Astronomía

¿Por qué la Tierra tiene una caída en el espectro de absorción de CO2 de 14 a 16 micrones?

¿Por qué la Tierra tiene una caída en el espectro de absorción de CO2 de 14 a 16 micrones?


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Este artículo muestra que hay una caída en el espectro de absorción de CO2 de la Tierra. En esencia, el canal de absorción de CO2 de la Tierra se corta en dos canales separados en lugar de 1 canal grande. ¿Porqué es eso?

original sin flecha

Como ha habido algunos comentarios sobre si esto está relacionado con el planeta o con las moléculas, aquí hay una imagen adicional que muestra la ausencia del doble valle en el patrón de absorción de CO2 para Venus mientras lo muestra para la Tierra:


Eric Jensen ya ha proporcionado un enlace agradable a una descripción de la estructura básica del $ { rm CO} _ {2} $ espectro, así que me centraré en la pregunta de por qué hay un "pico" en 15.0 micrones en el espectro de la Tierra, pero no en los espectros de Venus o Marte.

Si miras el enlace en la respuesta de Eric, la primera imagen muestra una versión de alta resolución del $ { rm CO} _ {2} $ espectro de absorción, incluidas las características principales a derecha e izquierda. Hay además un pico de absorción muy fuerte en el medio (la "rama Q") de aproximadamente 15.0 micrones (667 $ { rm cm} ^ {- 1} $ en números de onda). La pregunta entonces es: ¿por qué esta característica aparece como una caída adicional en el espectro de Venus (y, apenas visible, en el espectro de Marte), como era de esperar, pero aparentemente como una cima en los espectros de la Tierra?

La respuesta depende del hecho de que los espectros mostrados en la pregunta no son, estrictamente hablando, absorción espectros. En realidad, son medidas de resplandor / intensidad de la luz infrarroja emitida por diferentes capas en la atmósfera del planeta en cuestión, como se ve desde una nave espacial en órbita. (En la primera figura, se reduce a la atmósfera por encima de ciertos lugares de la Tierra). Por lo tanto, muestran una combinación de los espectros de absorción molecular y la estructura de temperatura de la atmósfera.

En términos simples, los espectros muestran la emisión térmica (cuerpo negro) de las capas de la atmósfera donde los fotones ascendentes pueden escapar al espacio sin ser absorbidos por las capas superiores de la atmósfera. La altitud de estas capas está determinada por la cantidad de gas absorbente (p. Ej., $ { rm CO} _ {2} $) y la fuerza de la absorción a una longitud de onda dada. Cuanto más fuerte es la absorción, más arriba está la capa que puede emitir libremente al espacio.

(Tenga en cuenta que para longitudes de onda con cero absorción de cualquier molécula, la "capa emisora" es en realidad la superficie del planeta).

Cómo mucho La luz infrarroja se emite en una longitud de onda dada, luego depende de la temperatura de la capa emisora, y es aquí donde la estructura de temperatura vertical de la atmósfera cobra importancia. Para Venus y Marte, y para la mayoría de las altitudes emisoras de la Tierra, la temperatura disminuye con la altitud, de modo que las capas emisoras más altas tienen temperaturas más bajas y, por lo tanto, emiten menos radiación. El efecto neto es reproducir las características de absorción, aunque técnicamente no todo es un espectro de absorción.

Pero en el caso de la Tierra, la absorción más fuerte, por ejemplo, en la parte de la rama Q de la $ { rm CO} _ {2} $ absorción, a 15.0 micrones, fuerza una altitud de emisión que es tan alta que en realidad se encuentra en la estratosfera. Y en la estratosfera, la temperatura aumenta con altitud. Entonces, el pico de absorción de la rama Q obliga a la capa emisora ​​a estar en un temperatura más alta que es el caso para el resto de la $ { rm CO} _ {2} $ régimen de absorción.

Esta página web MODTRAN de la Universidad de Chicago, que traza la emisión predicha de la atmósfera terrestre vista desde una altitud de 70 km (configuración predeterminada), muestra esto bastante bien. Los parámetros predeterminados incluyen un moderno $ { rm CO} _ {2} $ concentración de 400 ppm, que da la característica que se ve en las observaciones de la Tierra (es decir, el pico de emisión local en el medio del valle de 15 micrones, que he etiquetado como "inversión de la rama Q"):

Pero si marca el $ { rm CO} _ {2} $ concentración baja (por ejemplo, a 10 ppm), las altitudes de emisión son más bajas para todos $ { rm CO} _ {2} $-absorbendo longitudes de onda, tanto que la altitud de emisión de la rama Q está por debajo de la estratosfera y, por lo tanto, a una temperatura más baja que el resto, y por lo tanto emite menos flujo, lo que le da el perfil esperado emisión en la longitud de onda de la rama Q, en lugar de una inversión):

(Finalmente, creo que el espectro peculiar para el caso "Antártico" en la primera figura se debe al perfil inusual de temperatura de la atmósfera en las regiones árticas, que incluye el aumento de temperatura con la altitud en los primeros kilómetros sobre el suelo; el hecho de que el interior de la Antártida es de gran altitud también podría ser relevante).


Esto es causado por la estructura interna del CO2 molécula. Cuando una molécula absorbe luz, la energía del fotón cambia la energía interna de la molécula. Muchas bandas que absorben fuertemente (especialmente en longitudes de onda de infrarrojos y de radio) están relacionadas con cambios tanto en la energía rotacional como vibratoria de la molécula. En esta banda en particular, la vibración está cambiando desde su valor más bajo posible (el "estado fundamental") a su segundo valor más bajo. Las partes de la banda de absorción a la derecha son donde la energía rotacional también aumenta ligeramente, y las partes a la izquierda están donde disminuye ligeramente (tanto en un paso como en un número cuántico rotacional).

Hay un espectro más detallado de esa característica de absorción en esta discusión de CO2 en la atmósfera.

EDITAR: Esto no aborda completamente la inversión central: inicialmente pensé que podría explicarse simplemente suavizando la absorción general vinculada anteriormente a una resolución más baja, pero @Peter Erwin tiene la respuesta correcta. Vea la respuesta de Peter para la explicación correcta.