CO2:n lämmityksen vaikutusmekanismi

Tarkentaisitteko CO2:n lämmitysvaikutuksen yksityiskohtia molekyylitasolla. Mielellään parin hyvän lähdeviitteen kera. Eli:

  1. Tapahtuuko vain, että CO2-molekyylin absorboitua IR-fotonin, se emittoi fotonin uudelleen hyvin nopeasti (aikaskaala femtosekunteja?) satunnaiseen suuntaan? Ja satunnaisen absorptio-emissio -parien jälkeen fotoni palaa lämmittämään maata tai karkaa avaruuteen.

  2. Vai tapahtuuko 1) lisäksi myös, että ilman molekyylien törmäyksissä osa absorboidusta energiasta siirtyy suoraan ilmamolekyylien lämmöksi (eli liike-energiaksi)? Jos näin, mikä lienee mekanismien suuruuksien suhde? Tähän vaikuttanee myös ilmanpaine ja CO2:n osapaine.

  3. Kuinka 1) ja 2) ilmenee muilla kasvihuonekaasuilla?

Hei

Hiilidioksidimolekyyli absorboi IR-säteilyä erityisesti aaltolukujen 670/cm ja 1000/cm (aallonpituudet n. 15 ja 100 mikrometriä) ympäristössä, joissa sen absorptiotehokkuus on vesihöyryä suurempi. Hiilidioksidin, kuten muidenkin kasvihuonekaasujen, osalta näillä aallonpituusalueella ovat merkittäviä molekyylin pyörähdys- ja värähdystilat, joitten kvantittuneita energiasiirtymiä on useita ko. aallonpituusalueilla.

  1. Aikaskaalaa CO2-molekyylin viritystilan purkautumiselle kuvaa Einsteinin A-kerroin. Useiden kaasujen osalta näitä on saatavilla tietokannoista, esim. HITRAN (https://www.cfa.harvard.edu/HITRAN/, ks. myös Rothman ym. 2013). Keskeisien hiilidioksidin absorptiokaistojen osalta aikaskaala viritystilan purkautumiselle fotonin emissiona satunnaiseen suuntaan vaihtelee melko paljon energian funktiona, mutta on luokkaa sadoista mikrosekunneista aina useisiin sekunteihin, tyypillisen aikaskaalan ollessa kymmenien millisekuntien luokkaa.

  2. Molekyylien v√§listen t√∂rm√§ysten aikaskaala kaasussa riippuu kaasun paineesta ja koostumuksesta: Ilmakeh√§n tapauksessa voimme maanpinnan tasolla arvioida per√§kk√§isten t√∂rm√§ysten tapahtuvan n. 0,1 ns aikaskaalassa, ja tropopaussin korkeudelle noustessa t√§m√§ kasvaa n. 0,5 nanosekuntiin. Molemmissa tapauksissa hiilidioksidimolekyyli ehtii ennen viritystilan purkautumista k√§ym√§√§n l√§pi tuhansista miljooniin t√∂rm√§yksi√§, joissa energia tasoittuu kaasun molekyylien kesken (v√§r√§hdys- ja rotaatiotilojen energiasta etenemisliikkeen energiaksi). Toisin sanottuna, vain yksi tuhansista tai miljoonista CO2-molekyylin viritystiloista purkautuu saman aallonpituuden fotonina kuin viritystilan aiheuttanut fotoni ‚Äď ilmi√∂n tarkempi analyysi vaatii toki t√§ss√§ kuvattua t√§sm√§llisemp√§√§ k√§sittely√§. Suuruusluokat ovat samoja my√∂s muille kasvihuonekaasuille.

Sen lisäksi, että molekyylien väliset törmäykset tasoittavat energiaeroja kaasumolekyylien välillä, on niillä toinenkin merkitys hiilidioksidin (sekä muiden kasvihuonekaasujen) vaikutukselle: Törmäävät molekyylit muodostavat hetkellisen dimeerin, jolla on enemmän erilaisia värähdys- ja rotaatiotiloja kuin yksittäisellä molekyylillä. Näitten hetkellisten tilojen eksakti energia riippuu siitä, onko kyseessä kahden samanlaisen vai erilaisen molekyylin törmäys. On huomattavaa, että korkeissa paineissa esim. kaasujättiläisten atmosfääreissä, myös normaalista kasvihuonevaikutuksettomat molekyylit, kuten typpi ja happi voivat tällaisten hetkellisten dimeerien johdosta absorboida lämpösäteilyä. Maapallon ilmakehän tapauksessa nämä törmäykset tuottavat jatkuvan absortiospektrin (kaasun spektriviivoja leventävät myös kvanttimekaaninen epätarkkuusperiaate sekä Dopplerin ilmiö, mutta nämä ovat Maapallon olosuhteissa merkityksettömiä verrattuna molekyylien välisten törmäysten vaikutukseen).

Yleisellä tasolla em. prosesseista voi lukea lisää esim. Pierrehumbertin vuoden 2011 artikkelista (saatavilla vapaasti kirjoittajan kotisivuilta) sekä Peixoton ja Oortin (1992) ja Pierrehumbertin (2010) oppikirjoista, joista erityisesti jälkimmäinen käsittelee aiheen teoriaa hyvinkin seikkaperäisesti.

Kiitokset hyvästä kysymyksestä, uskon tämän kiinnostavan myös muita lukijoita.

Peixoto, J. P. ja A. H. Oort. Physics of Climate, American Institute of Physics, 1992, ss. 104-114.

Pierrehumbert, R. T. Infrared radiation and planetary temperature. Physics Today, tammikuu 2011, 33-38.

Pierrehumbert, R. T. Principles of Planetary Climate, Cambridge University Press, 2010, ss. 165-281.

Rothman, L. S. ym. The HITRAN2012 molecular spectroscopic database. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 130 (2013), 4-50.

1 Like

Kiitos kattavasta vastauksesta ja lähdeviitteistä.

Netistä ensimmäisenä vastaan tulleet kuvaukset ovat tosiaan olleet vähintäänkin äärimmilleen yksinkertaistettuja, elleivät jopa virheellisiä.