آشنایی با امواج مادون قرمز یا فروسرخ (Infrared) نزدیک، میانه و دور

   دنیای پیرامون ما را امواج الکترومغناطیس احاطه کرده‌اند. تقریباً تمامی موجودیت‌هایی که در اطراف خود مشاهده می‌کنیم از خود امواج الکترومغناطیس ساتع می‌کنند. اما طول موج‌هایی که از هریک از اجسام منتشر می‌کنند مختص خودشان است و همین موضوع نیز گستره عظیمی از اطلاعات را پیش روی ما قرار می‌دهد. یکی از مهم‌ترین فوائد شناخت امواج الکترومغناطیس و رفتارهای اجسام مختلف، قدرت تفسیر تصاویری است که توسط ماهواره‌ها گرفته می‌شود و همین امر نیز زیربنای تفسیر تصاویر ماهواره‌ای و علم سنجش از دور را تشکیل می‌دهد. امواج مادون قرمز (فروسرخ) و طبقه‌بندی آن‌ها نیز برهمین اساس انجام گرفته و مورد بررسی کارشناسان سنجش‌از دور قرار می‌گیرد.

در این مقاله بنا داریم شما را با طبقه‌بندی این تصاویر و خصوصیات آن‌ها آشنا کرده و لذت شناخت زیبایی‌های دنیای پیرامون خود را با شما به اشتراک بگذاریم.

تعریف امواج مادون قرمز یا فروسرخ (Infrared)

   امواج مادون قرمز یا فروسرخ (Infrared) ، به نوعی از امواج الکترومغناطیس اطلاق می‌گردد که بعد از برخورد با جسم موجب گرم شدن آن می‌شود. این امواج دسته‌ای از پرتوهای نامرئی خورشید هستند. به همین سبب وقتی در مقابل نور خورشید قرار می‌گیریم احساس گرما می‌کنیم.
این امواج دارای طول موجی بیشتر از امواج مرئی و بسامد (فرکانس) کمتر از آنها می‌باشند. به همین دلیل در نمودار طیف الکترومغناطیس بعد از امواج مرئی قرار دارد. این امواج در نمودار بعد از رنگ سرخ در امواج مرئی، که کم‌ترین شکست را نسبت به دیگر رنگ‌ها دارد قرار می‌گیرند. به همین سبب به آنها امواج مادون قرمز یا فروسرخ (Infrared) می‌گویند.

دسته‌بندی امواج مادون قرمز یا فروسرخ (Infrared)

   این امواج بطور معمول به سه منطقۀ طیفی تقسیم می‌شوند:

مادون قرمز نزدیک (near)، میانه (mid) و دور (far)

برروی مرزهای بین این سه منطقۀ طیفی توافق قطعی وجود ندارد و این مرزها می‌توانند جابجا شوند. عنصر اصلی که مشخص می‌کند چه طول موج‌هایی در هرکدام از این سه گروه قرار می‌گیرند، نوع تکنولوژی بکار گرفته شده در آشکارساز مربوط به گیرندۀ نور این امواج می‌باشد.

   از دهۀ 1960 مشاهدات زمین‌مرجع مادون قرمز نزدیک، شکل گرفت. در آن زمان مشاهدات تقریباً به یک شیوه و بصورت مشاهدات نور مرئی برای طول موج‌هایی کمتر از یک میکرون صورت می‌گرفت، اما نیازهای ویژۀ آشکارسازها فراتر از یک میکرون بود.
مشاهدات طیف میانه و دور، تنها با جریاناتی که در بالای اتمسفر صورت می‌گیرد، ایجاد می‌شوند. این مشاهدات نیازمند استفاده از آشکارسازهای مبدل ویژه‌ای می‌باشند که از کریستال‌های خاصی تشکیل شده‌ و مقاومت الکتریکی آنها نسبت به حرارت بسیار حساس است.

تشعشعات این طول موج می‌توانند از هر پدیده‌ای که دارای حرارت است، ساتع شوند. ( بعنوان مثال: تشعشعات گرمایی). بنابراین، اساسأ همۀ اجرام سماوی کم و بیش این تشعشعات را از خود ساتع می‌کنند. طول موجی که یک شئ از خود ساتع می‌کند، اغلب بشدت به درجۀ حرارت آن شئ وابسته است.
بطور کلی، در طول مدتی که دمای یک شئ به سردی می‌گراید، تشعشعات ساتع شده از آن آشکارا به سمت مادون قرمز دور می‌رود. این بدان معنی است که بعضی از این طول موج‌ها بدلیل حفظ حالت پیوستگی‌شان برای مطالعه و تحقیق مناسب‌تر از سایر طول موج‌ها می‌باشند.

   همانطور که از محدوده‌های با طیف مادون قرمز نزدیک به سمت طیف میانه و سپس دور می‌رویم، بعضی از اجرام سماوی ظاهر می‌شوند، در حالیکه بعضی دیگر از اجرام سماوی از دید پنهان می‌شوند.
بعنوان مثال، در تصویر بالا می‌توانید مشاهده کنید که چگونه بیشتر ستاره‌ها (عموماً ستاره‌های سردتر)، همانطور که از تصاویر با نور مرئی به سمت تصاویر با نور مادون قرمز حرکت می‌کنیم، ظاهر می‌شوند. علاوه بر این در مادون قرمز نزدیک غبار موجود شفاف می‌شود و به ما اجازۀ دیدن مناطقی را که در زیر آن پنهان بوده را می‌دهد. وقتی که به سمت تصویر مادون قرمز میانه می‌رویم، ذرات غبار با دمای سردتر قرمزتر و گداخته‌تر می‌شوند.

جدول زیر در خصوص محدوده قابل مشاهده در محدوده طیفی مادون قرمز، اطلاعات دقیق‌تری را ارائه می‌دهد:

امواج مادون قرمز نزدیک ( Near Infrared )

   همانطور که از نور مرئی به سمت نورهای با طول موج بلندتر حرکت می‌کنیم، وارد منطقۀ مادون قرمز(فروسرخ) می‌شویم. به محض ورود به این منطقه، ستاره‌های گرم آبی رنگ که به‌وضوح در نور مرئی مشاهده می‌شوند، به‌تدریج ناپدید شده و ستاره‌های سردتر وارد صفحۀ نمایش می‌گردند (قابل مشاهده می‌شوند).
ستاره‌های قرمز رنگ غول پیکر و کوتوله‌های قرمز رنگ با تودۀ جرم کمتر، قابل مشاهده در نور مادون قرمز نزدیک خواهند بود. همچنین این منطقه، منطقه‌ای است که غبار بین ستاره‌ها در آن شفاف‌تر هستند.

   در تصاویر بالا، مشاهده می‌شود که چگونه مرکز کهکشان ما که در نورمرئی (تصویر چپ)، که توسط ابری از غبار پوشیده شده، در نور مادون قرمز نزدیک (تصویر راست)، مرئی می‌شود. بسیاری از ستاره‌های با دمای بالا که در تصاویر با نور مرئی، قابل مشاهده‌اند، در تصاویر طیف نزدیک، محو می‌گردند. این طیف، ستاره‌های با دمای کمتر و ستاره‌های مایل به قرمز را که در مناظری با نور مرئی قابل مشاهده نیستند، نمایش می‌دهد. این ستاره ها اصولأ کوتوله‌های قرمز و غول‌های قرمز هستند.

غول‌های قرمز، ستاره‌های بزرگ متمایل به قرمز یا نارنجی رنگی هستند که سوخت هسته‌ای آنها در حال تمام شدن است. آنها می‌توانند تا 100 برابر اندازه اولیه‌شان بزرگ شوند و دمایی بین 2000 تا 3500 درجه کلوین دارند. تشعشعات این غول‌های قرمز در محدودۀ طیف نزدیک قرار دارد.

کوتوله‌های قرمز بیشترین اشتراک را با همۀ ستاره ها دارند. آنها از خورشید ما بسیار کوچکترند و سردترین آنها دمایی در حدود 3000 درجۀ کلوین دارد و این بدین معنی است که تشعشعات آنها درمحدودۀ مادون قرمز نزدیک قرار دارد. بسیاری از این ستارگان در نور مرئی آنقدر کمرنگ هستند که تنها با تلسکوپ‌های نوری آشکار می‌شوند و اولین بار در مادون قرمز نزدیک مشاهده شده‌اند.

امواج مادون قرمز میانه ( Mid Infrared )

   همانطور که وارد منطقه طیفی مادون قرمز میانه می‌شویم، ستاره‌های سردترکم کم ظاهر شده و اجرام سردتر مانند سیاره‌ها، ستاره‌های دنباله‌دار و سیارک‌ها قابل مشاهده می‌گردند. سیاره‌ها نور خورشید را جذب کرده و گرم می‌شوند و سپس این حرارت را بصورت نور مادون قرمز(فروسرخ) بازتابش می‌کنند.

   در منظومه شمسی، سیاره‌ها دمایی بین 53 تا 573 درجه کلوین را دارا می‌باشند. در این بازۀ دمایی، اجرام، نوری در طیف  میانه از خودشان ساتع می‌کنند. بعنوان مثال، تشعشعات زمین اغلب درحدود 10 میکرون می‌باشد. همچنین سیارک‌ها اغلب نور خود را در مادون قرمز میانه انتشار می‌دهند که این باند از طول موج، اغلب برای مکانیابی سیارک‌های تاریک‌تر، بسیار کارآمد است. داده‌های مادون قرمز می‌توانند به تشخیص ترکیب سطوح و تعیین قطر و ضخامت سیارک‌ها کمک کنند.

   علاوه بر این، ذرات غباری که توسط نور ستاره‌ها گرم شده، بشدت به مادون قرمز میانه حساس است. یک نمونه آن ذرات گرد و غبار زودیاک می‌باشد که برروی سطح سیاره‌های منظومه شمسی قرار دارد. این ذرات از سیلیکات (شبیه صخره‌های روی زمین) تشکیل شده و حدود اندازه‌های آن از 0.1 میکرون تا بزرگترین صخره‌ها متغیر است.
سیلیکات بیشترین تشعشع را در طیفی با حدود 10 میکرون دارد. نقشه نحوۀ پراکندگی و توزیع این ذرات می‌تواند در ارتباط با چگونگی تشکیل منظومه شمسی، اطلاعات مفیدی را ارائه دهد. از طرفی ذرات یک ستاره دنباله‌دار در طیف مادون قرمز، دارای بازتاب بسیار قدرتمندی هستند.

   به محض اینکه وارد منطقه طیفی میانه می‌شویم، ذرات گرم (داغ) بین ستارگان، شروع به درخشش می‌کنند. ذرات اطراف ستاره‌ها که شامل ذراتی هستند که از ستاره به بیرون پرتاب شده‌اند، بیشترین درخشش (روشنایی) را در این طیف نوری دارند. گاهی اوقات این ذرات آنچنان لایۀ ضخیمی را تشکیل می‌دهند که مشاهدۀ ستاره از میان آن بسختی امکان‌پذیر است و در مادون قرمز فقط می‌توان آنها را نمایان ساخت.
همچنین، حلقه غبار دور ستارگان جوان (حلقه یا صفحه‌ای از گرد و غبار، که حول یک ستاره جدید که درحال تشکیل شدن است، می چرخند) در طیف مادون قرمز میانه درخششی تابناک دارند. این حلقه‌ها نمایانگر مکانی هستند که امکان تشکیل یک سیاره جدید در آن وجود دارد.

امواج مادون قرمز دور ( Far Infrared )

   در امواج مادون قرمز(فروسرخ) دور، همۀ ستاره‌ها ناپدید می‌شوند. در عوض ما می‌توانیم موادی را ببینیم که بسیار سرد هستند (140 درجۀ کلوین و پایین‌تر از آن). ابرهای (توده‌ها) وسیع و سرد از گازها و غبار در منظومۀ شمسی، و حتی به‌وضوح در منظومه‌های مجاور، در این طیف به‌راحتی نمایان می‌شوند.

در برخی از این ابرها (توده‌ها)، ستاره‌هایی که تازه در حال شکل‌گیری هستند، وجود دارند. مشاهدات مادون قرمز دور، می‌توانند پیش‌ستاره‌ها را نمایان کنند، خیلی قبل از اینکه این پیش‌ستاره‌ها، در نور مرئی و در حالیکه منقبض شده‌اند، دیده شوند.

   مرکز کهکشان ما در نور مادون قرمز دور، درخشندگی روشنتری دارد و علت آن وجود لایۀ فشرده و ضخیمی از ستارگانی است که در ابر فشرده‌ای از غبار جا گرفته‌اند. این ستاره‌ها غبار و ابر را گرم کرده و باعث درخشش آن در این نور می‌شوند. تصویر فوق از کهکشان ماست که توسط ماهوارۀ COBE گرفته شده، ترکیبی از طول موج‌های مادون قرمز دور از 60، 100 تا 240 میکرون است.

   بجز در سطح کهکشان ما، اجرام نورانی که در آسمان در طیف مادون قرمز دور دیده می‌شوند، متعلق به منطقه مرکزی کهکشان دیگری است که M82 نامیده می‌شود. هستۀ مرکزی M82 در این طیف، انرژی را از خودش ساتع می‌کند که برابر انرژی ساتع شده از ترکیب همۀ ستارگان در کهکشان ما است. این انرژی برخواسته از غباری است که توسط یک منبع که از نظرها پنهان است، گرم شده است.
هستۀ مرکزی اغلب کهکشان‌ها در نور مادون قرمز دور بسیار درخشان هستند. بسیاری از کهکشان‌ها دارای هستۀ مرکزی فعالی هستند که در منطقه‌ای با چگالی بالا از غبار و ابر پنهان می‌باشند.

   مباحث مربوط به امواج مادون قرمز یا فروسرخ (Infrared) ، کاربردها و سایر ویژگی‌های آن بسیار گسترده می‌باشد. با دنبال کردن مطالب آتی ما، اطلاعات خود را در این زمینه افزایش خواهید داد.