Radiación infravermella

A radiación infravermella é un tipo de radiación electromagnética con lonxitude de onda maior que a da luz visible, pero menor que a das microondas. O seu nome quere dicir "por debaixo do vermello", xa que o vermello é a cor de lonxitude de onda máis longa da luz visible, comprendida entre 700 nanómetros (frecuencia 430 THz) e un milímetro (300 GHz).
No espectro electromagnético, os infravermellos subdivídense en infravermellos curtos (0, 7-5 µm), infravermellos medios (5-30 µm) e infravermellos longos (30-1000 µm). Mentres, esta clasificación non é precisa porque en cada área de utilización, se ten unha idea diferente dos límites dos diferentes tipos. Os infravermellos están asociados á calor porque os corpos na temperatura normal emiten radiación térmica no campo dos infravermellos. Malia que os vertebrados non poden percibir a radiación infravermella en forma de luz, si que a poden percibir como calor por unhas terminacións nerviosas especializadas da pel coñecidas como termorreceptores. Historia
Os infravermellos foron descubertos en 1800 por William Herschel, un astrónomo inglés de orixe alemá. Herschel colocou un termómetro de mercurio no espectro obtido por un prisma de cristal coa finalidade de medir a calor emitido por cada cor. Descubriu que a calor era máis forte ao lado do vermello do espectro, observando que alí non había luz. Esta foi a primeira experiencia que demostrou que a calor pode ser transmitida por unha forma invisible de luz. Porén, o termo "infravermello" non apareceu até finais do século XIX. Localización no espectro electromagnético
A radiacióm infravermella forma parte do espectro electromagnético, que inclúe todas as frecuencias das ondas electromagnétiques, e ordénanse en función da frecuencia dos sinais e da súa lonxitude de onda de acordo co que se sinala na táboa seguinte: Diferentes rexións da radiación infravermella
Os obxectos emiten radiación infravermella ó longo de todo o espectro de lonxitude de onda, pero habitualmente os sensores son deseñados para detectar a radiación dentro dun intervalo de lonxitudes de onda, a banda infravermella adóitase dividir en diversas seccións.
Esquema da CIE
A Comisión Internacional da Iluminación (habitualmente coñecida como CIE por mor do seu nome francés, Commission internationale de l'éclairage) recomenda a división da radiación infravermella en tres bandas espectrais: IR-A: 700 nm–1400 nm
IR-B: 1400 nm–3000 nm
IR-C: 3000 nm–1 mm
Outra división en bandas espectrais moi habitual en enxeñaría é esta: infravermella próxima (NIR ou IR-A), 0, 75–1, 4 µm, definidos pola absorción en auga e empregado habitualmente na comunicación per fibra óptica, grazas á pouca absorción en vidros de SiO2.
infravermella media (MIR):
infravermella de onda curta (SWIR ou IR-B), 1, 4–3 µm, a absorción en auga aumenta considerablemente a 1. 450 nm
infravermella de onda media (MWIR ou IR-C), 3–8 µm
infravermella de onda longa (LWIR ou IR-C), 8–15 µm
infravermella afastada (FIR), 15–1. 000 µm
Esquema ISO 20473
A Organización Internacional para a Estandarización (ISO) especificou na norma "ISO 20473: 2007" o seguinte esquema:
Esquema de infravermellos nas telecomunicacións
Nas telecomunicacións baseadas na utilización da luz, a parte do espectro infravermello subdivídese aínda en máis bandas espectrais, en función da resposta de detectores, amplificadores, fontes e fibras ópticas: A banda C é a predominante nas redes de telecomunicación de longa distancia. As bandas S e L baséanse en tecnoloxías pouco desenvolvidas e teñen pouca utilización.
Nas lonxitudes de onda adxacentes ás da luz visible e mesmo naquelas duns poucos micrómetros, µm, os fenómenos asociados son esencialmente os mesmos que os da luz visible, malia que cómpre ter presente que a resposta dos materiais á luz visible non é en absoluto indicativo do comportamento que presentan diante da luz infravermella. Por exemplo, para lonxitudes de máis de 2 micrómetros, o vidro normal que atopamos ns nosas casas é opaco, o mesmo pasa con moitos gases, o que implica que haxa fiestras de absorción (intervalos de lonxitudes de onda) nas que o ar é opaco e, polo tanto, terá unha serie de frecuencias do espectro solar que non nos chegan e non poderán ser observadas sobre a Terra. Entre 3 e 5 micrómetros hai unha fiestra que corresponde co pico de emisión de radiación infravermella dos corpos moi quentes, esta banda emprégase por exemplo nos sistemas de seguimento e busca de obxectivos dalgíns tipos de mísiles.
Pola contra, hai moitos materiais que os nosos ollos son perfectamente opacos pero que son máis ou menos transparentes nas lonxitudes de onda da radiación infravermella. Por exemplo, o silicio e o xermanio presentan unha opacidade tan reducida a estas lonxitudes de onda que son utilizados para a fabricación de lentes e fibras ópticas (a atenuación que presentan é da orde de 0, 2 dB/km no caso dunha lonxitude de onda de 1550 nm). Ademais, moitos tipos de plástico sintético presentan unha boa transparencia a estas radiacións.
Para lonxitudes de onda máis grandes o comportamento aseméllase máis ó que atopamos no caso das ondas de radio. Aplicacións dos raios infravermellos
Termografía
Os infravermellos son utilizados nos equipamentos de visión nocturna cando a cantidade de luz visible é insuficiente para ver os obxectos. A radiación é detectada e despois reflectida nunha tela. Os obxectos máis quentes se converten nos máis luminosos. Un uso moito común do infravermello é para efectuar comandos a distancia (telecomandos), preferibles ás ondas de radio por que non sofren interferencias doutras ondas electromagnéticas como. por exemplo, os sinais de televisión.
A radiación infravermella está asociada a miúdo coa calor, xa que os obxectos a temperatura ambiente ou superior emiten radiación principalmente concentrada na banda da infravermella media. Iso permite empregar os infravermellos para determinar a temperatura de obxectos a distancia (se se coñece a emisividade). Esta técnica chámase termografía ou, no caso de obxectos moi quentes, pirometría. A termografía emprégase basicamente en aplicacións industriais e militares.
As cámaras térmicas detectan a radiación infravermella entre os 900 e os 14. 000 nm do espectro electromagnético (0, 9 a 15 µm) e producen imaxes. Tendo en conta que a radiación infravermella é emitida por todos os obxectos en función da súa temperatura, de acordo coa lei da radiación dun corpo negro, a termografía fai posible “ver” a contorna coa iluminación visible ou sen ela. A cantidade de radiación que emite un obxecto medra coa temperatura, polo tanto, a termografía permite ver a variación da temperatura dos corpos, de aquí o seu nome.
Visión nocturna
Os infravermellos tamén se empregan nos equipos de visión nocturna cando a cantidade de luz visible é insuficiente para ver os obxectos. Os dispositivos de visión nocturna funcionan por medio dun proceso que converte os fotóns da luz ambiente en electróns que son amplificados empregando métodos químicos e eléctricos e despois convertidos outra volta en luz visible, que se presenta nunha pantalla en forma de imaxes que poden ser monocromas, os obxectos máis quentes amósanse como os máis luminosos, ou tamén se pode empregar un sistema de falsas cores para representar as diferentes temperaturas. A utilización de fontes de radiación infravermella permite aumentar a cantidade de luz ambiente que pode ser utilizada polos dispositivos de visión nocturna para xerar as imaxes, incrementando a visibilidade sen utilizar luz visible. Os aparellos de visión nocturna estendéronse entre os exércitos de moitos países porque permiten as operacións militares durante a noite en mellores condicións de visibilidade dos obxectivos.
Comunicacións
A transmisión de datos a través da radiación infravermella tamén se emprega en aplicacións de comunicación a curta distancia, como por exemplo entre os ordenadores e os seus periféricos, ou entre os ordenadores e os PDA ou os teléfonos móbiles. Estes aparellos que incorporan este tipo de comunicación seguen polo xeral un estándar publicado pola Infrared Data Association ou IrDA. Outro uso moi común é o que fan os controis remotos, que empregan os infravermellos no canto de ondas de radio, xa que así non interfiren con outros sinais electromagnéticos como os sinais de televisión. Os infravermellos son axeitados para ser utilizados en interiores e en presenza das persoas, non traspasan as paredes e non poden interferir cos aparellos que poida haber noutras habitacións. Tanto os controis a distancia como os aparellos IrDA utilizan díodos emisores de luz para xerar unha radiación infravermella que pasa por unha lente de plástico. Do lado do receptor hai un fotodíodo de silicio que converte a radiación infravermella que recibe nunha corrente eléctrica, e que só responde ó sinal premendo o botón que crea o emisor, filtrando a radiación infravermella do ambiente, que cambia pouco a pouco.
A comunicación óptica a través do aire utilizando un láser de infravermellos é unha alternativa relativamente barata (especialmente se se compara co custo dunha ligazón de fibra óptica) para ligazóns de comunicacioós a áreas urbanas, estas ligazóns operan a máis de 4 xigabit/s (4000 Mbps).
Nas comunicacio¡óns a través de fibra óptica utilízanse láseres de infravermellos para conseguir a luz precisa para transmitir a información, a radiación utilizada acostuma a ser dunha lonxitude de onda a redor de 1330 nm (se se quere acadar unha mínima dispersión) ou 1550 nm (para acadar unha mellor transmisión) no caso das fibras ópticas estándardes de silicio.
Quecemento
A radicación infravermella pode ser utilizada como unha fonte de calor. As súas aplicacións neste eido van dende a calefacción doméstica até sistemas para eliminar o xeo das ás dos avións, pasando por quentadores especiais para o tratamento de fisioterapia ou os quentadores de alimentos. Tamén hai aplicacións no eido da industria: formación de plásticos, peche de contedores plásticos, soldadura de plásticos, etc.
Meteoroloxía
Os satélites meteorolóxicos están equipados con escáneres que traballan na banda infravermella que permiten obter imaxes para determinar o espesor e o tipo das nubes ou calcular a temperatura da superficie da terra e da auga. Estes sensores traballan entre os 10, 3 e os 12, 5 µm.
As nubes altas formadas por partículas de xeo como os cirrus ou as nubes de gran desenvolvemento vertical como os cumulonimbus amósanse nunha cor branca brillante. Pola contra, as nubes baixas máis quentes como os stratus ou os stratocumulus amósanse en gris. A superficie da terra quente amósase como gris escuro ou negro. Unha das desvantaxes do infravermello radica no feito de que as nubes baixas e a néboa teñen unha temperatura semellante á da terra ou superficies mariñas e non se poden diferenciar. Porén, empregando a diferenza de luminosidade da canle IR4 (10, 3 a 11, 5 µm) e a da canle de infravermellos próximos (1, 58 a 1, 64 µm) pódense diferenciar as nubes baixas producindo unha “néboa” na imaxe. A gran vantaxe do infravermello é que as imatxes tamén se poden obter durante a noite, o que permite dispoñer dunha secuencia continua da evolución do tempo.
Climatoloxía
No eido da climatoloxía, monitorízase a radiación infravermella para detectar tendencias no intercambio de enerxía entre a Terra e a atmosfera. Estas tendencias achegan información sobre os cambios a longo prazo do clima terrestre. Este é, xunto coa radiación solar, un dos principais parámetros estudados na investigación do quecemento global.
Os investigadores utilizan un aparello chamado pirxeómetro para medir de xeito continuo a irradiancia terrestre. Trátase dun radiómetro que traballa na banda infravermella, aproximadamente entre os 4, 5 e os 50 µm.
Espectroscopia
A espectroscopia de infravermellos é unha técnica que se emprega per identificar moléculas por medio da análise dos seus enlaces. Cada enlace químico dunha molécula vibra a unha frecuencia característica e en moitas moléculas esta frecuencia atópase dentro da radiación infravermella. Cando unha molécula absorbe un fotón, pasa do seu estado fundamental a un estado excitado (onde vibra). Nun espectro típico de infravermellos nas abscisas atopámonos cunha escala de frecuencias expresada polo número de onda, e nas ordenadas a porcentaxe de tansmitancia (o cociente entre o fluxo radiante que atravesa un medio e o que incide nel). De xeito que se un material é transparente na radiación infravermella o seu espectro presentarase como unha liña paralela no eixo de abcisas. En troques, no caso dun material que non sexa completamente transparente, verificaranse as absorcións e as transicións entre os niveis de enerxía vibracionais. Neste caso, o espectro obtido caracterizarase por unha serie de picos de diferentes alturas que corresponderán a cada unha das transicións.
Algúns métodos especializados como a espectroscopia de infravermellos próximos ou NIRS (Near infrared spectroscopy) son especialmente utilizados na industria agroalimentaria para analizar a calidade dos produtos agrícolas e dos alimentos a través da determinación da humidade, proteínas, fibres, etc. Este método tamén se emprega nas industrias químicas, farmacéuticas e petroquímicas. Astronomía
Os astrónomos observen os obxectos astronómicos na rexión infravermella do espectro electromagnético utilizando compoñentes ópticos, espellos, lentes e detectores de estado sólido. Para xerar unha imaxe sen interferencias é preciso que os compoñentes dun telescopio de infravermellos estean illados de calquera fonte de calor e que os detectores sexan refrixerados, e para esta función utilízase helio líquido.
A sensibilidade dos telescopios de infravermellos situados na Terra é bastante limitada por mor da presenza de vapor de auga na atmosfera que absorbe unha porción da radiación infravermella que chega do espazo a través dunha fiestra atmosférica (a parte do espectro electromagnético que contén as radiacións que non foron absorbidas ou reflectidas pola atmosfera terrestre). Esta limitación pode ser anulada parcialmente poñendo os observatorios a grande altura (montañas) ou transportando o telecopio a un avión ou un globo. Pero a maneira de eliminar completamente a limitación é poñendo os telescopios fóra da atmosfera da Terra, o espazo exterior é o lugar ideal para este tipo de telescopios de infravermellos.
A fracción infravremella do espectro presenta diversos beneficios per os astrónomos, por exemplo, permite detectar as nubes moleculares de gas e po da nosa galaxia porque locen ó ser irradiados pola calor das estrelas que se están a formar no seu interior. A infravermella tamén permite a detección das protoestrelas amtes de que comecen a emetir luz visible. As estrelas só emiten unha pequena parte da súa enerxía na fracción infravermella do espectro electromagnético, por iso os obxectos fríos que hai nas súas proximidades como os planetas poden ser máis facilmente detectados (na fracción visible do espectro o resplendor da estrela anula a luz reflectida polo planeta).
A radiación infravermella tamén é moi útil para observar os núcleos das galaxias activas que a miúdo son tapados polo gas e o po interestelares. As galaxias arredadas cun gran desprazamento cara ó vermello tendrán un pico no seu espectro desprazado para lonxitudes de onda máis longas, por iso son máis facilmente observables na banda infravermella.
Seguimento
O seguimento por infravermellos é un sistema de guía de mísiles que se basea na emisión de radiación infravermella por parte dos obxectivos. Moitos obxectos como os motores dos avións ou dos vehículos, e mesmo tódalas persoas, xeran e emiten calor abonda como para que sexan visibles na parte infravermella das lonxitudes de onda en comparanza co resto de obxectos dos arredores. Efectos biolóxicos
A radiación infravermella divídese, de acordo cos seus efectos biolóxicos e de maneira arbitraria, en tres categorías ou tipos: a radiación infravermella curta (0, 8 a 1, 5 µm), a media (1, 5 a 5, 6 µm) e a longa ( 5, 6 a 1000 µm). Os primeiros traballos cos diferentes tipos de radiación de infravermellos, informaban das diferentes formas da acción biolóxica dos tres tipos de radiaciób (curta, media e longa). Críase que a radiación curta penetraba profundamente na pel sen causar un aumento importante da temperatura da superficie do tecido epitelial, mentres que a maioría da enerxía da radiación infravermella media e longa era absorbida pola capa superior da pel e a miúdo causaba efectos térmicos prexudiciais, como queimaduras ou proído. Porén, algúns anos máis tarde presentouse unha nova visión da infravermella media e longa demostrando que todas as bandas de radiación producen efectos biolóxicos de rexeneración celular.
Estudos in vitro con radiación infravermella curta sobre as células humanas, endoteliais e queratinocitos, demostraron un aumento da produción de TGF-β1 (factor de crecemento transformante-β1) despois dunha única irradiación (36-108 J/cm2) e de maneira dependente do tempo para o contido de MMP-2 (Metaloproteinasa de matriz-2), sendo este último tanto a nivel proteico como transcricional. Estas dúas proteínas están implicadas na fase de remodelación da reparación das lesións. E estes efectos foron considerados de natureza atérmica porque os modelos utilizados como control térmico non amosaron un aumento na súa expresión proteica.
Os experimentos con ratos diabéticos demostrou unha aceleración da velocidade de peche dunha ferida con tratamentos diarios de radiación infravermella curta, en comparanza cos grupos de control, cun crecemento da temperatura de aproximadamente 3, 6 °C despois de 30 minutos de exposición.
A utilización de LEDs (díodos emisores de luz) de luz infravermella curta demostrou a reversión dos efectos da tetradotoxina (TTX), un bloqueador das canles de sodio das células, e polo tanto un bloqueador do impulso nervioso, así como a redución dos danos na retina causados pola exposición ó metanol nos ratos.
Os experimentos coa radiación infravermella longa demostraron unha inhibición do crecemento tumoral nos ratos e unha mellora dos tecidos das feridas. Tamén se demostrou un incremento do proceso de rexeneración nos ratos sen aumento da circulación sanguínea durante os períodos de irradiación nin aumento na temperatura do epitelio. Outros datos indican un aumento da infiltración de fibroblastos no tecido subcutáneo en ratos tratados con radiación infravermella longa, en comparanza cos animais de control, e unha maior rexeneración do coláxeno na rexión lesionada, así como a expresión de TGF-β1. Da mesma maneira, a radiación infravermella foi quen de provocar un aumento da anxioxénese no lugar da lesión e aumentar a resistencia na tracción do epitelio en rexeneración.