大気ガスによる吸収と放出

分子構造が、大気ガスが吸収・放出する波長をどのように決定し、宇宙と地表に到達する放射スペクトルを形成するか。

Definition

大気ガスによる吸収と放出とは、放射とガス分子との波長選択的な相互作用であり、量子化されたエネルギー遷移によって支配され、大気が放射をどのように透過、吸収、再放出するかを決定する現象である。

Scope

分子の回転、振動、電子遷移、水蒸気、二酸化炭素、オゾン、メタン、亜酸化窒素の吸収帯、線形と圧力およびドップラー広がり、バンドモデルとラインバイライン計算、大気の窓、およびガス吸収の計算に使用される分光データベースを対象とする。

Core questions

• なぜ異なるガスは特徴的な波長で吸収するのか？
• 個々の吸収線の強度と幅は何によって決まるのか？
• なぜ大気は10マイクロメートル付近の熱赤外線窓で比較的透明なのか？

Key theories

大気ガスの分子分光法

量子化された回転および振動遷移は、分子構造によって位置と強度が固定された離散的な吸収線を生成し、放射計算のためにHITRANなどのデータベースに整理されている。

Mechanisms

ガス分子は、そのエネルギーが量子化された回転、振動、または電子状態間の遷移と一致するときに光子を吸収する。二酸化炭素や水蒸気などの温室効果ガスは、赤外線領域に強い振動回転バンドを持つ。個々の線は、低高度では分子衝突（圧力広がり）によって、高高度では熱運動（ドップラー広がり）によって広がることがある。重なり合う線は吸収帯を形成し、地表が効率的に宇宙に放射できる比較的透明なスペクトル窓を残す。

Clinical relevance

正確なガス吸収データは、気象および気候モデルにおける放射スキームや、衛星および地上分光計からの温度および微量ガス濃度の取得の基礎となる。

History

19世紀のティンダルによる実験室測定は、水蒸気と二酸化炭素の強い赤外線吸収を初めて明らかにした。20世紀の分光法は個々の分子線を解明し、1970年代から維持されているHITRANデータベースなどの編集物は、現代の放射伝達計算で使用される線パラメータを提供している。

Key figures

• John Tyndall
• Kuo-Nan Liou

Seminal works

• liou2002
• gordon2022

Frequently asked questions

大気の窓とは何か？

大気の窓とは、8〜12マイクロメートル付近の熱赤外線帯域であり、晴れた大気が弱く吸収するため、地表が熱を直接宇宙に放射することを可能にする。