Mistä ilmakehän kaasujen absorptio- ja emissiospektrit muodostuvat? Ovatko ne kooste
A) atomien elektronien viritystilojen muutoksista
ja
B) molekyylien pyörimis- ja värähtelytilojen muutoksista?
Erottaako spektriviivoista jotenkin kummasta on kyse?
Otetaan esimerkiksi happimolekyyli O2, joka ei infrapuna-alueella ole kovin aktiivinen. Kuitenkin molekyylien törmäyksen seurauksena se voi saada hetkellisen dipolimomentin ja IR-absorbointi on mahdollista. Ovatko kaikki happimolekyylin spektriviivat IR-alueella (esim. SpectralCalc) siis vain törmäyksistä johtuvia?
A) atomien elektronien viritystilojen muutoksista
ja
B) molekyylien pyörimis- ja värähtelytilojen muutoksista?
Erottaako spektriviivoista jotenkin kummasta on kyse?
Otetaan esimerkiksi happimolekyyli O2, joka ei infrapuna-alueella ole kovin aktiivinen. Kuitenkin molekyylien törmäyksen seurauksena se voi saada hetkellisen dipolimomentin ja IR-absorbointi on mahdollista. Ovatko kaikki happimolekyylin spektriviivat IR-alueella (esim. SpectralCalc) siis vain törmäyksistä johtuvia?
Vastaukset 6
Vanhimmat
Ilmakehässä vain jalokaasut eli käytännössä argon ja vähäisessä määrin neon sekä helium ovat yksittäisinä atomeina, jolloin niissä nähdään pelkkiä elektronien viritystilojen muutoksia. Kaikki muut kaasut esiintyvät molekyyleinä, jolloin niiden absorptio- ja emissiospektrit ovat kyseisten molekyylien rakenteen määräämiä.
Kun puhut hapen absorptiosta IR - alueella niin tarkoitat ilmeisesti lähi-ir alueen viivaa noin 1.27 um paikkeilla. Itse en ole molekyylien absorptiospektreihin syvällisesti tutustunut mutta pieni googlaus löysi tämän, jonka koko artikkeli on sci-hub palvelun kautta doi koodilla ladattavissa.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0009261499005849
"Molecular oxygen (O2) has absorption bands throughout the spectrum from the infrared (IR) to the ultraviolet 1, 2, 3, 4. Some of these absorptions are continuum features arising from dimer or collision complexes of O2 (e.g., O2·O2), known as collision-induced absorption (CIA). In the near-IR, the a1Δg←X3Σ−g transition produces the (0, 0) band, centred near 7 900 cm−1 (1.27 μm), and the (1, 0) band, centred near 9 400 cm−1 (1.06 μm). "
Samoja spektriviivoja käsittelee myös
doi: 10.1038/s41557-018-0015-x
https://xs.typicalgame.com/scholar?q=+10.1038/s41557-018-0015-x+
"O2−O2 and O2−N2 collision-induced absorption mechanisms unravelled"
... vielä lisäys. Jos haluat saada parempia vastauksia aiheeseen liittyviin kysymyksiin niin kannattaisi ehkä harkita kysymyksen esittämistä Physics Stack Exchange - sivustolla. Sielläkin vastausten saaminen voi olla vaikeaa ainakin sen perusteella mitä itse yritin aiheeseen liittyviä kysymyksiä ja niiden vastauksia selailla.
Quorassa vastausten taso on usein ihan mitä sattuu.
Kiitokset.
Tuolla em. SpectralCalcissa katsoin millaisia spektriviivoja happimolekyylillä on esim. välillä 1-100 mikrometriä. Lähi-IR:ssä on tosiaan muutama vahvempi kohta ja sitten 6-7 mikrometrin kohdalla jotain. Seuraavaksi niitä löytyy 30 mikrosta eteenpäin ensin enemmän ja sitten tasaisesti harventuen. Toki vesihöyryyn ja CO2:een verrattuna hyvin vaatimattomasti, mutta kuitenkin jotain "toimintaa". Typpimolekyylillä samantyyppisesti, vaikkakin spektriviivoja on vielä selvästi vähemmän.
Ihmettelen miten O2 ja N2 yleensäkään onnistuvat jäähtymään jos säteily on heikkoa. Joutuvatko nuo reppanat lähinnä vain odottamaan, että törmäisivät kasvihuonekaasuun? Jossain 50 km korkeudessa H2O-molekyylejäkin voi olla jo aika harvassa.
Kyllähän tuo heikko jäähtyminen "näkyy", kun helteitä aiheuttavat kuumat ilmamassat vaeltavat tänne Afrikasta asti.
Stratosfäärissä veden korvikkeena on otsoni O3, jolla on mitattavissa olevaa emissiivisyyttä myös pitkäaaltoisen infrapunan puolella. Jossakin 50 km paikkeilla on standardi-ilmakehän taulukkojen mukaan ilmanpaine luokkaa 8 Pa paine...
https://www.engineeringtoolbox.com/standard-atmosphere-d_604.html
... ja molekyyli törmää toiseen keskimäärin ehkä noin 80 mikrometrin lentomatkan jälkeen. Typessä olisi 20 aseen lämpötilassa 64 um törmäysväli 100 Pa paineessa ja tuolloin 0.14 us törmäysväli eli keskimäärin 7 MHz törmäystaajuus. Lukuarvot Fontell et al: "Tyhjiotekniikka"
Onhan tuo toki ihan toista kuin alailmakehässä jossa molekyylin vapaa matka on tuosta tuhannesosa ja törmäystaajuus vastaavasti tuhatkertainen. Mutta silti kun ilmassa on noin 420 ppm kasvihuonekaasua CO2 niin jokainen ilman molekyyli tuollakin korkeudella törmää CO2 molekyyliin luokkaa 3000 kertaa sekunnissa.
Totta, näin maallikkona on vaikea hahmottaa millainen kaoottinen vilske tuolla ilmakehässä oikeasti on.
Muistui mieleen, että satelliitit ovat pitkään mitanneet hapen mikroaaltosäteilyä (näköjään välillä 50-60 gigahertsiä). Ja tosiaan, SpectralCalcista löytyi taas enemmän O2:n spektriviivoja noin 5-6 millin aallonpituuksilla, en ensin hoksannutkaan katsoa noin kaukaa. N2:lla ei näy tuolla mitään aktiivisuutta - ilmakehän valtakaasu on todella huono säteilemään.