Treibhauseffekt und atmosphärische Absorption

Wie Wasserdampf, Kohlendioxid und andere Gase thermische Strahlung absorbieren und wieder emittieren, wodurch die Oberfläche über ihre Strahlungsgleichgewichtstemperatur erwärmt wird.

Definition

Der Treibhauseffekt ist die Erwärmung der Oberfläche eines Planeten, verursacht durch atmosphärische Gase, die für die einfallende Sonnenstrahlung transparent sind, aber die ausgehende thermische Strahlung absorbieren und wieder emittieren, wodurch die Oberflächentemperatur über den Wert steigt, der allein durch die solare Erwärmung festgelegt wird.

Scope

Dieses Thema behandelt die physikalischen Grundlagen des Treibhauseffekts: die Absorption und Emission langwelliger Strahlung durch molekulare Gase, die Spektralbänder, in denen sie wirken, und die Art und Weise, wie die effektive Strahlungshöhe der Atmosphäre die Oberflächentemperatur steuert. Es behandelt die Rollen von Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan, Lachgas und Ozon, das Konzept des Strahlungsantriebs durch Änderungen ihrer Konzentrationen sowie die Sättigungs- und Bandüberlappungseffekte, die bestimmen, wie der Antrieb mit der Konzentration skaliert.

Core questions

• Warum sind einige Gase effektive Absorber thermischer Strahlung, während andere dies nicht sind?
• Wie erhöht der Treibhauseffekt die Oberflächentemperatur über das Strahlungsgleichgewicht hinaus?
• Wie ändert sich der Strahlungsantrieb, wenn die Konzentration eines Treibhausgases zunimmt?
• Was sind die relativen Beiträge von Wasserdampf und Kohlendioxid?

Key theories

Effektive Emissionshöhe

Treibhausgase erhöhen die Höhe, aus der der Planet effektiv in den Weltraum abstrahlt, und da diese Höhe kälter ist als die Oberfläche, muss sich die Oberfläche erwärmen, um genügend Energie abzugeben, um die einfallende Sonnenstrahlung auszugleichen.

Logarithmischer Antrieb von Kohlendioxid

Da die zentralen Absorptionsbanden von Kohlendioxid nahezu gesättigt sind, wächst sein Strahlungsantrieb annähernd mit dem Logarithmus der Konzentration, sodass jede Verdoppelung einen ähnlichen Antrieb hinzufügt.

Mechanisms

Moleküle mit den richtigen Schwingungs- und Rotationsübergängen absorbieren die ausgehende Infrarotstrahlung und emittieren sie in alle Richtungen wieder, auch zurück zur Oberfläche; dies erhöht die Höhe, in der die Strahlung schließlich in den Weltraum entweicht, und da die Temperatur in der Troposphäre mit der Höhe abnimmt, erwärmt sich die Oberfläche, bis die kältere Emissionsschicht genug abstrahlt, um die absorbierte Sonnenstrahlung auszugleichen. Das Hinzufügen von mehr Gas verdickt die absorbierende Schicht und verschiebt die Emissionsschicht höher und kälter, wodurch der Antrieb zunimmt.

Clinical relevance

Der Strahlungsantrieb durch steigendes Kohlendioxid, Methan und andere Treibhausgase ist der direkte physikalische Treiber des menschengemachten Klimawandels, wodurch dieser Mechanismus für das Verständnis und die Projektion der globalen Erwärmung von zentraler Bedeutung ist.

Evidence & guidelines

Der Sechste Sachstandsbericht des IPCC quantifiziert den effektiven Strahlungsantrieb jedes wichtigen Treibhausgases und schreibt diesen Gasen den dominanten Anteil der seit der vorindustriellen Ära beobachteten Erwärmung zu.

History

Tyndall zeigte im neunzehnten Jahrhundert, dass Wasserdampf und Kohlendioxid thermische Strahlung absorbieren, und Arrhenius erstellte die erste quantitative Schätzung der Erwärmung durch eine Verdoppelung des Kohlendioxids; die Spektroskopie und die strahlungs-konvektive Modellierung des zwanzigsten Jahrhunderts verfeinerten diese Ideen zur modernen quantitativen Theorie des Strahlungsantriebs.

Debates

Historische Behauptungen der Bandsättigung

Frühe Einwände, dass die Kohlendioxidabsorption bereits gesättigt sei, wurden durch die Erkenntnis gelöst, dass das Hinzufügen von Gas die kalte Emissionshöhe anhebt, sodass der Antrieb weiter zunimmt, anstatt zu stagnieren.

Key figures

• Svante Arrhenius
• John Tyndall
• Raymond Pierrehumbert
• Syukuro Manabe

Seminal works

• arrhenius1896
• pierrehumbert2010

Frequently asked questions

Welches Gas trägt am meisten zum Treibhauseffekt bei?

Wasserdampf ist insgesamt der größte Verursacher, wirkt aber als Rückkopplung, die auf die Temperatur reagiert, während Kohlendioxid das wichtigste langlebige Gas ist, dessen Konzentration der Mensch erhöht.

Warum ist Kohlendioxid immer noch wichtig, wenn seine Banden nahezu gesättigt sind?

Das Hinzufügen von Kohlendioxid erhöht die Höhe, aus der der Planet in den Weltraum abstrahlt, auf ein kälteres Niveau, sodass der Erwärmungseffekt mit jeder Verdoppelung der Konzentration weiter zunimmt.