Wie kommt es, dass Lichtwellen nicht von den Elektronen der Sauerstoffatome in der Luft eingefangen und absorbiert werden?

Die direkteste Antwort, die ich gefunden habe, ist, dass N2 und O2 sehr einfache Moleküle sind. 2 Atome, fest gebunden, keine Winkel.

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Da das Stickstoffgasmolekül so einfach ist, kann es mit der Lichtenergie, die es absorbiert, nicht viel anfangen. Es kann sich durch Strecken und Ziehen nur ein wenig drehen oder vibrieren. Sauerstoff verhält sich ziemlich ähnlich.

Aufgrund ihrer strukturellen Einfachheit absorbieren Stickstoff und Sauerstoff, die zusammen 99 Prozent der Erdatmosphäre ausmachen, relativ kleine Mengen der sichtbaren Lichtenergie, die von der Sonne kommt und durch die Luft strömt. Dadurch bleibt das „Glas“ des Treibhauses der Erde ziemlich klar.

Wasserdampf ist jedoch eine andere Geschichte. Wasser (H2O) hat zwei Wasserstoffatome, die an ein einzelnes Sauerstoffatom gebunden sind. Die Sauerstoffatome werden so gebogen, dass sie einen 105-Grad-Winkel bilden.

Das Wassermolekül kann sich drehen, drehen, kreisen, biegen, beugen und seinen eigenen kleinen chemischen Tanz aufführen.

Wenn das Photon genug Energie hat, wie kurzwelliges UV-Licht, kann es ein O2 spalten (oder ein N2 mit noch mehr Energie spalten), aber sichtbares Licht hat nicht genug Energie.

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Absorption ist der Vorgang, bei dem Strahlungsenergie auf Materie übertragen wird. Wenn es sich bei der Materie um ein Gas handelt, kann Strahlung sie auf verschiedene Weise beeinflussen. Die Art und Weise, wie es Energie absorbieren kann, hängt von der Größe und Komplexität des Gasmoleküls ab. Das Gasmolekül kann gedreht und je nach Art des Moleküls eine Vielzahl von Schwingungsmoden angeregt werden. Wenn die Energie stark genug ist, kann das Molekül auseinander gebrochen werden. Jede Art der Energieabsorption tritt in einem bestimmten schmalen Band des Sonnenspektrums auf. Gase sind daher nicht wie schwarze Körper, die bei allen Wellenlängen gleichmäßig und vollständig absorbieren. Vielmehr absorbieren sie nur in bestimmten, oft engen Wellenlängenbereichen. Zweiatomige Moleküle wie Stickstoff und Sauerstoff (der größte Teil unserer Atmosphäre) können Energie absorbieren, indem sie die Schwingung der Bindung zwischen den beiden Atomen erhöhen.

O2 + ultraviolettes Licht = O + O

Dies geschieht in den obersten Regionen der Atmosphäre, oberhalb von hundert Kilometern (siehe Abbildung 8). Der energiereichste (kürzeste Wellenlänge) Teil des Sonnenspektrums ist an diesem Prozess beteiligt. Stickstoff wird nur im extremen Ultraviolett absorbiert, von dem in der Sonnenstrahlung nur sehr wenig vorhanden ist. Sauerstoff absorbiert stärker als Stickstoff und über einen größeren Wellenlängenbereich im ultravioletten Bereich.

Die Quantenmechanik sagt, dass nur sehr spezifische Wellenlängen zum Anregen eines Atoms akzeptabel sind, Wellenlängen, die nicht diese sind (der größte Teil des Spektrums), passieren das Atom, ohne viel zu interagieren (nur etwas Streuung im Fall von sichtbarem Licht).

Die zulässigen Wellenlängen sind diejenigen, deren Energie extrem nahe an der Energiedifferenz zwischen zwei zulässigen Umlaufbahnen liegt.

Sauerstoff und Stickstoff absorbieren „Licht“, aber nur im ultravioletten Bereich des Spektrums unterhalb von etwa 200 nm, einem Bereich, der für unsere Augen unsichtbar ist, aber von Photomultipliern und ähnlichen Detektoren leicht beobachtet werden kann. Diese Absorption wird verursacht, wenn ein Elektron aus dem Grundzustand eines Moleküls in einen von mehreren elektronisch angeregten Zuständen befördert wird. Diese Zustände haben eine so hohe Energie, dass sie nur im UV absorbieren. Brom und Chlor zum Beispiel sind braune bzw. grüne Gase, da sie niedrigere angeregte Zustandsenergien haben. Die Energie elektronischer Zustände wird durch die Einzelheiten des elektronischen Aufbaus der Moleküle bestimmt und ist für jede zweiatomige Struktur unterschiedlich. (Welche Zustände durch die Strahlung 'gekoppelt' werden, hängt von 'Auswahlregeln' ab, die durch Energie- und Drehimpulserhaltung bestimmt werden)

Moleküle haben auch Vibrations- und Rotationsenergieniveaus, aber homonukleare zweiatomige Moleküle haben keinen permanenten oder induzierten Dipol (als Ergebnis von Vibrationen), weshalb sie Photonen mit niedrigerer Energie (wie sichtbar (400-650 nm) oder Infrarot > 1000 nm) nicht absorbieren. (Klassisch wechselwirkt das elektrische Feld der Strahlung mit einem schwingenden Dipol der richtigen Frequenz, kein schwingender Dipol, keine Wechselwirkung, keine Absorption).

Das Vorhandensein eines Dipols ist übrigens der Grund, warum CO2 als Treibhausgas wirkt, weil es, obwohl es linear (O=C=O) ohne permanenten Dipol ist, einen vibrationsinduzierten Dipol hat (O---C=O <-> (O= C---O) und absorbiert so Infrarotlicht.