Когда молекула парникового газа поглощает фотон длинноволнового инфракрасного излучения, она переходит в следующее разрешенное колебательное состояние. Колебательное состояние, как я понимаю, связано с деформациями химических связей между атомами. Представляет ли это более высокое квантовое колебательное состояние изменение температуры? Нагревает ли непосредственно атмосферу поглощение инфракрасного излучения? В ответ на этом форуме Флорис написал:
«Однако существуют также полосы поглощения в ближнем ИК-диапазоне, на 1,4, 1,9, 2,0 и 2,1 мкм (см. «Поглощение углекислого газа в ближнем инфракрасном диапазоне»). Эти полосы будут поглощать энергию солнца «по пути вниз», и в результате при атмосферном нагреве».
Это означает, что поглощение некоторого количества излучения напрямую нагревает атмосферу. Это правда?
Часть проблемы заключается в том, что я не понимаю, как различные материалы/носители нагреваются электромагнитным излучением. Я понимаю концепцию молекул парниковых газов, возбуждаемых только фотонами, которые соответствуют энергетической щели между разрешенными квантовыми состояниями молекулы. Я также в какой-то мере понимаю столкновительное уширение полос поглощения в том смысле, что оно должно происходить в некоторой степени в связи со столкновением и использовать тот факт, что энергия столкновения (кинетическая энергия) не квантуется. Но я не нахожу основных объяснений того, как разные части солнечного спектра возбуждают разные среды на поверхности Земли, вызывая нагрев.
Однако это больше предыстория, хотя я хотел бы в конечном итоге лучше понять, что происходит на атомном и молекулярном уровне в этом процессе. Мой главный вопрос заключается в том, что молекулярное поглощение радиации непосредственно нагревает атмосферу?
Как указано в ссылке, которую Роб разместил в комментариях к вашему вопросу, при строгом определении температуры вращательная / колебательная энергия возбужденных молекул газа учитывается так же, как и поступательная энергия их движения. Так что да, температура воздуха будет повышаться по определению просто за счет поглощения ИК-излучения.
Но давайте рассмотрим, что происходит, немного подробнее: одна молекула СО2 поглотит фотон, а затем, через определенный промежуток времени, излучит его снова. 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. произойдет термализация и газ станет теплее (если мы определяем температуру исключительно поступательными движениями) . Это, конечно, происходит и в другом направлении, т. е. молекула может возбуждаться при столкновении с другой молекулой. поэтому очень скоро после начала поглощения ИК-излучения газ установится в равновесии, при котором уровень излучения будет таким же, как и поглощения согласно закону Кирхгофа. Добавление непарниковых газов, таких как N2, приведет к смещению энергии от CO2 к газообразному компоненту N2, что высвобождает молекулы CO2 для увеличения поглощения.
Итак, в двух словах, да, воздух будет нагреваться за счет поглощенного ИК-излучения, но это не приведет к уменьшению выбросов. 19-й. ученый века Джон Тиндалл сравнил атмосферный парниковый эффект с рекой, которая была перекрыта плотиной в определенном месте; как только запруженное озеро наполнится и вода перельется через плотину (например, установится равновесие), отток воды будет таким же, как приток, но, тем не менее, озеро будет глубже и будет содержать больше воды, чем другие части реки. Точно так же воздух может быть теплее из-за поглощения ИК-излучения, но при этом излучать столько же излучения, сколько поглощает.
Этот ответ помог мне прояснить мои мысли по этому вопросу: https://physics.stackexchange.com/a/67578/157769
Вас также может заинтересовать близкий мне вопрос: есть ли разница в спектре инфракрасного поглощения парникового газа в чистом виде и в смеси с непарниковыми газами?
грабить