การดูดกลืนและการปล่อยรังสีโดยแก๊สในชั้นบรรยากาศ

โครงสร้างโมเลกุลกำหนดว่าแก๊สในชั้นบรรยากาศจะดูดกลืนและปล่อยรังสีที่ความยาวคลื่นใด ซึ่งส่งผลต่อสเปกตรัมของรังสีที่ไปถึงอวกาศและพื้นผิวโลก

Definition

การดูดกลืนและการปล่อยรังสีโดยแก๊สในชั้นบรรยากาศคือปฏิกิริยาที่รังสีมีต่อโมเลกุลของแก๊สแบบเลือกความยาวคลื่น ซึ่งถูกควบคุมโดยการเปลี่ยนสถานะพลังงานแบบควอนตัม และเป็นตัวกำหนดว่าชั้นบรรยากาศส่งผ่าน ดูดกลืน และปล่อยรังสีซ้ำได้อย่างไร

Scope

ครอบคลุมการเปลี่ยนสถานะพลังงานแบบหมุน การสั่น และอิเล็กตรอนของโมเลกุล; แถบการดูดกลืนของไอน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ โอโซน มีเทน และไนตรัสออกไซด์; รูปร่างเส้นสเปกตรัมและการขยายเส้นสเปกตรัมเนื่องจากความดันและดอปเปลอร์; แบบจำลองแถบสเปกตรัมและการคำนวณแบบเส้นต่อเส้น; ช่องว่างบรรยากาศ; และฐานข้อมูลสเปกโทรสโกปีที่ใช้ในการคำนวณการดูดกลืนของแก๊ส

Core questions

• เหตุใดแก๊สต่างชนิดกันจึงดูดกลืนรังสีที่ความยาวคลื่นจำเพาะ?
• อะไรเป็นตัวกำหนดความเข้มและความกว้างของเส้นสเปกตรัมการดูดกลืนแต่ละเส้น?
• เหตุใดชั้นบรรยากาศจึงค่อนข้างโปร่งใสในช่องว่างอินฟราเรดความร้อนใกล้ 10 ไมโครเมตร?

Key theories

สเปกโทรสโกปีโมเลกุลของแก๊สในชั้นบรรยากาศ

การเปลี่ยนสถานะพลังงานแบบควอนตัมของการหมุนและการสั่นทำให้เกิดเส้นสเปกตรัมการดูดกลืนที่ไม่ต่อเนื่อง ซึ่งตำแหน่งและความเข้มถูกกำหนดโดยโครงสร้างโมเลกุล และจัดเก็บในฐานข้อมูล เช่น HITRAN สำหรับการคำนวณรังสี

Mechanisms

โมเลกุลของแก๊สจะดูดกลืนโฟตอนเมื่อพลังงานของโฟตอนตรงกับการเปลี่ยนสถานะระหว่างสถานะพลังงานแบบควอนตัมของการหมุน การสั่น หรืออิเล็กตรอน; แก๊สเรือนกระจก เช่น คาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำ มีแถบการสั่น-การหมุนที่แข็งแกร่งในช่วงอินฟราเรด เส้นสเปกตรัมแต่ละเส้นจะขยายออกเนื่องจากการชนกันของโมเลกุล (การขยายเส้นสเปกตรัมเนื่องจากความดัน) ที่ระดับความสูงต่ำ และจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน (การขยายเส้นสเปกตรัมเนื่องจากดอปเปลอร์) ที่ระดับความสูงสูง เส้นสเปกตรัมที่ทับซ้อนกันจะก่อตัวเป็นแถบการดูดกลืน ทำให้เกิดช่องว่างสเปกตรัมที่ค่อนข้างโปร่งใส ซึ่งพื้นผิวโลกสามารถแผ่รังสีไปยังอวกาศได้อย่างมีประสิทธิภาพ

Clinical relevance

ข้อมูลการดูดกลืนของแก๊สที่แม่นยำเป็นพื้นฐานของแบบจำลองรังสีในแบบจำลองสภาพอากาศและภูมิอากาศ และการดึงข้อมูลอุณหภูมิและความเข้มข้นของแก๊สปริมาณน้อยจากเครื่องสเปกโตรมิเตอร์บนดาวเทียมและภาคพื้นดิน

History

การวัดในห้องปฏิบัติการของ Tyndall ในศตวรรษที่สิบเก้าเป็นครั้งแรกที่แสดงให้เห็นถึงการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่รุนแรงของไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ สเปกโทรสโกปีในศตวรรษที่ยี่สิบได้แยกแยะเส้นสเปกตรัมของโมเลกุลแต่ละเส้น และการรวบรวมข้อมูล เช่น ฐานข้อมูล HITRAN ซึ่งได้รับการดูแลมาตั้งแต่ทศวรรษ 1970 ปัจจุบันให้พารามิเตอร์เส้นสเปกตรัมที่ใช้ในการคำนวณการถ่ายโอนรังสีสมัยใหม่

Key figures

• John Tyndall
• Kuo-Nan Liou

Seminal works

• liou2002
• gordon2022

Frequently asked questions

ช่องว่างบรรยากาศคืออะไร?

ช่องว่างบรรยากาศคือแถบของรังสีอินฟราเรดความร้อนใกล้ 8 ถึง 12 ไมโครเมตร ซึ่งชั้นบรรยากาศที่ปลอดโปร่งจะดูดกลืนรังสีได้น้อย ทำให้พื้นผิวโลกสามารถแผ่ความร้อนไปยังอวกาศได้โดยตรง