Absorption und Emission durch atmosphärische Gase

Wie die Molekülstruktur bestimmt, welche Wellenlängen atmosphärische Gase absorbieren und emittieren, und so das Spektrum der Strahlung prägt, die den Weltraum und die Erdoberfläche erreicht.

Definition

Absorption und Emission durch atmosphärische Gase ist die wellenlängenselektive Wechselwirkung von Strahlung mit Gasmolekülen, die durch quantisierte Energieübergänge bestimmt wird und festlegt, wie die Atmosphäre Strahlung durchlässt, absorbiert und wieder emittiert.

Scope

Umfasst molekulare Rotations-, Vibrations- und elektronische Übergänge; die Absorptionsbanden von Wasserdampf, Kohlendioxid, Ozon, Methan und Lachgas; Linienformen sowie Druck- und Dopplerverbreiterung; Bandenmodelle und Zeile-für-Zeile-Berechnungen; das atmosphärische Fenster; und spektroskopische Datenbanken, die zur Berechnung der Gasabsorption verwendet werden.

Core questions

• Warum absorbieren verschiedene Gase bei charakteristischen Wellenlängen?
• Was bestimmt die Stärke und Breite einzelner Absorptionslinien?
• Warum ist die Atmosphäre im thermischen Infrarotfenster nahe 10 Mikrometer relativ transparent?

Key theories

Molekülspektroskopie atmosphärischer Gase

Quantisierte Rotations- und Vibrationsübergänge erzeugen diskrete Absorptionslinien, deren Positionen und Stärken durch die Molekülstruktur festgelegt sind und in Datenbanken wie HITRAN für Strahlungsberechnungen organisiert werden.

Mechanisms

Ein Gasmolekül absorbiert ein Photon, wenn dessen Energie mit einem Übergang zwischen quantisierten Rotations-, Vibrations- oder Elektronenzuständen übereinstimmt; Treibhausgase wie Kohlendioxid und Wasserdampf weisen starke Vibrations-Rotationsbanden im Infrarotbereich auf. Einzelne Linien werden durch molekulare Kollisionen (Druckverbreiterung) in geringer Höhe und durch thermische Bewegung (Dopplerverbreiterung) in großer Höhe verbreitert. Überlappende Linien bilden Absorptionsbanden, die relativ transparente Spektralfenster hinterlassen, durch die die Oberfläche effizient in den Weltraum abstrahlt.

Clinical relevance

Genaue Daten zur Gasabsorption sind die Grundlage für Strahlungsschemata in Wetter- und Klimamodellen sowie für die Ableitung von Temperatur- und Spurengaskonzentrationen aus satelliten- und bodengestützten Spektrometern.

History

Tyndalls Labormessungen im neunzehnten Jahrhundert zeigten erstmals die starke Infrarotabsorption von Wasserdampf und Kohlendioxid. Die Spektroskopie des zwanzigsten Jahrhunderts löste einzelne molekulare Linien auf, und Kompilationen wie die seit den 1970er Jahren gepflegte HITRAN-Datenbank liefern heute die Linienparameter, die in modernen Strahlungstransferberechnungen verwendet werden.

Key figures

• John Tyndall
• Kuo-Nan Liou

Seminal works

• liou2002
• gordon2022

Frequently asked questions

Was ist das atmosphärische Fenster?

Das atmosphärische Fenster ist ein Band des thermischen Infrarots im Bereich von 8 bis 12 Mikrometern, in dem die klare Atmosphäre schwach absorbiert, wodurch die Oberfläche Wärme direkt in den Weltraum abstrahlen kann.