Absorción y emisión por gases atmosféricos

Cómo la estructura molecular determina qué longitudes de onda absorben y emiten los gases atmosféricos, modelando el espectro de radiación que llega al espacio y a la superficie.

Definition

La absorción y emisión por gases atmosféricos es la interacción selectiva por longitud de onda de la radiación con las moléculas de gas, gobernada por transiciones de energía cuantificadas, que determina cómo la atmósfera transmite, absorbe y reemite la radiación.

Scope

Cubre las transiciones rotacionales, vibracionales y electrónicas moleculares; las bandas de absorción del vapor de agua, el dióxido de carbono, el ozono, el metano y el óxido nitroso; las formas de línea y el ensanchamiento por presión y Doppler; los modelos de banda y los cálculos línea por línea; la ventana atmosférica; y las bases de datos espectroscópicas utilizadas para calcular la absorción gaseosa.

Core questions

• ¿Por qué los diferentes gases absorben en longitudes de onda características?
• ¿Qué determina la fuerza y el ancho de las líneas de absorción individuales?
• ¿Por qué la atmósfera es relativamente transparente en la ventana infrarroja térmica cerca de los 10 micrómetros?

Key theories

Espectroscopia molecular de gases atmosféricos

Las transiciones rotacionales y vibracionales cuantificadas producen líneas de absorción discretas cuyas posiciones y fuerzas están fijadas por la estructura molecular, organizadas en bases de datos como HITRAN para cálculos radiativos.

Mechanisms

Una molécula de gas absorbe un fotón cuando su energía coincide con una transición entre estados rotacionales, vibracionales o electrónicos cuantificados; los gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono y el vapor de agua tienen fuertes bandas vibracionales-rotacionales en el infrarrojo. Las líneas individuales se ensanchan por colisiones moleculares (ensanchamiento por presión) a baja altitud y por movimiento térmico (ensanchamiento Doppler) a gran altitud. Las líneas superpuestas forman bandas de absorción, dejando ventanas espectrales relativamente transparentes donde la superficie irradia eficientemente al espacio.

Clinical relevance

Los datos precisos de absorción gaseosa sustentan los esquemas de radiación en los modelos meteorológicos y climáticos y la recuperación de la temperatura y las concentraciones de gases traza a partir de espectrómetros satelitales y terrestres.

History

Las mediciones de laboratorio de Tyndall en el siglo XIX revelaron por primera vez la fuerte absorción infrarroja del vapor de agua y el dióxido de carbono. La espectroscopia del siglo XX resolvió las líneas moleculares individuales, y compilaciones como la base de datos HITRAN, mantenida desde la década de 1970, ahora proporcionan los parámetros de línea utilizados en los cálculos modernos de transferencia radiativa.

Key figures

• John Tyndall
• Kuo-Nan Liou

Seminal works

• liou2002
• gordon2022

Frequently asked questions

¿Qué es la ventana atmosférica?

La ventana atmosférica es una banda del infrarrojo térmico cerca de los 8 a 12 micrómetros donde la atmósfera clara absorbe débilmente, permitiendo que la superficie irradie calor directamente al espacio.