Dit topic heeft als doel om uitleg over basisprincipes inzake klimaatverandering, allereerst in het bijzonder het (versterkte) broeikaseffect, te bundelen en te verfijnen. Aanvullingen en commentaar zijn zeer welkom, mits goed onderbouwd natuurlijk. Misschien is het mogelijk dit topic zoals de titel suggereert 'sticky' te maken? Dan staat het altijd bovenaan ter referentie.
Introductie
De Aarde bevindt zich in een gigantische vacuüm ruimte met op 149.600.000 kilometer afstand een zon. Aangezien er geen fysieke wijze is waarop onze planeet zonlicht kan ontvangen, moet het over die afstand naar ons toegezonden worden in de vorm van elektromagnetische straling. En omdat onze planeet niet in fysiek contact met iets anders is, kan het enkel warmte verliezen door middel van straling. De energie-uitstoot van de zon is ongeveer 6,3×106 W/m², wat overeenkomt met een lichaamstemperatuur van 5.770 Kelvin. Als we deze hoeveelheid energie verdelen over de schijf van de Aarde dat naar de zon gericht is, dan ontvangt de aarde ongeveer 1.368 W/m² (S).
Omdat de planeet ruwweg een bol is wordt de hoeveelheid zonne-energie die de schijf ontvangt (pi r^2) verdeeld over het oppervlak van de bol (4pi r^2). Dit resulteert in ruwweg 342 W/m² aan zonne-energie aan de bovenkant van de atmosfeer. Ongeveer 70% daarvan kan gebruikt worden om de planeet te verwarmen, aangezien de albedo van de planeet (a = 0,3) ervoor zorgt dat een flink deel gereflecteerd wordt rechtstreeks terug de ruimte in. In totaal ontvangen de aarde en de atmosfeer dus zo’n 239 W/m2 aan zonne-energie om ons warm te houden en de atmosferische circulatie in stand te houden.
Alle objecten die een temperatuur hebben boven het absolute nulpunt (0 Kelvin) zenden straling uit en de intensiteit van die straling hangt af van de temperatuur van het object. Specifieker, de intensiteit hangt af van de vierdemacht van de temperatuur (
, waarbij 
de Stefan Boltzmann constante is, 
, en T is in Kelvin). De Aarde vormt hier geen uitzondering op en om te compenseren voor de inkomende straling van de zon moet eigen infrarode straling uitgezonden worden aan de top van de atmosfeer. Als het geen straling zou uitzenden naar de ruimte zou de planeet alleen maar warmte vergaren en uiteindelijk zonder grens opwarmen. Elk object dat niet in stralingsevenwicht is zal opwarmen of afkoelen afhankelijk van of het meer straling ontvangt dan het uitzend of omgekeerd. Het is de verandering in temperatuur waardoor het object weer in stralingsevenwicht komt.
Elektromagnetisch spectrum
Het elektromagnetisch spectrum (bron: natuurkunde.nl)
Het elektromagnetische spectrum is opgedeeld in delen, zoals infrarood, zichtbaar, ultraviolet (UV), microgolven, et cetera. In dit verhaal zullen we enkel ingaan op zichtbare (ook wel genoemd kortgolvige) en infrarode (ook wel genoemd langgolvige) straling. Zichtbare straling is veel intenser dan infrarode en wordt uitgestraald door objecten met hogere temperaturen. Het enige wat we moeten onthouden voor dit artikel is dat de zon een voorkeur heeft om straling uit te zenden in het zichtbare deel van het spectrum, terwijl de Aarde juist energie verliest in het infrarode deel.
De effectieve stralingstemperatuur van de Aarde met radius r is
of
= 255 Kelvin
Deze temperatuur ligt ver beneden het vriespunt, wat aantoont dat als de temperatuur van de Aarde enkel afhankelijk zou zijn van de hoeveelheid straling die we ontvangen van de zon het ver van bewoonbaar zou zijn. Het gat tussen onze hedendaagse comfort en een verijsde planeet komt door het feit dat niet alle uitgaande infrarode straling gelijk de ruimte in gaat, maar geabsorbeerd wordt door de atmosfeer en waarvan een deel weer neerwaarts uitgestraald wordt richting het aardoppervlak. Dit is het gevolg van de aanwezigheid van broeikasgassen in de atmosfeer, die transparant zijn voor inkomende zonnestraling, maar uitgaande infrarode straling sterk absorberen.
Het broeikasgas CO2
Koolstofdioxide (CO2) is een broeikasgas. Dit komt omdat het gas in staat is infrarode straling, afkomstig van de zon, te absorberen. Dit is weer een van de gevolgen van de unieke eigenschappen van het gas. De huidige mengverhouding van CO2 in de atmosfeer is 385 ppmv (parts per million by volume, volumeconcentratie in delen per miljoen). Aan het begin van de industriële revolutie bedroeg de mengverhouding zo’n 280 ppmv, er is dus sindsdien een stijging opgetreden van ~38%. De rest van de eenentwintigste eeuw zal de mengverhouding waarschijnlijk nog met tenminste 75% toenemen ten opzichte van het huidige niveau tot zo’n 650 ppmv.
Nu lijkt het huidige aantal van 385 deeltjes ten opzichte van de overige 999.615 deeltjes niet veel (zo’n 0,03%), als je ze allemaal bij langs zou gaan. De mengverhouding is numeriek gelijk aan de druk die door het gas uitgeoefend wordt, voor CO2 genoteerd als pCO2, de huidige concentratie is dus 385 ppmv en is gelijk aan 385 µatm. Het lijkt misschien counterintuïtief dat een dergelijke kleine concentratie een dergelijke prominente invloed kan hebben op de temperatuur op Aarde, maar het feit is dat de meeste gassen (zoals N2, O2, argon) in de atmosfeer geen enkele interactie hebben met infrarode straling. Daarom kunnen we de aanwezigheid van deze gassen negeren.
Het effect dat een broeikasgas heeft op de temperatuur hangt af van de concentratie, waar het absorbeert in het spectrum en waar de Aarde straling uitzend, alsmede ook de overlap met andere gassen. Ozon is bijvoorbeeld een broeikasgas (O3) en zorgt voor een optisch afgesloten atmosfeer wat betreft de uitzending van langgolvige straling tussen 9 en 9,7 µm. Omdat de bandbreedte of het venster gesloten is, hebben veranderingen in de hoeveelheden ozon weinig invloed op het absorptievermogen ervan in de atmosfeer. Cfk’s daarentegen hebben een open venster voor langgolvige straling tussen 8 en 13 µm, de invloed van deze gassen is daarom veel groter. Op moleculair niveau kan de invloed wel duizenden malen sterker zijn dan koolstofdioxide, maar cfk’s zijn zo weinig aanwezig in de atmosfeer dat de concentratie ervan wordt uitgedrukt in deeltjes per triljoen. Vandaar dat ze een betrekkelijk kleine invloed hebben.
Het veranderen van de hoeveelheid van een gas op plekken waar uitgaande langgolvige straling vrijelijk de atmosfeer kan verlaten heeft een grotere invloed als er al wat van het gas aanwezig is. De mate van ‘verzadiging’ is ook van belang, het wordt vaak opgemerkt dat methaan (CH4) krachtiger is dan CO2, maar dit heeft niet te maken met een of ander intrinsieke eigenschap van het gas maar simpelweg met het feit dat het in lagere concentraties voorkomt en dus nog zijn belangrijkste absorptiebanden moet vullen. Als methaan in hogere concentraties zou voorkomen dan CO2 zou het omgekeerde waar zijn: CO2 zou dan op moleculaire basis krachtiger zijn.
Het toevoegen van gas bij lage concentraties heeft een groter effect dan bij hoge concentraties omdat dan de absorptie van de piek naar de vleugels gaat. De absorptie van koolstofdioxide is nog niet verzadigd, maar de effecten van absorptie kennen om deze reden een exponentiële groei en geen lineaire (en dat is maar goed ook, anders zou de atmosfeer ontzettend gevoelig zijn voor kleine veranderingen).
Absorptie van infrarode straling
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 kwantificering 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.
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.
Straling in het algemeen
In de atmosfeer van onze planeet speelt straling een cruciale rol. In de context van het bovenstaande gaat het vooral om de overdracht van energie door fotonen of vergelijkbaar door elektromagnetische golven. De fotonen vallen in twee categorieën:
* ‘Zonnefotonen’: fotonen, uitgestraald door de zon, die in de kortgolvige golflengten zitten van het ultraviolet, zichtbaar en infrarood, tussen 0,1 en 4 µm;
* ‘Thermische fotonen’: fotonen, uitgestraald door de atmosfeer of het aardoppervlak, die vooral in de infrarode, meer langgolvige golflengten zitten, tussen 4 en 100 µm.
De twee bereiken van golflengten komen overeen met de spectrale gebieden van straling van een zwart lichaam met een temperatuur van 6000 Kelvin (de temperatuur van de fotosfeer van de zon) en 288 Kelvin (de temperatuur van het aardoppervlak). Om het gedrag van straling in de atmosfeer te begrijpen moeten we weten hoe allerlei gassen interactie hebben met fotonen.
Stralingsverval
Eén van de manieren waarop zonnefotonen kunnen verdwijnen is doordat ze interactie hebben met moleculen op bepaalde discrete frequenties, waarbij elke frequentie v overeenkomt met een orbitale overgang van een elektron naar een hoger energieniveau. Dit is weergegeven in de vergelijking
, waarbij 
het verschil in energieniveaus is en 
de constante van Planck. De bijbehorende golflengte 
is 
, waarbij 
de lichtsnelheid is. De resulterende opgewonden staat van het elektron heeft echter een beperkte levenstijd en de bijbehorende energie kan op twee manieren verloren gaan:
1. De elektron valt terug naar zijn stabiele baan, waarbij hij een foton uitzendt met dezelfde energie en frequentie maar in willekeurige richting;
2. Onder zeer hoge druk is het waarschijnlijk dat moleculaire botsingen optreden voordat een foton uitgezonden kan worden, waardoor de energie
behorende bij de opgewonden toestand omgezet wordt in andere vormen van energie: de foton is nu geabsorbeerd. Als kinetische energie wordt opgewekt tijdens dit proces zal dit heel snel gedeeld worden tussen de moleculen door midden van interacties zoals botsingen en (aangezien thermische energie de macroscopische uitdrukking is van moleculaire kinetische energie) de zeer lokale opwarming van de atmosfeer. Deze overdracht van de energie van de foton naar warmte kan ‘thermalisatie’ genoemd worden.
Het verval van straling, zoals genoemd bij punt 1, is een voorbeeld van de verstrooiing van een foton in een gegeven, discrete frequentie door een molecuul. Veel belangrijker voor atmosferische fysica zijn de processen binnen een continuüm van de verstrooiing van fotonen, over een breed bereik van frequenties, door moleculen en door vaste of vloeibare deeltjes zwevend in de atmosfeer.
To-do:
- Toevoegingen over verstrooiing, de Planck functie en het concept van een lokaal thermodynamisch evenwicht (ben hier zelf al een beetje mee bezig, maar misschien willen Torkaan en Alwin ook iets schrijven?)
- Beschrijving van rudimentaire werking van klimaatmodellen, voor- en nadelen, stand van zaken wat betreft prestaties (Wouter?)
Introductie
De Aarde bevindt zich in een gigantische vacuüm ruimte met op 149.600.000 kilometer afstand een zon. Aangezien er geen fysieke wijze is waarop onze planeet zonlicht kan ontvangen, moet het over die afstand naar ons toegezonden worden in de vorm van elektromagnetische straling. En omdat onze planeet niet in fysiek contact met iets anders is, kan het enkel warmte verliezen door middel van straling. De energie-uitstoot van de zon is ongeveer 6,3×106 W/m², wat overeenkomt met een lichaamstemperatuur van 5.770 Kelvin. Als we deze hoeveelheid energie verdelen over de schijf van de Aarde dat naar de zon gericht is, dan ontvangt de aarde ongeveer 1.368 W/m² (S).
Omdat de planeet ruwweg een bol is wordt de hoeveelheid zonne-energie die de schijf ontvangt (pi r^2) verdeeld over het oppervlak van de bol (4pi r^2). Dit resulteert in ruwweg 342 W/m² aan zonne-energie aan de bovenkant van de atmosfeer. Ongeveer 70% daarvan kan gebruikt worden om de planeet te verwarmen, aangezien de albedo van de planeet (a = 0,3) ervoor zorgt dat een flink deel gereflecteerd wordt rechtstreeks terug de ruimte in. In totaal ontvangen de aarde en de atmosfeer dus zo’n 239 W/m2 aan zonne-energie om ons warm te houden en de atmosferische circulatie in stand te houden.
Alle objecten die een temperatuur hebben boven het absolute nulpunt (0 Kelvin) zenden straling uit en de intensiteit van die straling hangt af van de temperatuur van het object. Specifieker, de intensiteit hangt af van de vierdemacht van de temperatuur (
, waarbij de Stefan Boltzmann constante is, , en T is in Kelvin). De Aarde vormt hier geen uitzondering op en om te compenseren voor de inkomende straling van de zon moet eigen infrarode straling uitgezonden worden aan de top van de atmosfeer. Als het geen straling zou uitzenden naar de ruimte zou de planeet alleen maar warmte vergaren en uiteindelijk zonder grens opwarmen. Elk object dat niet in stralingsevenwicht is zal opwarmen of afkoelen afhankelijk van of het meer straling ontvangt dan het uitzend of omgekeerd. Het is de verandering in temperatuur waardoor het object weer in stralingsevenwicht komt.Elektromagnetisch spectrum
Het elektromagnetisch spectrum (bron: natuurkunde.nl)
Het elektromagnetische spectrum is opgedeeld in delen, zoals infrarood, zichtbaar, ultraviolet (UV), microgolven, et cetera. In dit verhaal zullen we enkel ingaan op zichtbare (ook wel genoemd kortgolvige) en infrarode (ook wel genoemd langgolvige) straling. Zichtbare straling is veel intenser dan infrarode en wordt uitgestraald door objecten met hogere temperaturen. Het enige wat we moeten onthouden voor dit artikel is dat de zon een voorkeur heeft om straling uit te zenden in het zichtbare deel van het spectrum, terwijl de Aarde juist energie verliest in het infrarode deel.
De effectieve stralingstemperatuur van de Aarde met radius r is
of
= 255 KelvinDeze temperatuur ligt ver beneden het vriespunt, wat aantoont dat als de temperatuur van de Aarde enkel afhankelijk zou zijn van de hoeveelheid straling die we ontvangen van de zon het ver van bewoonbaar zou zijn. Het gat tussen onze hedendaagse comfort en een verijsde planeet komt door het feit dat niet alle uitgaande infrarode straling gelijk de ruimte in gaat, maar geabsorbeerd wordt door de atmosfeer en waarvan een deel weer neerwaarts uitgestraald wordt richting het aardoppervlak. Dit is het gevolg van de aanwezigheid van broeikasgassen in de atmosfeer, die transparant zijn voor inkomende zonnestraling, maar uitgaande infrarode straling sterk absorberen.
Het broeikasgas CO2
Koolstofdioxide (CO2) is een broeikasgas. Dit komt omdat het gas in staat is infrarode straling, afkomstig van de zon, te absorberen. Dit is weer een van de gevolgen van de unieke eigenschappen van het gas. De huidige mengverhouding van CO2 in de atmosfeer is 385 ppmv (parts per million by volume, volumeconcentratie in delen per miljoen). Aan het begin van de industriële revolutie bedroeg de mengverhouding zo’n 280 ppmv, er is dus sindsdien een stijging opgetreden van ~38%. De rest van de eenentwintigste eeuw zal de mengverhouding waarschijnlijk nog met tenminste 75% toenemen ten opzichte van het huidige niveau tot zo’n 650 ppmv.
Nu lijkt het huidige aantal van 385 deeltjes ten opzichte van de overige 999.615 deeltjes niet veel (zo’n 0,03%), als je ze allemaal bij langs zou gaan. De mengverhouding is numeriek gelijk aan de druk die door het gas uitgeoefend wordt, voor CO2 genoteerd als pCO2, de huidige concentratie is dus 385 ppmv en is gelijk aan 385 µatm. Het lijkt misschien counterintuïtief dat een dergelijke kleine concentratie een dergelijke prominente invloed kan hebben op de temperatuur op Aarde, maar het feit is dat de meeste gassen (zoals N2, O2, argon) in de atmosfeer geen enkele interactie hebben met infrarode straling. Daarom kunnen we de aanwezigheid van deze gassen negeren.
Het effect dat een broeikasgas heeft op de temperatuur hangt af van de concentratie, waar het absorbeert in het spectrum en waar de Aarde straling uitzend, alsmede ook de overlap met andere gassen. Ozon is bijvoorbeeld een broeikasgas (O3) en zorgt voor een optisch afgesloten atmosfeer wat betreft de uitzending van langgolvige straling tussen 9 en 9,7 µm. Omdat de bandbreedte of het venster gesloten is, hebben veranderingen in de hoeveelheden ozon weinig invloed op het absorptievermogen ervan in de atmosfeer. Cfk’s daarentegen hebben een open venster voor langgolvige straling tussen 8 en 13 µm, de invloed van deze gassen is daarom veel groter. Op moleculair niveau kan de invloed wel duizenden malen sterker zijn dan koolstofdioxide, maar cfk’s zijn zo weinig aanwezig in de atmosfeer dat de concentratie ervan wordt uitgedrukt in deeltjes per triljoen. Vandaar dat ze een betrekkelijk kleine invloed hebben.
Het veranderen van de hoeveelheid van een gas op plekken waar uitgaande langgolvige straling vrijelijk de atmosfeer kan verlaten heeft een grotere invloed als er al wat van het gas aanwezig is. De mate van ‘verzadiging’ is ook van belang, het wordt vaak opgemerkt dat methaan (CH4) krachtiger is dan CO2, maar dit heeft niet te maken met een of ander intrinsieke eigenschap van het gas maar simpelweg met het feit dat het in lagere concentraties voorkomt en dus nog zijn belangrijkste absorptiebanden moet vullen. Als methaan in hogere concentraties zou voorkomen dan CO2 zou het omgekeerde waar zijn: CO2 zou dan op moleculaire basis krachtiger zijn.
Het toevoegen van gas bij lage concentraties heeft een groter effect dan bij hoge concentraties omdat dan de absorptie van de piek naar de vleugels gaat. De absorptie van koolstofdioxide is nog niet verzadigd, maar de effecten van absorptie kennen om deze reden een exponentiële groei en geen lineaire (en dat is maar goed ook, anders zou de atmosfeer ontzettend gevoelig zijn voor kleine veranderingen).
Absorptie van infrarode straling
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 kwantificering 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.
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.
Straling in het algemeen
In de atmosfeer van onze planeet speelt straling een cruciale rol. In de context van het bovenstaande gaat het vooral om de overdracht van energie door fotonen of vergelijkbaar door elektromagnetische golven. De fotonen vallen in twee categorieën:
* ‘Zonnefotonen’: fotonen, uitgestraald door de zon, die in de kortgolvige golflengten zitten van het ultraviolet, zichtbaar en infrarood, tussen 0,1 en 4 µm;
* ‘Thermische fotonen’: fotonen, uitgestraald door de atmosfeer of het aardoppervlak, die vooral in de infrarode, meer langgolvige golflengten zitten, tussen 4 en 100 µm.
De twee bereiken van golflengten komen overeen met de spectrale gebieden van straling van een zwart lichaam met een temperatuur van 6000 Kelvin (de temperatuur van de fotosfeer van de zon) en 288 Kelvin (de temperatuur van het aardoppervlak). Om het gedrag van straling in de atmosfeer te begrijpen moeten we weten hoe allerlei gassen interactie hebben met fotonen.
Stralingsverval
Eén van de manieren waarop zonnefotonen kunnen verdwijnen is doordat ze interactie hebben met moleculen op bepaalde discrete frequenties, waarbij elke frequentie v overeenkomt met een orbitale overgang van een elektron naar een hoger energieniveau. Dit is weergegeven in de vergelijking
, waarbij het verschil in energieniveaus is en de constante van Planck. De bijbehorende golflengte is , waarbij de lichtsnelheid is. De resulterende opgewonden staat van het elektron heeft echter een beperkte levenstijd en de bijbehorende energie kan op twee manieren verloren gaan:1. De elektron valt terug naar zijn stabiele baan, waarbij hij een foton uitzendt met dezelfde energie en frequentie maar in willekeurige richting;
2. Onder zeer hoge druk is het waarschijnlijk dat moleculaire botsingen optreden voordat een foton uitgezonden kan worden, waardoor de energie
behorende bij de opgewonden toestand omgezet wordt in andere vormen van energie: de foton is nu geabsorbeerd. Als kinetische energie wordt opgewekt tijdens dit proces zal dit heel snel gedeeld worden tussen de moleculen door midden van interacties zoals botsingen en (aangezien thermische energie de macroscopische uitdrukking is van moleculaire kinetische energie) de zeer lokale opwarming van de atmosfeer. Deze overdracht van de energie van de foton naar warmte kan ‘thermalisatie’ genoemd worden.Het verval van straling, zoals genoemd bij punt 1, is een voorbeeld van de verstrooiing van een foton in een gegeven, discrete frequentie door een molecuul. Veel belangrijker voor atmosferische fysica zijn de processen binnen een continuüm van de verstrooiing van fotonen, over een breed bereik van frequenties, door moleculen en door vaste of vloeibare deeltjes zwevend in de atmosfeer.
To-do:
- Toevoegingen over verstrooiing, de Planck functie en het concept van een lokaal thermodynamisch evenwicht (ben hier zelf al een beetje mee bezig, maar misschien willen Torkaan en Alwin ook iets schrijven?)
- Beschrijving van rudimentaire werking van klimaatmodellen, voor- en nadelen, stand van zaken wat betreft prestaties (Wouter?)