligt NASA.

I likhet med det synliga ljusspektrumet, som sträcker sig från violet (den kortaste våglängden för synligt ljus) till röd (längsta våglängd), har infraröd strålning sitt eget våglängdsintervall. De kortare "nära-infraröda" vågorna, som är närmare synligt ljus på det elektromagnetiska spektrumet, avger inte någon detekterbar värme och är vad som släpps ut från en TV-fjärrkontroll för att byta kanaler. De längre "långt-infraröda" vågorna, som är närmare mikrovågsektionen på det elektromagnetiska spektrumet, kan kännas som intensiv värme, såsom värmen från solljus eller eld, enligt NASA.

IR-strålning är en av de tre sätten värme överförs från en plats till en annan, de andra två är konvektion och ledning. Allt med en temperatur över cirka 5 grader Kelvin (minus 450 grader Fahrenheit eller minus 268 grader Celsius) avger IR-strålning. Solen avger hälften av sin totala energi som IR, och mycket av stjärnans synliga ljus absorberas och släpps ut igen som IR, enligt University of Tennessee.

Hushållens användning

Hushållsapparater som värmelampor och brödrostar använder IR-strålning för att överföra värme, liksom industriella värmare som de som används för torkning och härdning av material. Glödlampor omvandlar endast cirka 10 procent av sin elektriska energi till synlig ljusenergi, medan de andra 90 procenten omvandlas till infraröd strålning, enligt miljöskyddsverket.

Infraröda lasrar kan användas för punkt-till-punkt-kommunikation över avstånd på några hundra meter eller meter. TV-fjärrkontroller som litar på infraröd strålning skjuter ut pulser av IR-energi från en ljusemitterande diod (LED) till en IR-mottagare i TV: n, enligt How Stuff Works. Mottagaren konverterar ljuspulserna till elektriska signaler som instruerar en mikroprocessor att utföra det programmerade kommandot.

Infraröd avkänning

En av de mest användbara applikationerna för IR-spektrumet är avkänning och detektering. Alla föremål på jorden avger IR-strålning i form av värme. Detta kan upptäckas av elektroniska sensorer, till exempel de som används i nattvisionsglasögon och infraröda kameror.

Ett enkelt exempel på en sådan sensor är bolometern, som består av ett teleskop med ett temperaturkänsligt motstånd, eller termistor, vid dess kontaktpunkt, enligt University of California, Berkeley (UCB). Om en varm kropp kommer in i instrumentets synfält, orsakar värmen en detekterbar förändring i spänningen över termistorn.

Nattvisionskameror använder en mer sofistikerad version av en bolometer. Dessa kameror innehåller vanligtvis laddningskopplade enheter (CCD) avbildningschips som är känsliga för IR-ljus. Bilden som bildas av CCD kan sedan reproduceras i synligt ljus. Dessa system kan göras tillräckligt små för att kunna användas i handhållna apparater eller bärbara nattvisionsglasögon. Kamerorna kan också användas för vapenmål med eller utan tillsats av en IR-laser för inriktning.

Infraröd spektroskopi mäter IR-utsläpp från material vid specifika våglängder. Ett ämnes IR-spektrum kommer att visa karakteristiska dopp och toppar när fotoner (ljuspartiklar) absorberas eller avges av elektroner i molekyler när elektronerna övergår mellan banor eller energinivåer. Denna spektroskopiska information kan sedan användas för att identifiera ämnen och övervaka kemiska reaktioner.

Enligt Robert Mayanovic, professor i fysik vid Missouri State University, är infraröd spektroskopi, såsom Fourier transform infrared (FTIR) spektroskopi, mycket användbar för många vetenskapliga tillämpningar. Dessa inkluderar studier av molekylära system och 2D-material, såsom grafen.

Infraröd astronomi

Caltech beskriver infraröd astronomi som "detekteringen och studien av den infraröda strålningen (värmeenergi) som släpps ut från föremål i universum." Framstegen i IR CCD-avbildningssystem har möjliggjort detaljerad observation av fördelningen av IR-källor i rymden, vilket avslöjar komplexa strukturer i nebulor, galaxer och universums storskaliga struktur.

En av fördelarna med IR-observation är att den kan upptäcka föremål som är för coola för att avge synligt ljus. Detta har lett till upptäckten av tidigare okända föremål, inklusive kometer, asteroider och vittiga interstellära dammmoln som tycks vara rådande i hela galaxen.

IR-astronomi är särskilt användbar för att observera kalla molekyler av gas och för att bestämma den kemiska sammansättningen av dammpartiklar i det interstellära mediet, säger Robert Patterson, professor i astronomi vid Missouri State University. Dessa observationer utförs med hjälp av specialiserade CCD-detektorer som är känsliga för IR-fotoner.

En annan fördel med IR-strålning är att dess längre våglängd innebär att den inte sprider lika mycket som synligt ljus, enligt NASA. Medan synligt ljus kan absorberas eller reflekteras av gas- och dammpartiklar, går de längre IR-vågorna helt enkelt runt dessa små hinder. På grund av denna egenskap kan IR användas för att observera föremål vars ljus döljs av gas och damm. Sådana föremål inkluderar nybildande stjärnor inbäddade i nebulor eller centrum av jordens galax.

Ytterligare resurser:

• Läs mer om infraröda vågor från NASA Science.
• Läs mer om infrarött från Gemini Observatory.
• Se den här videon som beskriver infraröd vision från National Geographic.

Denna artikel uppdaterades 27 februari 2019 av bidragsgivaren Traci Pedersen.