Hiilidioksidin ja vesihöyryn spetriviivojen päällekkäisyys (overlapping): molekyylifysiikkaa

Molekyylifysiikkaa

Jo vuosina 1950 – 1958 geofyysikko Hulburt ja insinööri Callendar olivat väittäneet, että tärkeimmät hiilidioksidin absorptiolinjat eivät sijainneet tarkalleen vesihöyryn spektriviivojen päällä. Kahden päällekkäisen kaistan sijasta oli kaksi sarjaa kapeita viivoja, joissa oli tilaa säteilylle liukua läpi. Joten vaikka ilmakehän alemmissa kerroksissa oleva vesihöyry estäisi kokonaan kaiken säteilyn, jonka hiilidioksidi olisi voinut absorboida, se ei estäisi kaasua vaikuttamasta kylmiin ylempiin kerroksiin. Noissa kerroksissa on joka tapauksessa hyvin vähän vesihöyryä. Siihen aikaan tultiin näkemykseen, ettei voitu laskea vain ilmakehän läpi kulkevan säteilyn absorptiota kokonaisuutena, vaan piti ymmärtää, mitä kussakin kerroksessa tapahtui, mikä oli paljon vaikeampaa laskea.

Ovatko hiilidioksidin ja vesihöyryn sptektriviivat päällekkäisiä vai eivät?

Käsitykseni mukaan, hiilidioksidin ja vesihöyryn spektriviivat eivät yleensä mene infrapuna-alueella merkittävästi päällekkäin. Sekä hiilidioksidilla että vesihöyryllä on erilliset absorptiokaistat sähkömagneettisen spektrin infrapunaosassa, mutta nämä kaistat ovat tyypillisesti riittävän erillisiä, jotta ne voidaan erottaa toisistaan.

Eri molekyylien absorptiospektrit määräytyvät niiden molekyylirakenteiden sekä niiden värähtely- ja pyörimistyyppien perusteella. Vaikka joillakin alueilla hiilidioksidin ja vesihöyryn absorptiokaistat voivat olla lähellä toisiaan, spektroskooppisen analyysin perusteella ne ovat yleensä riittävän erilaisia. ​​

Entä Doppler-ilmiön vaikutus?

Joissakin yhteyksissä on esitetty väitteitä, että Doppler -ilmiö vaikuttaisi hiilidioksidin ja vesihöyryn spektriviivojen muotoon ja leveyteen. Miksi näin?

Doppler-ilmiössä on kysymys ilmiöstä, joka syntyy, kun aaltolähteen ja havaintolaitteen välillä on suhteellista liikettä. Se voidaan havaita erityyppisissä aalloissa, mukaan lukien valoaallot. Doppler-ilmiö aiheuttaa muutoksen havaittuun aaltojen taajuuteen tai aallonpituuteen, riippuen lähteen ja havainnoijan liikkeestä suhteessa toisiinsa.

Spektrilinjojen osalta Doppler-ilmiö johtaa nk. Doppler-laajenemiseen. Tämä laajeneminen johtuu säteilyä lähettävien tai absorboivien atomien tai molekyylien liikkeestä. Jos säteilyä säteilevä kohde liikkuu kohti tarkkailijaa, havaitut aallonpituudet puristuvat (sinisiirtymä). Jos kohde liikkuu poispäin, havaitut aallonpituudet venyvät (punasiirtymä). Tämä liikkeen aiheuttama leveneminen on lisätekijä, joka on otettava huomioon spektrilinjoja analysoitaessa.

Kasvihuonekaasujen, kuten hiilidioksidin ja vesihöyryn yhteydessä Doppler-laajennukset voivat vaikuttaa niiden spektrilinjojen muotoon ja leveyteen. Kuitenkin pääasialliset viivojen muotoon vaikuttavat tekijät ovat molekyylien ominaisuudet ja kaasujen lämpötila. Doppler-laajennuksesta tulee tärkeämpää, kun käsitellään korkeita lämpötiloja, kuten tähtiä tai erittäin kuumia kaasuja, joissa lämpöliike on merkittävää.

Maan ilmakehässä, jossa hiilidioksidi ja vesihöyry absorboivat infrapunasäteilyä, käsitykseni mukaan Doppler-laajeneminen on suhteellisen pientä verrattuna muihin levenemismekanismeihin, kuten paineen ja törmäysten aiheuttamaan levenemiseen. Doppler-laajenemisen kokonaisvaikutus kasvihuonekaasujen spektrilinjoihin maapallon ilmakehässä, on edelleen käsitykseni mukaan yleensä vähäinen.

Ilmakehän paineen muutos ja molekyylien törmäykset

Käytännössä tämä tarkoittaa, että esimerkiksi mesosfäärissä, jossa paine on n. 1/1000 000 verrattuna ilmakehän alempiin kerroksiin, hiilidioksidi -ja vesihöyrymolekyylien vuorovaikutus sähkömagneettisen säteilyn kanssa voi johtaa spektriviivojen muutoksiin. Pienempi paine voi johtaa kapeampiin viivaleveyksiin, koska molekyylien väliset törmäykset vähenevät, minkä seurauksena spektriviivat voivat kokea vähemmän paineen levenemistä, mikä voi johtaa kapeampiin viivoihin.

Absorptio (emissio) viivan muodostuminen

Planckin selitys mustan kappaleen jatkuvista spektreistä perustui ajatukseen käytettävissä olevien energiatasojen kvantisoinnista. Planck selitti onnistuneesti säteilyn luonteen kuumennetuista kiinteistä esineistä, missä mustan ontelon kappaleen säteilijä sen muodosti. Tällainen säteily tuottaa jatkuvia spektrejä ja on osittain ristiriidassa viivaspektrien kanssa. Oikein laajennettuna kvantisoinnin teoria johti kuitenkin myös atomin viivaspektrien ymmärtämiseen. Tarkastellaanpa lyhyesti Bohrin atomimallin kehitystä.

Vuonna 1913 Bohr oletti, että: (a) elektronien kulmamomentti niiden ympyräkiertoradalla ytimen ympärillä on kvantisoitu:

mvr = nh/2π

Missä (m) on elektronin massa, (v) nopeus, (r) säde, (n) kvanttiluku ja (h) Planckin vakio; ja (b) atomit säteilevät (absorboivat) vain, kun elektroni siirtyy energiatilasta toiseen: 

En1 – En2 = hf

Elektronin mekaaninen stabiilisuus pyöreällä kiertoradalla protonin ympäri saadaan Coulombin voimasta, jota keskipakovoima on kompensoi:

e2/r2 = mv2/r

Missä (e) on elektronin varaus. Elektronin (n) :nnen tilan kokonaisenergia saadaan kaavalla:

En = 1/2 mv2 – e2/r = – 2π2 me4/h2 x 1/n2

Siksi esim. vetyspektrin emissio- (absorptio) viivojen taajuus saadaan kaavalla:

f = 2π2 me4/h3 (1/n22 – 1/n12) = K (1/n22 – 1/n12)

Missä K = 3.28 x 1015Hz

Monokromaattista emissiota ei käytännössä koskaan havaita. Energiatasot energiasiirtymien aikana muuttuvat normaalisti hieman atomeihin ja molekyyleihin kohdistuvien ulkoisten vaikutusten sekä päästöjen energiahäviön vuoksi. Tämän seurauksena toistuvien energiasiirtymien aikana emittoituva säteily on ei-monokromaattista ja spektriviivat johtuvat: (1) oskilloivien värähtelyjen vaimenemisesta, joka johtuu emissioenergian häviämisestä (viivojen levenemisen katsotaan tässä tapauksessa olevan normaali); (2) absorboivien molekyylien välisistä törmäyksistä johtuvat häiriöt ja absorboivien ja ei-absorboivien molekyylien välillä; ja (3) Doppler-ilmiö, joka johtuu atomien ja molekyylien lämpönopeuksien eroista. Emission energiahäviöstä johtuva viivojen leveneminen (luonnollinen leveneminen) on käytännössä olematonta verrattuna törmäyksien ja Doppler-ilmiön aiheuttamaan. 

Yläilmakehästä löytyy törmäyslaajenemisen ja Doppler-laajenemisen yhdistelmä, kun taas alemmassa ilmakehässä alle 40 km, törmäyslaajeneminen vallitsee kohonneen paineen vuoksi. 

Yleisesti spektriviivojen oletetaan olevan symmetrisiä keskiaallonpituuden λo suhteen, joka vastaa suurinta absorbointitehoa. Jos kyseessä on symmetrinen viiva, joka on hyvin erotettu absorptiospektrin viereisistä viivoista, viivamuoto voidaan sovittaa Lorentzin muotoon:

kλ = k0 α2 / (λ – λ0)2 + α2

Missä (kλ) on vaimennustehon mitta ja (α) on viivan puolileveys. Puolileveys on siirtymä viivan keskipisteestä aallonpituuteen, jossa kλ = k0 /2. Tällaisessa yksittäisessä spektriviivassa absorboiva teho lähestyy asymptoottisesti nollaa linjan siipien etäisyyden kasvaessa keskustasta. Yleisesti ottaen absorbointiteho ei kuitenkaan muutu nollaksi rivien välillä monien päällekkäisten viivojen vaikutusten vuoksi.

Eli kuinka tarkkoihin laskelmiin ja analyyseihin pitäisi mennä, että hiilidioksidi -ja vesihöyrymolekyylien aborbtioviivojen päällekkäisyys johtaisi siihen, ettei yläilmakehässä vaikuttaisi yksikään hiilidioksidimolekyyli, eikä niihin osunut infrapunafotoni. 

Molekyylifysiikassa jokainen molekyyli (tässä tapauksessa hiilidioksidimolekyyli) absorboi infrapunafotonin ja emittoi uuden fotonin. Kun hiilidioksidimolekyyli absorboi infrapunafotonin, se siirtyy korkeamman energian värähtelytilaan. Absorboituneen fotonin energia liittyy molekyylin alku- ja loppuvärähtelytilan väliseen energiaeroon.

Absorptioprosessissa absorboituneen fotonin energia edistää molekyylin alhaisempaa värähtelytilaa korkeampaan. Absorboituneen fotonin aallonpituus (tai taajuus) vastaa näiden kahden tilan välistä energiaeroa Planckin yhtälön antaman suhteen mukaisesti: 

E = hν

Missä E on energia, h on Planckin vakio ja ν on taajuus

Kun hiilidioksidimolekyyli käy läpi värähtelysiirtymän ja lähettää infrapunafotonin, se vapauttaa energiaa palatessaan alhaisempaan värähtelytilaan. Emittoituneen fotonin aallonpituus liittyy korkeamman ja matalamman värähtelytilan väliseen energiaeroon.

On tärkeää huomata, että tietyn molekyylin absorptio- ja emissioaallonpituudet eivät yleensä ole täsmälleen samat. Tämä johtuu tekijöistä, kuten lämpötilasta, paineesta ja ympäröivästä molekyyliympäristöstä, jotka voivat vaikuttaa tarkkaan energiatasoon ja siten aallonpituuksiin. Absorptio- ja emissiospektrit ovat kuitenkin yleensä keskittyneet tiettyjen ominaistaajuuksien ympärille, jotka liittyvät molekyylin värähtelymuotoihin.

Ilmakehässä olevan hiilidioksidin ja vesihöyryn pitoisuus ja jakauma

Hiilidioksidin ja vesihöyryn pitoisuus ja jakautuminen ilmakehässä vaihtelee korkeuden ja sijainnin mukaan.

Hiilidioksidi

Hiilidioksidi on kasvihuonekaasu, jolla on merkittävä rooli maapallon ilmaston säätelyssä.

Sen pitoisuus on kasvanut tasaisesti ihmisen toiminnan, kuten fossiilisten polttoaineiden polton ja metsien hävittämisen seurauksena. Tällä hetkellä ilmakehän hiilidioksidi-pitoisuus on noin 420 ppm eli 0.0420 tilavuus-%.

Hiilidioksidi on suhteellisen hyvin sekoittunut ilmakehässä, mikä tarkoittaa, että sen pitoisuus on melko tasainen vaakatasossa, mutta vaihtelee korkeuden funktiona.

Vesihöyry

Vesihöyry on ilmakehän yleisin kasvihuonekaasu, mutta sen pitoisuus vaihtelee suuresti sijainnin, korkeuden ja sääolosuhteiden mukaan. Maan pinnan lähellä, erityisesti kosteilla alueilla, vesihöyrypitoisuudet voivat olla melko korkeita, usein 1-4 tilavuus-%.

Vesihöyrypitoisuudet kuitenkin laskevat nopeasti korkeuden funktiona, ja yläilmakehässä sen pitoisuus on huomattavasti pienempi. Vesihöyry on myös hyvin vaihteleva tilassa ja ajassa sen lyhyen ilmakehässä olevan viipymisajan mukaan ja veden kiertokulun dynaamisen luonteen vuoksi.

Kaiken kaikkiaan, vaikka sekä hiilidioksidi että vesihöyry ovat tärkeitä kasvihuonekaasuja, hiilidioksidilla on taipumus jakautua tasaisemmin kaikkialla ilmakehässä, kun taas vesihöyryn pitoisuudet vaihtelevat suuresti sekä alueellisesti että ajallisesti.

Tähän loppuun voisi todeta, että EU:n ilmastopalvelu Copernicuksen mukaan kulunut vuosi rikkoi 1.5 asteen lämpenemisrajan joka kuukausi.

HannuSinivirta
Sitoutumaton Helsinki

FMI

el. vanh. tut. (elektr. ins. fysiikka)
.

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu