Есть ли разница в инфракрасном спектре поглощения парникового газа в чистом виде и в смеси с непарниковыми газами?

Согласно стандартной гипотезе МГЭИК об изменении климата в парниковых условиях, удвоение доиндустриальной концентрации CO2 в атмосфере, составлявшей 285 частей на миллион (текущее значение составляет 405 частей на миллион), привело бы к увеличению обратного излучения или радиационного воздействия на 3,7 Вт/м2 (более раннее утверждение было 4,3 Вт/м2). Используя закон Стефана-Больцмана, это означает повышение температуры примерно на 0,7 ° C (на самом деле МГЭИК утверждает 1 ° C, обсуждение см. здесь ) . МГЭИК также утверждает, что существуют механизмы обратной связи, которые усиливают это начальное повышение температуры еще в 1,5–4 раза, но в данном контексте это не должно нас беспокоить.

Чтобы проверить это, химик, доктор Хайнц Хуг, провел следующий простой эксперимент (« Климатическая катастрофа — спектроскопический артефакт? »). 1993 г.); затем он взял еще один с пробой воздуха с удвоенной концентрацией. Результат сравнения двух спектров показал увеличение поглощения на 0,17%, что эквивалентно увеличению радиационного воздействия на 0,054 Вт/м2, что составляет примерно 1/70 от значения МГЭИК. Это приведет к повышению температуры всего примерно на 0,015°C.

В чем может быть причина такого огромного расхождения? Поскольку радиационные модели «изменения климата» основаны на весьма сомнительных предположениях, нет недостатка в возможных отправных точках. Одним из них является тот факт, что модели основаны на спектрах ИК-поглощения, генерируемых чистыми парниковыми газами. В реальном мире, конечно, основная часть атмосферы состоит из газовой смеси, состоящей в основном из непарниковых газов. Просто предполагается, что характеристика поглощения ИК-излучения парникового газа не изменится при наличии других типов газов.

Чтобы проверить, действительно ли это предположение верно, д-р Хуг провел еще один эксперимент, в котором он провел сравнение спектров инфракрасного поглощения ( Hug & Barrett против IPCC ) между чистым CO2, CO2, смешанным с гелием, и CO2, смешанным с азотом. Во всех трех случаях количество поглощающих молекул СО2, температура и общее давление были одинаковыми (последний пункт особенно важен, так как увеличение давления газа приводит к соответствующему увеличению поглощения за счет расширения полосы ИК-поглощения, эффект, называемый давлением или столкновительное уширение). В результате поглощение в СО2, смешанном с гелием, было значительно выше, чем в чистом СО2 и тем более в смеси с азотом.

Эти результаты, если они верны, имеют далеко идущие последствия. В частности, это означает, что полоса поглощения СО2 намного более насыщена, чем предполагалось МГЭИК, с, соответственно, меньшим потенциалом увеличения поглощения в случае более высокой концентрации СО2.

Однако МГЭИК связала ученых, когда столкнулась с результатами доктора Хуга, настаивая на том, что для поглощения инфракрасного излучения не имеет никакого значения, является ли парниковый газ чистым или смешанным с непарниковыми газами, и что измерения доктора Хуга должны быть ошибочными. . Ниже приведена диаграмма, показанная ими (из этой статьи: Расширение давления в инфракрасном и оптическом диаметрах столкновения ), чтобы опровергнуть измерения, сделанные доктором Хугом. Он показывает ИК-поглощение метана, увеличивающееся с парциальным давлением «постороннего газа», такого как гелий или азот (шкала, по-видимому, в торрах, поэтому примерно от 0 до 1 бар). Парциальное давление метана предположительно поддерживается постоянным, а это означает, что давление всей газовой смеси будет повышаться.

Непонятно, почему это должно быть опровержением работы доктора Хуга. То, что происходит увеличение абсорбции из-за повышения давления, конечно, никоим образом не исключает участия других эффектов. То, что невозможно распутать расширение давления неэмпирическим путем, становится ясно в аннотации к статье: «Из полученных результатов становится ясно, что эффекты расширения давления некоторых газов на один поглотитель не могут быть надежно экстраполированы для предсказания воздействия на другой поглотитель. Кроме того, эффекты на одной длине волны в целом не одинаковы на другой длине волны для того же поглотителя». Что хорошо видно на диаграмме, так это то, что, как было измерено доктором Хугом, поглощение различно для разных «посторонних газов» при одинаковом давлении.

Кроме того, расширение под давлением не столько увеличивает поглощение, сколько расширяет его, уменьшая пики и увеличивая боковые полосы. Поскольку измерение на приведенной выше диаграмме проводилось только на пике, весьма вероятно, что эффекты повышенного давления фактически уменьшают наблюдаемое увеличение поглощения!

Насколько я понимаю, вполне логично, что парниковый газ будет иметь более высокую скорость поглощения при смешивании с непарниковыми газами: одна молекула CO2 поглотит фотон, а затем, через определенный промежуток времени, повторно излучит его. В газе, состоящем из многих молекул СО2, одна молекула будет сталкиваться с другими молекулами; среднее время между этими столкновениями, по крайней мере в условиях нижней атмосферы, много меньше, чем среднее время между поглощением и повторным излучением. Когда возбужденная молекула сталкивается с другой, это может привести к преобразованию вращательной/колебательной энергии в поступательную энергию и молекула будет двигаться быстрее, т.е. происходит термализация и газ нагревается (если мы определяем температуру исключительно поступательными движениями) . Это, конечно, происходит и в другом направлении, т.е.

Что произойдет, если теперь мы добавим молекулы непарникового газа, такие как N2? Молекулы N2 будут сталкиваться с молекулами CO2, и таким образом уровни поступательной/колебательной энергии будут уравнены. Поскольку N2 имеет меньшую поступательную энергию и вообще не имеет вращательной вибрационной энергии, это приводит к чистой передаче поступательной/колебательной энергии от молекул CO2 к молекулам N2. Эта потеря энергии означает, что молекулы СО2 способны или, если угодно, должны поддерживать более высокую скорость поглощения для поддержания равновесной температуры. Другая точка зрения состоит в том, что необходимо дополнительное поглощение CO2 для поддержания повышенной температуры N2. Следует еще раз подчеркнуть, что усиленное поглощение будет соответствовать такому же усиленному излучению, как только будет достигнуто новое равновесие.

Но я не эксперт, и доктор Хуг мог ошибиться в своих измерениях. Итак, вопрос заключается в следующем: есть ли разница в инфракрасном спектре поглощения парникового газа в чистом виде и в смеси с непарниковыми газами?

Что было бы идеально, так это графики, подобные приведенной выше диаграмме поглощения давления, но с устранением эффектов давления за счет уменьшения парциального давления парникового газа по мере того, как парциальное давление непарникового газа растет, чтобы поддерживать постоянное общее давление, сохраняя при этом постоянное количество молекул парниковых газов (как это сделал доктор Хуг для одной точки данных давления). Но любые измерения смесей газов, поглощающих и не поглощающих ИК-излучение, при постоянном общем давлении газа должны быть полезными.

Казалось бы, актуальная статья:

Влияние температуры, давления и водяного пара на поглощение инфракрасного излучения в газовой фазе CO2, Д.К. Макдермитт, Дж. М. Уэллс и Р. Д. Эклс

«Интуитивно можно ожидать, что поглощение будет пропорционально количеству молекул поглотителя на пути света, а не мольной доле (Ball, 1987). ясно, что единой функциональной связи до сих пор не существует».

и

«5. Инфракрасные анализаторы CO2 следует калибровать по молярной доле, а не по парциальному давлению или молярной плотности. Это удивительно».

Молярная доля: число молей CO2, деленное на число молей всей воздушной смеси. Таким образом, «удивительный» факт заключается в том, что CO2 недостаточно, непоглощающие газовые составляющие также необходимы для объяснения поведения поглощения, даже после исключения влияния давления.