miniatura|350x350px|Espectre d'absorció (coeficient d'atenuació vs. longitud d'ona) d'aigua líquida (vermell), vapor d'aigua atmosfèric (verd) i gel (línia blava) entre 667 nm i 200 μm. El gràfic del vapor és una transformació de dades de l'espectre sintètic per a la mescla de gasos H2O pura (296K, 1 atm) recuperat de Hitran al sistema d'informació web. L'absorció de la radiació electromagnètica per l'aigua depèn de l'estat de l'aigua.

L'absorció en fase gasosa es produeix en tres regions de l'espectre. Les transicions rotacionals són responsables de l'absorció en el microones i l'infraroig llunyà, i de les transicions vibracionals en l'infraroig mitjà i l'infraroig proper. Les bandes vibracionals tenen una estructura fina rotacional. Les transicions electròniques es produeixen a les regions ultraviolades del buit. miniatura|350x350px|Espectre d'absorció d'aigua líquida en un ampli rang de longituds d'ona La seva feble absorció en l'espectre visible dóna com a resultat el color blau pàl·lid de l'aigua.

Visió general La molècula d'aigua, en estat gasós, té tres tipus de transició que poden donar lloc a l'absorció de la radiació electromagnètica:

Transicions rotacionals, en què la molècula guanya un quàntum d'energia rotacional. El vapor d'aigua atmosfèric a temperatura i pressió ambients dóna lloc a l'absorció a la regió de l'infraroig llunyà de l'espectre, des d'uns 200 cm−1 (50 μm) a longituds d'ona més llargues cap a la regió de microones. Transicions vibracionals en què una molècula guanya un quàntum d'energia vibracional. Les transicions fonamentals donen lloc a l'absorció en l'infraroig mitjà a les regions al voltant de 1650 cm−1 (banda μ, 6 μm) i 3500 cm−1 (anomenada banda X, 2,9 μm) Transicions electròniques en què una molècula es promou a un estat electrònic excitat. La transició d'energia més baixa d'aquest tipus es produeix a la regió ultraviolada del buit.

En realitat, les vibracions de les molècules en estat gasós van acompanyades de transicions rotacionals, donant lloc a un espectre de vibració-rotació. A més, a la regió de l'infraroig proper es produeixen sobretons vibracionals i bandes combinades. La base de dades d'espectroscòpia HITRAN enumera més de 37.000 línies espectrals per a gasos H216O, que van des de la regió de microones fins a l'espectre visible.

En aigua líquida, les transicions rotacionals s'aturen de manera efectiva, però les bandes d'absorció es veuen afectades pels enllaços d'hidrogen. En el gel cristal·lí, l'espectre vibracional també es veu afectat pels enllaços d'hidrogen i hi ha vibracions de xarxa que causen absorció en l'infraroig llunyà. Les transicions electròniques de les molècules gasoses mostraran una estructura fina tant vibracional com rotacional.

Unitats Les posicions de la banda d'absorció infraroja es poden donar en longitud d'ona (normalment en micròmetres, μm) o en nombre d'ona (normalment en centímetres recíprocs, cm−1).

Espectre rotacional miniatura|250x250px|Part de l'espectre d'absorció de rotació pura del vapor d'aigua esquerra|miniatura|Molècula d'aigua en rotació La molècula d'aigua és una superfície asimètrica, és a dir, té tres moments d'inèrcia independents. La rotació al voltant de l'eix de simetria doble s'il·lustra a l'esquerra. A causa de la baixa simetria de la molècula, es pot observar un gran nombre de transicions a la regió de l'infraroig llunyà de l'espectre. Les mesures dels espectres de microones han proporcionat un valor molt precís per a la longitud d'enllaç O-H, 95,84 ± 0,05 pm i l'angle d'enllaç H-O-H, 104,5 ± 0,3°.

Espectre vibracional

La molècula d'aigua té tres vibracions moleculars fonamentals. Les vibracions d'estirament O-H donen lloc a bandes d'absorció amb orígens de bandes a 3657 cm−1 (ν1, 2.734 μm) i 3756 cm−1 (ν3, 2.662 μm) en fase gasosa. La vibració d'estirament asimètrica, de simetria B2, en el grup de punts C2v és una vibració normal. L'origen del mode de flexió H–O–H es troba a 1595 cm−1 (ν2, 6.269 μm). Tant les vibracions d'estirament simètriques com les de flexió tenen simetria A 1, però la diferència de freqüència entre elles és tan gran que la barreja és efectivament zero. En la fase gasosa, les tres bandes mostren una extensa estructura fina rotacional. En l'espectre de l'infraroig proper, ν3 té una sèrie de sobretons a nombres d'ona una mica inferiors a n·ν3, n = 2, 3, 4, 5... Les bandes combinades, com ara ν2 + ν3, també s'observen fàcilment a la regió de l'infraroig proper. La presència de vapor d'aigua a l'atmosfera és important per a la química atmosfèrica, especialment perquè els espectres d'infraroig i infraroig proper són fàcils d'observar. Els codis estàndard (òptics atmosfèrics) s'assignen a les bandes d'absorció de la manera següent. 0,718 μm (visible): α, 0,810 μm: μ, 0,935 μm: ρστ, 1,13 μm: φ, 1,38 μm: ψ, 1,88 μm: Ω, 2,68 μm: X. La banda infraroja de la Terra defineix l'atmosfera entre l'atmosfera.

L'espectre infraroig de l'aigua líquida està dominat per la intensa absorció deguda a les vibracions fonamentals d'estirament O-H. A causa de l'alta intensitat, es necessiten longituds de camí molt curtes, normalment inferiors a 50 μm, per enregistrar els espectres de solucions aquoses. No hi ha cap estructura fina rotacional, però les bandes d'absorció són més amples del que es podria esperar, a causa dels enllaços d'hidrogen. Els màxims màxims per a l'aigua líquida s'observen a 3450 cm−1 (2,898 μm), 3615 cm−1 (2,766 μm) i 1640 cm−1 (6,097 μm). La mesura directa dels espectres infrarojos de solucions aquoses requereix que les finestres de les cubetes estiguin fetes de substàncies com el fluorur de calci, que són insolubles en aigua. Aquesta dificultat es pot superar alternativament mitjançant un dispositiu de reflectància total atenuada (ATR) en lloc de transmissió.

En l'infraroig proper, l'aigua líquida té bandes d'absorció al voltant de 1950 nm (5128 cm−1), 1450 nm (6896 cm−1), 1200 nm (8333 cm−1) i 970 nm, (10300 cm−1). Les regions entre aquestes bandes es poden utilitzar en espectroscòpia d'infraroig proper per mesurar els espectres de solucions aquoses, amb l'avantatge que el vidre és transparent en aquesta regió, de manera que es poden utilitzar cubetes de vidre. La intensitat d'absorció és més feble que per a les vibracions fonamentals, però això no és important, ja que es poden utilitzar cubetes de longitud de camí més llarga. La banda d'absorció a 698 nm (14300 cm−1) és un tercer sobretò (n=4). Desenvolupa cap a la regió visible i és responsable del color blau intrínsec de l'aigua. Això es pot observar amb un espectrofotòmetre UV/vis estàndard, utilitzant un 10 cm de longitud de recorregut. El color es pot veure a ull nu mirant a través d'una columna d'aigua d'uns 10 m de longitud; l'aigua s'ha de passar per un ultrafiltre per eliminar el color degut a la dispersió de Rayleigh, que també pot fer que l'aigua sembli blava.

L'espectre del gel és similar al de l'aigua líquida, amb màxims màxims a 3400 cm−1 (2,941 μm), 3220 cm−1 (3,105 μm) i 1620 cm−1 (6,17 μm)

Tant en cúmuls d'aigua líquida com en cúmuls de gel, es produeixen vibracions de baixa freqüència, que impliquen l'estirament (TS) o la flexió (TB) dels enllaços d'hidrogen intermoleculars (O–H•••O). Les bandes a longituds d'ona λ = 50–55 μm o 182–200 cm−1 (44 μm, 227 cm−1 en gel) s'han atribuït a TS, estirament intermolecular, i 200 μm o 50 cm−1 (166 μm, 60 cm−1 en gel), a TB, flexió intermolecular.

Regió visible Longituds d'ona predites dels sobretons i les bandes combinades de l'aigua líquida a la regió visible ν1, ν3ν2longitud d'ona /nm40742416625060551550605146147470449714188040181376 Els coeficients d'absorció per a 200 nm i 900 nm són gairebé iguals a 6,9 m−1 (longitud d'atenuació de 14,5 cm). S'ha mesurat una absorció de llum molt feble, a la regió visible, per part de l'aigua líquida mitjançant un mesurador d'absorció de cavitat integradora (ICAM). L'absorció es va atribuir a una seqüència de bandes d'harmònies i combinacions la intensitat de les quals disminueix a cada pas, donant lloc a un mínim absolut a 418 nm, longitud d'ona a la qual el coeficient d'atenuació és d'uns 0,0044 m−1, que és una longitud d'atenuació d'uns 227 metres. Aquests valors corresponen a una absorció pura sense efectes de dispersió. L'atenuació, per exemple, d'un feix làser seria lleugerament més forta. cap|miniatura|350x350px|Espectre d'absorció de llum visible d'aigua pura ( coeficient d'absorció vs. longitud d'ona)

Espectre electrònic Les transicions electròniques de la molècula d'aigua es troben a la regió ultraviolada del buit. Per al vapor d'aigua, les bandes s'han assignat de la manera següent.

65 nm de banda — moltes transicions electròniques diferents, fotoionització, fotodissociació característiques discretes entre 115 i 180 nm conjunt de bandes estretes entre 115 i 125 nm Sèrie de Rydberg: 1b1(n2) → molts estats de Rydberg diferents i 3a1(n1) → 3sa1 estat de Rydberg 128 nm de banda Sèrie de Rydberg: 3a1(n1) → 3sa1 estat de Rydberg i 1b1(n2) → 3sa1 estat de Rydberg 166,5 nm de banda 1b1(n2) → 4a1 (orbital de tipus σ1*)

Microones i ones de ràdio L'aigua líquida té un ampli espectre d'absorció a la regió de microones, cosa que s'ha explicat en termes de canvis a la xarxa d'enllaços d'hidrogen que donen lloc a un ampli espectre de microones sense característiques. L'absorció (equivalent a la pèrdua dielèctrica) s'utilitza en forns microones per escalfar aliments que contenen molècules d'aigua. Una freqüència de 2,45 GHz, longitud d'ona 122 mm, s'utilitza habitualment.

La radiocomunicació a freqüències de GHz és molt difícil en aigües dolces i encara més en aigües salades.

Efectes atmosfèrics miniatura|350x350px|Espectre d'absorció sintètic en barra d'una mescla de gasos simple corresponent a la composició de l'atmosfera terrestre basat en dades HITRAN creades amb el sistema Hitran on the Web. Color verd: vapor d'aigua, WN: nombre d'ona (precaució: longituds d'ona més baixes a la dreta, més altes a l'esquerra). La concentració de vapor d'aigua per a aquesta mescla de gasos és del 0,4%. El vapor d'aigua és un gas d'efecte hivernacle a l'atmosfera terrestre, responsable del 70% de l'absorció coneguda de la llum solar entrant, particularment a la regió infraroja, i d'aproximadament el 60% de l'absorció atmosfèrica de la radiació tèrmica per la Terra coneguda com a efecte hivernacle. També és un factor important en les imatges multiespectrals i hiperespectrals utilitzades en la teledetecció perquè el vapor d'aigua absorbeix la radiació de manera diferent en diferents bandes espectrals. Els seus efectes també són una consideració important en l'astronomia infraroja i la radioastronomia a les bandes de microones o ones mil·limètriques. El telescopi del Pol Sud es va construir a l'Antàrtida en part perquè l'elevació i les baixes temperatures allà fan que hi hagi molt poc vapor d'aigua a l'atmosfera.

De la mateixa manera, les bandes d'absorció de diòxid de carboni es produeixen al voltant de 1400, 1600 i 2000 nm, però la seva presència a l'atmosfera terrestre només representa el 26% de l'efecte hivernacle. El diòxid de carboni absorbeix energia en alguns petits segments de l'espectre infraroig tèrmic que el vapor d'aigua no arriba. Aquesta absorció addicional dins de l'atmosfera fa que l'aire s'escalfi una mica més i com més càlida sigui l'atmosfera, més gran serà la seva capacitat per contenir més vapor d'aigua. Aquesta absorció addicional de vapor d'aigua millora encara més l'efecte hivernacle de la Terra.

A la finestra atmosfèrica entre aproximadament 8000 i 14000 nm, en l'espectre de l'infraroig llunyà, l'absorció de diòxid de carboni i aigua és feble. Aquesta finestra permet que la major part de la radiació tèrmica d'aquesta banda s'irradiï a l'espai directament des de la superfície de la Terra. Aquesta banda també s'utilitza per a la teledetecció de la Terra des de l'espai, per exemple amb imatges d'infrarojos tèrmics.