Hấp thụ và Phát xạ bởi Khí quyển

Cấu trúc phân tử quyết định bước sóng mà các khí trong khí quyển hấp thụ và phát xạ như thế nào, định hình phổ bức xạ đến không gian và bề mặt.

Definition

Hấp thụ và phát xạ bởi khí quyển là sự tương tác chọn lọc theo bước sóng của bức xạ với các phân tử khí, được điều chỉnh bởi các chuyển đổi năng lượng lượng tử, quyết định cách khí quyển truyền, hấp thụ và phát xạ lại bức xạ.

Scope

Bao gồm các chuyển đổi quay, dao động và điện tử của phân tử; các dải hấp thụ của hơi nước, carbon dioxide, ozon, mêtan và nitơ oxit; hình dạng vạch và sự mở rộng do áp suất và Doppler; các mô hình dải và tính toán từng vạch; cửa sổ khí quyển; và các cơ sở dữ liệu quang phổ được sử dụng để tính toán sự hấp thụ khí.

Core questions

• Tại sao các loại khí khác nhau lại hấp thụ ở các bước sóng đặc trưng?
• Điều gì quyết định cường độ và độ rộng của các vạch hấp thụ riêng lẻ?
• Tại sao khí quyển tương đối trong suốt trong cửa sổ hồng ngoại nhiệt gần 10 micromet?

Key theories

Quang phổ phân tử của khí quyển

Các chuyển đổi quay và dao động lượng tử hóa tạo ra các vạch hấp thụ rời rạc có vị trí và cường độ được cố định bởi cấu trúc phân tử, được tổ chức thành các cơ sở dữ liệu như HITRAN cho các tính toán bức xạ.

Mechanisms

Một phân tử khí hấp thụ một photon khi năng lượng của nó khớp với một chuyển đổi giữa các trạng thái quay, dao động hoặc điện tử lượng tử hóa; các khí nhà kính như carbon dioxide và hơi nước có các dải dao động-quay mạnh trong phổ hồng ngoại. Các vạch riêng lẻ được mở rộng do va chạm phân tử (mở rộng do áp suất) ở độ cao thấp và do chuyển động nhiệt (mở rộng Doppler) ở độ cao lớn. Các vạch chồng chéo tạo thành các dải hấp thụ, để lại các cửa sổ quang phổ tương đối trong suốt nơi bề mặt bức xạ hiệu quả ra không gian.

Clinical relevance

Dữ liệu hấp thụ khí chính xác là nền tảng cho các sơ đồ bức xạ trong các mô hình thời tiết và khí hậu, cũng như việc thu thập nhiệt độ và nồng độ khí vết từ các máy quang phổ vệ tinh và mặt đất.

History

Các phép đo trong phòng thí nghiệm của Tyndall vào thế kỷ XIX lần đầu tiên tiết lộ sự hấp thụ hồng ngoại mạnh của hơi nước và carbon dioxide. Quang phổ học thế kỷ XX đã phân giải các vạch phân tử riêng lẻ, và các bộ sưu tập như cơ sở dữ liệu HITRAN, được duy trì từ những năm 1970, hiện cung cấp các tham số vạch được sử dụng trong các tính toán truyền bức xạ hiện đại.

Key figures

• John Tyndall
• Kuo-Nan Liou

Seminal works

• liou2002
• gordon2022

Frequently asked questions

Cửa sổ khí quyển là gì?

Cửa sổ khí quyển là một dải hồng ngoại nhiệt gần 8 đến 12 micromet nơi khí quyển trong suốt hấp thụ yếu, cho phép bề mặt bức xạ nhiệt trực tiếp ra không gian.