Поглощение и излучение атмосферными газами

Как молекулярная структура определяет, какие длины волн поглощают и излучают атмосферные газы, формируя спектр излучения, достигающего космоса и поверхности.

Definition

Поглощение и излучение атмосферными газами — это селективное по длине волны взаимодействие излучения с молекулами газа, регулируемое квантованными энергетическими переходами, которое определяет, как атмосфера пропускает, поглощает и переизлучает радиацию.

Scope

Охватывает молекулярные вращательные, колебательные и электронные переходы; полосы поглощения водяного пара, углекислого газа, озона, метана и закиси азота; формы линий и уширение давлением и эффектом Доплера; полосовые модели и пошаговые расчеты; атмосферное окно; и спектроскопические базы данных, используемые для расчета газового поглощения.

Core questions

• Почему разные газы поглощают на характерных длинах волн?
• Что определяет силу и ширину отдельных линий поглощения?
• Почему атмосфера относительно прозрачна в тепловом инфракрасном окне около 10 микрометров?

Key theories

Молекулярная спектроскопия атмосферных газов

Квантованные вращательные и колебательные переходы создают дискретные линии поглощения, положения и силы которых фиксируются молекулярной структурой и организуются в базы данных, такие как HITRAN, для радиационных расчетов.

Mechanisms

Молекула газа поглощает фотон, когда его энергия соответствует переходу между квантованными вращательными, колебательными или электронными состояниями; парниковые газы, такие как углекислый газ и водяной пар, имеют сильные колебательно-вращательные полосы в инфракрасном диапазоне. Отдельные линии уширяются молекулярными столкновениями (уширение давлением) на малых высотах и тепловым движением (доплеровское уширение) на больших высотах. Перекрывающиеся линии образуют полосы поглощения, оставляя относительно прозрачные спектральные окна, через которые поверхность эффективно излучает в космос.

Clinical relevance

Точные данные о газовом поглощении лежат в основе радиационных схем в моделях погоды и климата, а также восстановления температуры и концентраций микропримесей газов по данным спутниковых и наземных спектрометров.

History

Лабораторные измерения Тиндаля в девятнадцатом веке впервые выявили сильное инфракрасное поглощение водяного пара и углекислого газа. Спектроскопия двадцатого века позволила разрешить отдельные молекулярные линии, а компиляции, такие как база данных HITRAN, поддерживаемая с 1970-х годов, теперь предоставляют параметры линий, используемые в современных расчетах переноса излучения.

Key figures

• John Tyndall
• Kuo-Nan Liou

Seminal works

• liou2002
• gordon2022

Frequently asked questions

Что такое атмосферное окно?

Атмосферное окно — это полоса теплового инфракрасного излучения в диапазоне от 8 до 12 микрометров, где чистая атмосфера слабо поглощает, позволяя поверхности излучать тепло непосредственно в космос.