Wenn ein Treibhausgasmolekül ein Photon langwelliger Infrarotstrahlung absorbiert, wird es in den nächsten zulässigen Schwingungszustand versetzt. Der Schwingungszustand beinhaltet, wie ich ihn verstehe, Verformungen der chemischen Bindungen zwischen den Atomen. Stellt dieser höhere Quantenschwingungszustand eine Temperaturänderung dar? Erwärmt die Absorption von IR direkt die Atmosphäre? In einer Antwort in diesem Forum schrieb Floris:
„Es gibt jedoch auch Absorptionsbanden im nahen IR bei 1,4, 1,9, 2,0 und 2,1 µm (siehe Kohlendioxidabsorption im nahen Infrarot). Diese Bänder absorbieren Sonnenenergie „auf dem Weg nach unten“ und resultieren daraus bei atmosphärischer Erwärmung."
Das impliziert, dass die Absorption eines Teils der Strahlung die Atmosphäre direkt erwärmt. Ist das wahr?
Ein Teil des Problems ist, dass ich nicht verstehe, wie verschiedene Materialien / Medien durch elektromagnetische Strahlung erwärmt werden. Ich verstehe das Konzept, dass Treibhausgasmoleküle nur von Photonen angeregt werden, die der Energielücke zwischen den zulässigen Quantenzuständen des Moleküls entsprechen. Ich verstehe die Kollisionsverbreiterung von Absorptionsbändern auch in gewisser Weise darin, dass sie in gewisser Weise in Verbindung mit der Kollision geschehen und die Tatsache ausnutzen muss, dass Kollisionsenergie (kinetische Energie) nicht quantisiert wird. Aber ich finde keine grundlegenden Erklärungen dafür, wie verschiedene Teile des Sonnenspektrums die verschiedenen Medien der Erdoberfläche anregen, um eine Erwärmung zu verursachen.
Das ist jedoch mehr Hintergrundwissen, obwohl ich am Ende gerne mehr Verständnis dafür gewinnen würde, was bei diesem Prozess auf atomarer und molekularer Ebene passiert. Meine Hauptfrage ist die genannte: Erwärmt die molekulare Absorption von Strahlung direkt die Atmosphäre?
Wie aus dem Link hervorgeht, den Rob in den Kommentaren zu Ihrer Frage gepostet hat, zählt bei einer strengen Definition der Temperatur die Rotations- / Vibrationsenergie angeregter Gasmoleküle genauso viel wie die Translationsenergie ihrer Bewegung. Also ja, die Temperatur der Luft steigt per Definition einfach durch die Absorption von IR-Strahlung.
Aber betrachten wir das Geschehen etwas genauer: Ein einzelnes CO2-Molekül nimmt ein Photon auf und gibt es nach einer gewissen Zeit wieder ab. In einem Gas, das aus vielen CO2-Molekülen besteht, kollidiert ein einzelnes Molekül mit anderen Molekülen; die durchschnittliche Zeit zwischen diesen Kollisionen ist, zumindest unter den Bedingungen der unteren Atmosphäre, viel kürzer als die durchschnittliche Zeit zwischen Absorption und Reemission. Wenn ein angeregtes Molekül auf ein anderes trifft, kann dies zu einer Umwandlung der Rotations-/Vibrationsenergie in Translationsenergie führen und das Molekül wird sich schneller bewegen, dh es kommt zu einer Thermalisierung und das Gas wird wärmer (wenn wir die Temperatur nur durch die Translationsbewegungen definieren) . Dies geschieht natürlich auch in die andere Richtung, dh ein Molekül kann angeregt werden, wenn es von einem anderen getroffen wird, so wird sich das Gas sehr bald nach dem Beginn der IR-Absorption in ein Gleichgewicht einpendeln, in dem gemäß dem Kirchhoffschen Gesetz das gleiche Emissions- wie Absorptionsniveau auftritt. Die Zugabe von Nicht-Treibhausgasen wie N2 führt zu einer Energieverschiebung von der CO2- zur N2-Gaskomponente, wodurch die CO2-Moleküle freigesetzt werden, um die Absorption zu erhöhen.
Kurz gesagt, ja, die Luft wird durch die absorbierte IR-Strahlung erwärmt, aber dies führt nicht zu weniger Emissionen. 19.. Jahrhunderts verglich der Wissenschaftler John Tyndall den atmosphärischen Treibhauseffekt mit einem Fluss, der an einer bestimmten Stelle aufgestaut wurde; Sobald der gestaute See voll ist und das Wasser über den Damm strömt (z. B. Gleichgewicht erreicht), wäre der Abfluss des Wassers identisch mit dem Zufluss, aber der See wäre trotzdem tiefer und würde mehr Wasser enthalten als andere Teile des Flusses. Auf die gleiche Weise kann Luft aufgrund der Absorption von IR-Strahlung wärmer sein, aber immer noch so viel Strahlung abgeben, wie sie absorbiert.
Diese Antwort hat mir sehr geholfen, meine Gedanken zu diesem Thema zu klären: https://physics.stackexchange.com/a/67578/157769
Sie könnten auch an einer eng verwandten Frage von mir interessiert sein: Gibt es einen Unterschied im Infrarot-Absorptionsspektrum eines Treibhausgases, wenn es rein ist und wenn es mit Nicht-Treibhausgasen gemischt wird?
rauben