In een aantal berichten wil ik wat uitgebreider ingaan op het concept van het broeikaseffect en de manier waarop de mensheid voor een versterking daarvan zorgt door veranderingen aan te brengen in de chemische samenstelling van de atmosfeer. Je kan hier het eerste deel teruglezen over straling en het broeikasgas CO2. Nu deel 2 over de absorptie van infrarode straling door gassen.
Allereerst een grafiek van de absorptiebanden van diverse gassen, ter ondersteuning van het verhaal wat daarna volgt.
Een gas wordt als broeikasgas aangemerkt als het een dipoolmoment1 kent, of als sommige vibrerende bewegingen voor een tijdelijk dipoolmoment zorgen. Dit betekent dat homonucleaire diatomische moleculen zoals O2 en N2 niet in staat zijn om interactie te hebben met infrarode straling. Een dipoolmoment van een molecuul is het product van de lading en de afstand tussen de lading. Gassen zijn geen rotsvaste stokvormige figuren zoals ze op de middelbare school in de chemielessen worden weergegeven, maar ze zijn constant in beweging en vibreren.
De moleculen in de atmosfeer die hier besproken worden kennen geen netto lading (ze zijn neutraal) maar ze kunnen wel plaatselijke ladingen hebben. Denk bijvoorbeeld aan water dat plaatselijk positieve (waterstof) en negatieve (zuurstof) lading kent, waardoor de individuele moleculen de neiging hebben aan elkaar te kleven. De diatomische moleculaire vibraties zijn sterk symmetrisch, zodat de centrums van massa en lading niet verschuiven bij het vibreren. Dit gaat niet op als je drie moleculen hebt, waarbij het centrum van de lading wel verschuift bij het vibreren waardoor een dipoolmoment gevormd wordt.
In het geval van koolstofdioxide kan je symmetrische vibratie hebben (dit gedraagt zich net als de diatomische moleculen en is dus niet actief voor het infrarood), maar het kan ook op asymmetrische wijze voorkomen door het strekken van de binding: de ene binding wordt kleiner terwijl de andere groter wordt. Er kan ook nog buiging van de bindingen optreden en diverse vibraties komen weer overeen met absorptie in verschillende golflengten.
Enkele vibratiemodi (bron: UCAR)
Het is bekend dat bij CO2 infrarode straling op een golflengte van 667 cm-1 (15,00 µm) dergelijke vibraties stimuleert. Broeikasmoleculen zijn in staat om passerende infrarode fotonen te absorberen; de energie van de foton wordt omgezet in een verhoogde vibrerende staat van het molecuul. Zoals eerder al uitgelegd kunnen moleculen op verschillende manieren vibreren, zodat zij infrarode straling op verschillende golflengten kunnen absorberen. Diatomische moleculen hebben bepaalde energieniveaus behorende bij de oscillatie veroorzaakt door het uiteentrekken van de nuclei en het vervolgens weer terugspringen.
Het infrarode licht zorgt voor een fluctuerend elektrisch en magnetisch veld waardoor de omgeving van het molecuul verandert. Dit verstoort de nuclei en de elektronenwolk en stimuleert het vibreren of rotatie. Wil een molecuul goed infrarode straling kunnen absorberen en uitzenden moeten de moleculaire bewegingen sterk gekoppeld zijn aan het elektromagnetische veld. De twee-atomige moleculen zijn te dicht gebonden om te vibreren en kunnen daarom geen warmte absorberen en zodoende bijdragen aan het broeikaseffect.
De absorptie van energie door een bepaald gas vindt plaats als de frequentie van de elektromagnetische straling gelijk is aan de moleculaire vibratiefrequentie van het gas. Gasmoleculen verzamelen dus straling door hun vibratiemodi, waarmee zij banden vormen door middel van splitsing van de absorptiekrommen door rotatie. De absorptievensters worden gevormd door deze nauwe banden te middelen. Als deze banden nog gedeeltelijk open zijn dan zal het vermogen om te absorberen lineair toenemen naar mate de concentratie van het gas toeneemt. Als de band verzadigd is zal het gas de absorptie aan de randen van de band (de vleugels) gaan versterken.
Als straling precies de golflengte zou moeten hebben van de nauwe spectrale lijnen dan zou er weinig interactie zijn tussen de straling en de moleculen omdat er een veel te kleine kans zou zijn dat de straling exact die golflengte heeft. Het blijkt dat de bewegingen van de moleculen zelf dit spectrum veranderen en de botsingen tussen moleculen in de atmosfeer beïnvloeden eveneens de absorptie. Van groot belang in de meeste atmosferen is de verbreding van de lijnen door druk (drukverbreding). De absorptielijnen worden nauwer als de druk naar beneden gaat en het grootste deel van het spectrum zit tussen de lijnen, zodoende is de absorptiecoëfficiënt een functie van de atmosferische druk. Dit betekent dat drukverbreding in een atmosfeer de absorptie verspreid over een breder spectrum aan frequenties of golflengten.
In het volgende deel zal worden ingegaan op een kwantificatie van het broeikaseffect. Hoeveel bedraagt dit effect, waar zit hem dat precies in en wat gebeurt er als er veranderingen optreden in de concentraties broeikasgassen. Bepaalde basisprincipes daarvoor ga ik niet nogmaals uitleggen, aangezien die al eerder door Victor, mijzelf en Alwin zijn besproken.
Gr. Ben
1 Het (moleculaire) dipoolmoment is een maat voor de polariteit. Binnen een op zich neutraal molecuul kan de lading zich verdelen tussen de verschillende atomen doordat een atoom harder aan de neutronen trekt dan andere. Dit wordt veroorzaakt door de verschillende elektronegativiteiten van de atomen. De ene kant krijgt een pluslading en de andere kant een minlading. Een molecuul met een dipoolmoment is gevoelig voor een elektrisch veld.
Allereerst een grafiek van de absorptiebanden van diverse gassen, ter ondersteuning van het verhaal wat daarna volgt.
Een gas wordt als broeikasgas aangemerkt als het een dipoolmoment1 kent, of als sommige vibrerende bewegingen voor een tijdelijk dipoolmoment zorgen. Dit betekent dat homonucleaire diatomische moleculen zoals O2 en N2 niet in staat zijn om interactie te hebben met infrarode straling. Een dipoolmoment van een molecuul is het product van de lading en de afstand tussen de lading. Gassen zijn geen rotsvaste stokvormige figuren zoals ze op de middelbare school in de chemielessen worden weergegeven, maar ze zijn constant in beweging en vibreren.
De moleculen in de atmosfeer die hier besproken worden kennen geen netto lading (ze zijn neutraal) maar ze kunnen wel plaatselijke ladingen hebben. Denk bijvoorbeeld aan water dat plaatselijk positieve (waterstof) en negatieve (zuurstof) lading kent, waardoor de individuele moleculen de neiging hebben aan elkaar te kleven. De diatomische moleculaire vibraties zijn sterk symmetrisch, zodat de centrums van massa en lading niet verschuiven bij het vibreren. Dit gaat niet op als je drie moleculen hebt, waarbij het centrum van de lading wel verschuift bij het vibreren waardoor een dipoolmoment gevormd wordt.
In het geval van koolstofdioxide kan je symmetrische vibratie hebben (dit gedraagt zich net als de diatomische moleculen en is dus niet actief voor het infrarood), maar het kan ook op asymmetrische wijze voorkomen door het strekken van de binding: de ene binding wordt kleiner terwijl de andere groter wordt. Er kan ook nog buiging van de bindingen optreden en diverse vibraties komen weer overeen met absorptie in verschillende golflengten.
Enkele vibratiemodi (bron: UCAR)
Het is bekend dat bij CO2 infrarode straling op een golflengte van 667 cm-1 (15,00 µm) dergelijke vibraties stimuleert. Broeikasmoleculen zijn in staat om passerende infrarode fotonen te absorberen; de energie van de foton wordt omgezet in een verhoogde vibrerende staat van het molecuul. Zoals eerder al uitgelegd kunnen moleculen op verschillende manieren vibreren, zodat zij infrarode straling op verschillende golflengten kunnen absorberen. Diatomische moleculen hebben bepaalde energieniveaus behorende bij de oscillatie veroorzaakt door het uiteentrekken van de nuclei en het vervolgens weer terugspringen.
Het infrarode licht zorgt voor een fluctuerend elektrisch en magnetisch veld waardoor de omgeving van het molecuul verandert. Dit verstoort de nuclei en de elektronenwolk en stimuleert het vibreren of rotatie. Wil een molecuul goed infrarode straling kunnen absorberen en uitzenden moeten de moleculaire bewegingen sterk gekoppeld zijn aan het elektromagnetische veld. De twee-atomige moleculen zijn te dicht gebonden om te vibreren en kunnen daarom geen warmte absorberen en zodoende bijdragen aan het broeikaseffect.
De absorptie van energie door een bepaald gas vindt plaats als de frequentie van de elektromagnetische straling gelijk is aan de moleculaire vibratiefrequentie van het gas. Gasmoleculen verzamelen dus straling door hun vibratiemodi, waarmee zij banden vormen door middel van splitsing van de absorptiekrommen door rotatie. De absorptievensters worden gevormd door deze nauwe banden te middelen. Als deze banden nog gedeeltelijk open zijn dan zal het vermogen om te absorberen lineair toenemen naar mate de concentratie van het gas toeneemt. Als de band verzadigd is zal het gas de absorptie aan de randen van de band (de vleugels) gaan versterken.
Als straling precies de golflengte zou moeten hebben van de nauwe spectrale lijnen dan zou er weinig interactie zijn tussen de straling en de moleculen omdat er een veel te kleine kans zou zijn dat de straling exact die golflengte heeft. Het blijkt dat de bewegingen van de moleculen zelf dit spectrum veranderen en de botsingen tussen moleculen in de atmosfeer beïnvloeden eveneens de absorptie. Van groot belang in de meeste atmosferen is de verbreding van de lijnen door druk (drukverbreding). De absorptielijnen worden nauwer als de druk naar beneden gaat en het grootste deel van het spectrum zit tussen de lijnen, zodoende is de absorptiecoëfficiënt een functie van de atmosferische druk. Dit betekent dat drukverbreding in een atmosfeer de absorptie verspreid over een breder spectrum aan frequenties of golflengten.
In het volgende deel zal worden ingegaan op een kwantificatie van het broeikaseffect. Hoeveel bedraagt dit effect, waar zit hem dat precies in en wat gebeurt er als er veranderingen optreden in de concentraties broeikasgassen. Bepaalde basisprincipes daarvoor ga ik niet nogmaals uitleggen, aangezien die al eerder door Victor, mijzelf en Alwin zijn besproken.
Gr. Ben
1 Het (moleculaire) dipoolmoment is een maat voor de polariteit. Binnen een op zich neutraal molecuul kan de lading zich verdelen tussen de verschillende atomen doordat een atoom harder aan de neutronen trekt dan andere. Dit wordt veroorzaakt door de verschillende elektronegativiteiten van de atomen. De ene kant krijgt een pluslading en de andere kant een minlading. Een molecuul met een dipoolmoment is gevoelig voor een elektrisch veld.
Bericht laatst bijgewerkt: 12-05-2008 22:30