Drivhusgassen CO2 – Del 2

I Del 1 gikk jeg gjennom (deler av) det infrarøde spekteret til CO2, og viste hvordan hver eneste frekvens kan relateres til en veldefinert vibrasjons-rotasjons overgang for molekylet.

Jeg skal nå se litt på hvilke konsekvenser dette har for transmisjon av infrarød stråling i en atmosfære med CO2.

Igjen baserer jeg meg meg på Hitran, og bruker deres nedlastbare Python program Hapi.

Litt om linjebredde
Kvantemekaniske overganger er i utgangspunktet skarpe. Det vil være en liten linjebredde knyttet til begrenset levetid av eksitert tilstand som følge av Heisenbergs usikkerhetsrelasjon. De observerte linjene vil likevel ha en større bredde fordi fotonet kan få bidrag til energi fra andre kilder enn vibrasjons-rotasjons overgangen.

Det er to hovedbidrag:

  • Trykk- eller kollisjons-bredning
  • Doppler-bredning

Den første dominerer ved høye trykk, hvor molekylene kolliderer ofte, og kan beskrives som at fotonet får litt av sin energi fra tidligere kollisjoner. Doppler-forbedring dominerer ved lavere trykk, og skyldes relativ bevegelse av molekylet i forhold til fotonet.

En konsekvens av dette er at linjene blir smalere når trykket avtar, slik at enkelt-modene er bedre oppløst høyt i atmosfæren.

Eksempler på infrarød transmisjon i atmosfæren

Jeg viser her noen eksempler på resultater fra Hapi.

Figur 1 viser transmisjon gjennom 10 m tørr atmosfære med trykk 1 atmosfære, 400 ppm CO2 og temperatur 296 K.

Y-verdi 1,0 betyr at alt går gjennom, mens y-verdi 0,0 betyr at ingenting kommer gjennom.

Man ser at den fundamentale Q-grenen er gått kraftig i metning, og at deler av P og R grenene også er svært nær metning. Altså: Stråling for CO2‘s mest aktive frekvenser stoppes på 10 m i atmosfæren nær bakken.

Figur 1. Transmisjon av stråling gjennom 10 m tørr atmosfære med 400 ppm CO2, beregnet med HITRAN. Modene som ble diskutert i Figur 8 i Del 1, ved 618 og 720 cm-1 er tydelige.

Figur 2 viser det samme, men for 1 km gangvei. Man ser at et betydelig frekvensområde i metning, men det er fortsatt brede vinger hvor økning i CO2 vil øke absorpsjonen

Figur 2. Transmisjon av stråling gjennom 1 km tørr atmosfære. (Legg merke til de skarpe toppene rundt hhv. 544 og 779 cm-1. Dette er Q-grenene til absorpsjon som svarer til startpunkt ett kvant i symmetrisk strekk, som så økes med ett kvant i bøyemoden. Man ser fortsatt tydelig modene som ble diskutert i Figur 8 i Del 1, ved 618 og 720 cm-1

Figur 3 viser hvordan absorpsjonen endrer seg ved lavere trykk og temperatur, her 0,3 atmosfære og 210 K.

Figur 3. Transmisjon av stråling gjennom 1 km tørr atmosfære, ved trykk 0,3 atmosfære og temperatur 210 K. Lavere trykk fører til skarpere enkelt-linjer, og lavere temperatur fører til mindre bidrag fra «hot bands».

Drivhuseffekten

Drivhuseffekten handler om hvilken høyde i atmosfæren IR stråling unnslipper fra jorda – den fluksen må balansere innkommende stråling fra sola.

Basert på dataene i HITRAN-databasen og modeller for hvordan trykk, vanndamp osv. varierer med høyden, kan høyden hvor IR unnslipper estimeres.

MODTRAN er en endimensjonal kode for å beregne dette. Figur 4 viser resultater fra MODTRAN, antatt tropisk atmosfære og bakketemperatur 300 K. De røde og blå kurvene viser temperaturen for stråling som unnslipper jorda. Den blå kurven viser effekten av kun vanndamp, men den røde kurven viser samlet effekt av vanndamp og CO2. Vi ser at med unntak av området 800 cm-1 til 1200 cm-1 («det atmosfæriske vindu») kommer strålingen fra høyt oppe i atmosfæren.

Det understrekes at spesielt den blå kurven ikke er en likevektskurve – bidraget fra CO2 er nødvendig for å opprettholde temperaturen. Lavere temperatur vil medføre mindre vanndamp i luften – og dermed mindre drivhuseffekt fra vanndamp. Uten bidraget fra CO2 vil jordkloden fryse over.

Figur 4. MODTRAN: Estimat av temperaturen på stråling som forlater jordkloden. De svarte og grå kurvene er svart legeme stråling med hhv 300, 280, 260, 240 og 220 K. Blå kurve vise bidraget fra vanndamp, mens rød kurve viser samlet bidrag fra vanndamp og CO2. Øvrige drivhusgasser er neglisjert. De modellerte kurvene stemmer svært godt med satellittmålinger, se f.eks. Pierrehumbert, 2009

— Arne Marius Raaen —

Dette innlegget ble publisert i Klima. Bokmerk permalenken.

Legg igjen en kommentar