¿Cómo absorbe el dióxido de carbono o el vapor de agua la radiación infrarroja térmica del sol?

Question

A todos nos dicen en la escuela que el vapor de agua y el dióxido de carbono son los dos principales gases de efecto invernadero y que absorben la radiación infrarroja térmica, atrapan el calor y calientan la Tierra. Mi pregunta es ¿cómo lo hacen? ¿Por qué el oxígeno, el nitrógeno o cualquier otro gas no absorben la radiación infrarroja tan bien como el vapor de agua o el CO2?

Answer 1

La absorción de la radiación IR se debe a las vibraciones de las moléculas. Cuando una vibración provoca un cambio en la distribución de la carga (o momento dipolar para ser más específicos) se absorbe la radiación IR.

Generalmente, las moléculas heteropolares, como $\rm H_2O$ y $\rm CO_2$ tienen momento dipolar permanente. En este caso, el campo eléctrico oscilante externo perturba el Hamiltoniano y provoca la absorción IR. Por lo tanto, contribuyen al "efecto invernadero" mediante la absorción de calor.

$\rm H_2O$ que es una molécula no lineal, tiene tres modos fundamentales de vibración. Estiramiento simétrico, estiramiento asimétrico y tijera (flexión). $\rm CO_2$ que es una molécula lineal, tiene cuatro modos fundamentales de vibración. Estiramiento simétrico, estiramiento asimétrico y dos modos degenerados de tijera, en planos perpendiculares. El modo de estiramiento simétrico en $\rm CO_2$ no produce ni absorbe ningún IR, ya que no causa cambio en el momento dipolar, pero otros modos sí cambian la distribución de carga causando absorción de IR.

Bueno, las moléculas homo-polares, como $\rm N_2$ y $\rm O_2$ no tiene ningún momento dipolar permanente. El campo eléctrico oscilante externo no perturba el Hamiltoniano para el movimiento nuclear, y no absorbe IR, aunque perturba el Hamiltoniano para el movimiento electrónico. Por lo tanto, no contribuye al "efecto invernadero".

Answer 2

Como se puede ver en estos espectros de absorción para $\textrm{H}_2\textrm{O}$ y $\textrm{C}\textrm{O}_2$ ambas moléculas tienen una absorción de moderada a fuerte en las longitudes de onda del infrarrojo medio, con una absorción de $\textrm{C}\textrm{O}_2$ extendiéndose hacia las longitudes de onda más largas.

Otras moléculas comunes en la atmósfera no tienen una absorción tan fuerte en las longitudes de onda emitidas por la radiación térmica. Si me pregunta por qué, me temo que no puedo darle una respuesta muy detallada, salvo decirle que los espectros de absorción de las moléculas (y los átomos) se rigen por la mecánica cuántica. Quizá otra persona pueda explicarte cómo se calculan a partir de los principios, pero eso está fuera de mi alcance.

Answer 3

El CO2 y el H2O absorben mucha radiación IR porque tienen vibraciones internas con la misma energía que los fotones infrarrojos.

Cada molécula tiene un conjunto diferente de vibraciones internas, y éstas coinciden con las frecuencias que absorbe y emite más fácilmente. Cuando se emite el fotón, la molécula pierde la energía de esa vibración, y la energía se transfiere al fotón.

En esencia, se reduce a la conservación de la energía.

Answer 4

En cierta cantidad, todo en el aire, incluyendo el nitrógeno y el oxígeno absorbe y emite la radiación del cuerpo negro en las frecuencias que se superponen las frecuencias absorbidas por Las emisiones de CO2. De hecho, la única razón por la que hay IR en el aire es debido a que la superficie de la la tierra emite la radiación del cuerpo negro en proporción a su temperatura. El aire entonces no lo mismo en algún nivel. La pregunta es entonces, en qué cantidad es la atmósfera que absorben y emiten la radiación del cuerpo negro. La emisividad de nitrógeno y los gases de oxígeno debe ser cerrado al 100%, ya que no reflejan IR de manera significativa. Pero la gran pregunta es ¿cómo la cantidad de cuerpo negro de la absorción de comparar a la huella de absorción de Las emisiones de CO2. Medidas reales y los números no parecen existir. Para los promotores de uso los modelos de computadora para dividir el calor de la atmósfera entre los contaminantes como el CO2 y todo lo demás. Que, a continuación, tire de tales números del sombrero que decir los aumentos en los niveles de CO2 creará un aumento de la temperatura de alrededor de 6 grados. Este aproximadamente el 20% de los 33 grados. el que la atmósfera se dijo para contribuir a la la temperatura del globo.Hay alrededor de 30 veces la cantidad de vapor de agua de las moléculas en el aire como las moléculas de CO2 y el vapor de agua tiene una más eficaz de huellas dactilares del espectro. También es mucho más variable. Esto significa que el vapor de agua se encuentran a lo CO2. Es obviamente, no ser honesto al decir de CO2 hace veinte por ciento de la calefacción, cuando hay un centenar de veces la cantidad de vapor de agua haciendo la misma cosa.

Answer 5

Dado que el CO2 irradia energía IR, no puede decirse que "absorba" la energía. Simplemente la convierte en otra frecuencia del espectro electromagnético. El resultado final es la transparencia.