ElektromanyetizmaAstronomiFizikPopüler Bilim

Elektromanyetik Dalgalar: Kızılötesi (İnfrared) Nedir?

Kızılötesi (infrared) ışınlar gündelik hayatımızda birçok yerde karşımıza çıkar. Televizyonda kanal değiştirmek için kullandığımız kumandadan çıkan ışık kızılöte dalga boyuna sahiptir. Keza insanların sıcaklığına göre ölçüm yapan termal kameralar ve termometreler de kızılöte dalga boyunu kullanır.

Kızılöte ışınlar, elektromanyetik spektrumda görünür bölge ile mikrodalga arasında yer alır. Bu nedenle gözümüz tarafından görülmezler. Fakat tıpkı görünür bölgede gözle gördüğümüz renkleri oluşturan fotonlar gibi, onlar da bir elektromanyetik radyasyondur ve birer fotondur. Dolayısıyla kızılötesi ışınlar da ışık hızıyla yayılır. Tıpkı elektromanyetik spektrumun diğer bölgeleri olan gama ışınları, X-ışınları, moröte (UV), görünür bölge, mikrodalga ve radyo dalgaları gibi.

Çıplak gözle kızılötesini (infraredi) göremeyiz. Lakin yakın kızılöte, telefon kameraları tarafından görülebilir.

Cep telefonu kameralarının, web kameralarının veya başka bir kameranın kızılötesini görebilmesinin nedeni sensörlerinin bu bölgeye olan duyarlılığıdır. Biz gözümüzle bu bölgeyi görmediğimiz için, kameraların görüntüsünden genellikle çıkarmak isteriz. Böyle durumlarda sensörün önüne bu dalga boylarını kesen bazı filtreler konulur.

Elektromanyetik Spektrum

Kızılötesinin (infraredin) ne olduğunu anlamak için elektromanyetik spektrumun ne olduğunu anlamak gerekir. Gözümüzle gördüğümüz ve görsel bölge olarak adlandırığımız görünür ışık dahil olmak üzere; gama ışını, X-ışını, moröte, kızılöte, mikrodalga ve radyo dalgaları temelde yalnızca fotonlardır. Tek fark bu fotonların enerjisi, dolayısıyla frekansıdır.

Bazen radyo dalgaları, gibi elektromanyetik spektrumun bazı bölgeleri, ses dalgası veya başka bir şeymiş gibi düşünülebiliyor. Fakat bu yanlıştır ve hepsi fotonlardan oluşan elektromanyetik dalgalardır. Ses dalgası gibi mekanik dalgalar değil. Dolayısıyla hepsi boşlukta yayılabilir.

Elektromanyetik dalga Dalga boyu Frekans Foton enerjisi
Gama ışını < 0.02 nm > 15 EHz > 62.1 keV
X-ışını 0.01 nm – 10 nm 30 EHz – 30 PHz 124 keV – 124 eV
Moröte (UV) 10 nm – 400 nm 30 PHz – 750 THz 124 eV – 3 eV
Görsel bölge 390 nm – 750 nm 770 Thz – 400 THz 3.2 eV – 1.7 eV
Kızılöte (IR) 750 nm – 1 mm 400 THz – 300 GHz 1.7 eV – 1.24 meV
Mikrodalga 1 mm – 1 m 300 GHz – 300 MHz 1.24 meV – 1.24 µeV
Radyo dalgaları 1 m – 100 km 300 MHz – 3 kHz 1.24 µeV – 12.4 feV
Bu aralıklar aslında birer tanımlama olduğundan, başka yerlerde ufak farklılıklar görebilirsiniz. Tablo: Wikipedia

Kızılötesi ışınların dalga boyu 750 nanometre ile 1 milimetre arasındadır. Bu aralık kabaca 400 THz ile 300 GHz aralığına yani 1.7 eV ile 1.24 meV aralığına denk düşer.

Kızılötesi Nedir?

Kızılötesinin Keşfi

1800 yılında astronom William Herschel, Güneş’ten gelen ışığı prizma aracılığıyla dalga boylarına ayıran bir deney düzeneği ayarladı. Her bir rengi ayrı bir yarıktan geçirerek bağımsız olarak parlaklıklarını ve termometrede neden oldukları sıcaklıkları ölçtü.

O dönemde ekipman ve bilimsel birikim eksikliği, günümüzde böyle bir deneyin birçok noktadan sorgulanmasına neden olacak durumda olsa da Herschel’in bulduğu sonuçlar son derece şaşırtıcıydı ve onu kızılötesinin keşfine yönlendirdi. Gözüyle yaptığı tahminlerle en parlak rengin sarı ve yeşil arası bir tonda olduğunu fark etti. Bu durum, Güneş’in spektrumuna baktığımızda da gerçekten yaklaşık olarak böyledir.

herschel kızılötesi infrared deney düzeneği
William Herschel’in 1800’lü yılların başında kurduğu, onu kızılötesinin keşfine götüren deney düzeneği.

İlginç olan sıcaklık ölçümüydü. Sıcaklık dağılımında bir zirve oluşmasını, yani bir çıkış ardından bir düşüş olmasını beklerken, kırmızıya gidildikçe olan bir artışı gözlemledi. Bu da onu, acaba kırmızının da ötesinde bir şeyler mi var düşüncesine sürüklemeye yetecekti. Böylelikle yaptığı ardışık deneylerle kızılöte bölgenin varlığı keşfedilmiş oldu.

Normalde kırmızı ve kızılöte, mavi bölgeye göre frekansı düşük yani dolayısıyla enerjisi düşük bir bölgedir. Elbette o dönemlerde fotonların enerjileri ve frekans ilişkileri bilinmiyordu. Dolayısıyla bu sıcaklık artışını Herschel ısıtıcı ışınım (radiant heat) olarak yorumlamıştı. Günümüzde kızılöte ısıtıcılar (infrared ısıtıcılar) sebebiyle hala kızılötenin, diğerlerine göre böyle bir farkı olduğu yanılgısı hakimdir.

Aslında kızılöte görünür ışığa göre daha düşük enerjilidir ve daha az ısıtması beklenir, çünkü daha az enerji taşır. Fakat infrared ısıtıcılar ışımalarının büyük bir bölümünü, sıcaklıkları dolayısıyla kızılöte bölgede daha fazla yapar. Bu durum kara cisim ışımasıyla alakalıdır ve ısınan bir cismin neden önce kırmızı göründüğü bu durumla açıklanır.

Yani yaygın kanının aksine sadece kızılöte ısıtmaz, diğer bölgeler de taşıdıkları ve aktardıkları enerji dolayısıyla aynı etkiye sahiptir. Fakat bu enerji bazı durumlarda farklı etkilere neden olabilir.

Kızılötenin Alt Grupları

Elektromanyetik spektrumu her ne kadar kendi içerisinde gruplara ayırsak da bu gruplar da kendi içlerinde bazı karakteristik özelliklerine göre alt gruplara ayrılmaktadır.

Alt grup Kısaltmalar Dalga boyu Frekans Foton enerjisi Sıcaklık Karakteristik
Yakın kızılöte (near infrared) NIR, IR-A 0.75 – 1.4 μm 214 – 400 THz 886 – 1,653 meV 3,864 – 2,070 K (3,591 – 1,797 °C) Atmosferdeki su buharının soğurulmasının kayda değer bir bölümü gerçekleşir. Ayrıca telekomünikasyonda kullanılan fiber optikler SiO2 camdaki düşük kayıp nedeniyle bu aralık tercih edilir. Gece görüş kameraları ve yakın kızılöte spektroskopi de bu aralığı kullanır.
Kısa kızılöte (short-wavelength infrared) SWIR, IR-B 1.4 – 3 μm 100 – 214 THz 413 – 886 meV 2,070 – 966 K (1,797 – 693 °C) Su tarafından soğurulması 1,450 nm civarında belirgin bir şekilde artar. Uzun mesafe iletişiminde 1,530 ile 1,560 nm arası baskın bölgedir.
Orta kızılöte (mid-wavelength infrared) MWIR, IR-C 3 – 8 μm 37 – 100 THz 155 – 413 meV 966 – 362 K (693 – 89 °C) Isı güdümlü, yönlendirilmiş füze teknoloji 3 – 5 μm aralığını kullanır. Termal kızılöte aralığı olarak da bilinir.
Uzun kızılöte (long-wavelength infrared) LWIR, IR-C 8 – 15 μm 20 – 237 THz 83 – 155 meV 362 – 193 K (83 – -80 °C) Bu bölge de termal kızılöte bölgesi olarak bilinir ve termal görüntüleme teknolojileri bu aralığı hedef alır. Oda sıcaklığındaki cisimlerin sıcaklık farklarının herhangi bir aydınlatma olmada ayırt edilmesi mümkündür.
Uzak kızılöte (far infrared) FIR 15 – 1,000 μm 0.3 – 20 THz 1.2 – 83 meV 193 – 3 K (-80 – -270.15 °C) Bazı lazerler ki bunlara uzak kızılöte lazerler (ya da terahertz lazerler) denir, bu bölgede çalışır.
Tablo verileri: Wikipedia

Kızılötesinin Özellikleri (Uygulamaları)

Her cisim sıcaklığından ötürü bir ışıma yapar (bkz. Kara cisim ışıması). Isınan bir sobanın önce kızarması bu nedenledir. Cisim daha fazla ısınırsa beyaza çalan, daha da ısınırsa maviye çalan bir renge bürünür. Bu nedenle çok sıcak olan yıldırımlar mavidir (bkz. Isınan demir neden kızarır). Kara cisim ışımasının doğası gereğince, gündelik hayatta tecrübe ettiğimiz 30°C gibi sıcaklıklar en çok kızılöte bölgede ışıma yapar.

Bazı gece görüş gözlükleri ve termal kameralar bu ışımayı ayırt edecek şekilde dizayn edilmişlerdir. Bu nedenle insanlar, vücut sıcaklıkları dolayısıyla yaydıkları kızılöte ışıma sayesinde, termal bir kamerada soğuk bir arkaplana göre ayırt edici bir şekilde görünebilir. Bu kameralardaki renklendirme tamamen yapay bir renklendirmedir. Aşağıdaki termal kamera görselinde soğuk bölgelere keyfi olarak mavi renk atanmış, sıcaklara ise kırmızı-beyaz renk atanmıştır. Bunu başka kameralarda başka şekillerde görebilirsiniz, bazıları tamamen siyah tonlama olduğu gibi bazıları mor tonlarını tercih edebilir.

kızılöte kamera infrared kamera termal kamera görüntüsü
Kızılötesi ışın yayınlayan insan vücudunun termal kamera görüntüsü.

Kızılöte görüş özelliği olan kameralar ile termal kameralar karıştırılmamalıdır. Bu tür kameralar çoğunlukla önlerinde kızılöte bir ışık barındırır ve nesneden yansıyan kızılöte ışımayı gözler. Dolayısıyla karanlıkta görebilirsiniz. Çünkü aslında kızılöte için karanlık değil, gözlerimiz için karanlıktır ve kamera bunu görebilir.

Astronomide Kızılöte

Çoğu gök cismi, yapılarından ötürü soğuk ve sönük yapıdadır yani görünür bölgede görünmezler. Ancak kızılöte gözlemler sayesinde gezegenler, nispeten soğuk yıldızlar ve bulutsular hakkında oldukça fazla bilgi edinmek mümkündür.

Kızılötesi ışınların enerjileri, görünür bölgedekilerden daha düşük olduğu için uzaydaki toz ve gaz bulutlarının arasından daha rahat bir biçimde geçebilirler. Aşağıdaki görselde Carina bulutsusunun görünür bölge ve kızılöte bölge gözlemlerine bakarsak, yoğun gaz bulutlarının çoğu yıldızın (görünür) ışığını engellediğini ve bunun kızılötesi ile nasıl açık hale geldiğini görebiliriz.

Carina bulutsusu kızılöte görünür bölge
Carina bulutsusu. Solda optik teleskop ile görünür bölge, sağda ise kızılötesi görüntüsü verilmiştir.

Atmosferik Soğurma

Bazı yoğun yıldızlararası ortamlar aynı zamanda çoğunlukla yeni yıldız oluşum bölgeleridir. Gaz ve toz bulutunun görünür ışığı kesmesi bir yana, oluşmakta olan yıldızın sıcaklığı da düşük olduğundan bu tür gözlemleri kızılöte teleskopla yapmak gerekir. Kızılöte ışınlar atmosferimiz tarafından ne yazık ki çok etkilenir, bu nedenle bu teleskoplar ya yüksek rakımlı yerlere kurulur ya da doğrudan yörüngeye fırlatılan uzay teleskopları tercih edilir.

Atmosferin kızılötesini soğurması ise çoğunlukla su buharı, karbondioksit ve metan gibi sera gazı etkisi yapan bileşenlerden kaynaklanmaktadır. Dünya gezegeni sıcaklığından ötürü tıpkı insanlar gibi sahip olduğu enerjinin kayda değer bir kısmını kızılöte ışıma yaparak uzaya saçar. Fakat bu gazların varlığının artması bu ışımanın da atmosfer tarafından soğurularak hapsedilmesi, Dünya’nın daha fazla ısınması demektir. Bu nedenle bu gazlara sera gazı denir.

Venüs, Merkür’e göre Güneş’ten neredeyse iki kat uzakta olsa da Güneş sisteminin en sıcak gezegenidir ve bunun nedeni sera gazlarıdır.

Dünya yüzeyindeki orman yangınları veya lav hareketleri gibi ısı kaynakları da kızılötesi ile uydulardan saptanabilmektedir. Bulutlar da kızılötesi altında daha fazla özelliklerini ortaya çıkartır. Bu nedenle hava tahmininde de kullanılırlar.

Bitkilerde Kızılöte

Çoğu cisim kızılötesi ışın yayınlar ancak bazıları da yansıtır. Sağlıklı bir bitki örtüsünde klorofil üretimi ve fotosentez için temel yakıt, görünür bölgedeki mavi ve kırmızı ışığın soğurulmasıdır. Bu durum farklı tipteki klorofil pigmentlerinin özelliklerinden kaynaklanır ve mavi dalga boyu ile kırmızı dalga boyunun bitkinin metabolik süreçlerinde farklı etkileri bulunmaktadır (fotomorfogenez). Çoğu bitki görünür bölgede en çok yeşil dalga boyunu yansıttığı için yeşil görünür (bkz. Kloroplastlar).

Yaygın bir yanlış kanı, bitkilerin yeşil ışığı kullanmadığı yönündedir. Fakat bitki gelişiminde yeşil ışığın da önemli etkisi vardır ve bitki yeşil ışığın tamamını yansıtmaz.

Diğer yandan bitkiler klorofil miktarlarına göre üzerlerine gelen kızılötesi ışınları da yansıtırlar. Yani bir bitkinin ışığı soğurma ve yansıtması, görünür bölgede olduğu kadar kızılötesi bölgede de çalışılmaktadır. Keza yakın moröte de bitkilerin yetiştirilmesi kullanılmaktadır. Günümüzde bu bilimsel birikimler sayesinde, daha verimli bir şekilde sebze ve meyve yetiştirilmektedir.

1404LFW04f2
Klorofili fazla olan bitki daha fazla kızılötesi, daha az görünür bölgede yansıtma yapar. Az olan bitkide ise durum bunun tam tersidir.

Hazılayan: Emir Haliki
Geliştiren: Ögetay Kayalı
Editör: Ögetay Kayalı

Referanslar

1. NASA, Infrared Waves, <https://science.nasa.gov/ems/07_infraredwaves>
2. HowStuffWorks, Thermal Imaging, <http://electronics.howstuffworks.com/thermal-imaging.htm>
3. AmericanScientist, Herschel and the Puzzle of Infrared, <https://www.americanscientist.org/article/herschel-and-the-puzzle-of-infrared>

Kapak görseli: @arrivipartenzeit via Twenty20

Emir Haliki

Ege Üniversitesi Fen Fakültesi - Fizik Bölümünde Doktor Araştırma Görevlisi. Ağ bilimi, astrobiyoloji, genetik düzenlenme mekanizmaları, karmaşık sistemler ve astronomik cisimler çalışma alanı. Aynı zamanda matematik ve sayısal çözümleme de ilgi alanları. Bunların yanında amatör olarak, gözlemsel astronomi, doğa yürüyüşleri, satranç ve robotik kodlama ile ilgileniyor.

Ögetay Kayalı

Rasyonalist kurucu, editör ve kıdemli yazar. NASA'nın APOD platformunda görevli olmak üzere, Michigan Tech. Üniversitesinde araştırma görevlisi olarak Astrofizik üzerine doktora yapmaktadır. Ege Üni. Astronomi ve Uzay Bilimleri Bölümünden birincilikle mezun olduktan sonra bir yıl kozmoloji üzerine yüksek lisans, ardından bir yıl da İzmir Uluslararası Biyotıp ve Genom Merkezinde Moleküler Biyoloji ve Genetik üzerine yüksek lisans yapmıştır.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Back to top button

Destek Olun!

Bilimi yaymamızdaki tek destekçimiz sizlersiniz.

Sizlerden gelecek ufak katkılar, birleşerek çok daha fazlasını yapmamıza yardımcı olabilir.