¿Cómo absorben y emiten radiación los gases de efecto invernadero?

Para mantenerlo simple, depende del número de átomos en una molécula. El dióxido de carbono y el vapor de agua (que tiene tres átomos) pueden absorber y emitir radiación IR, mientras que el oxígeno y el nitrógeno (con solo dos átomos) no pueden.

El punto principal a entender es que los denominados gases “de efecto invernadero” o “activos IR” son los únicos que pueden enfriar la atmósfera, especialmente por la noche, cuando el enfriamiento anula cualquier calentamiento en las condiciones más tranquilas. Entonces, después de la puesta del sol, cuando el nitrógeno, el oxígeno y el argón almacenan más del 98% de la energía térmica en la atmósfera, estas moléculas transmiten parte de su energía térmica a través de colisiones con otras moléculas más frías que pueden incluir moléculas de gas activas por IR que luego se calientan y puede emitir fotones.

Solo los fotones que golpean un objetivo más frío (generalmente más arriba en la troposfera) se termalizan, no los que golpean una superficie más cálida. Por supuesto, parte de la radiación ascendente llega directamente al espacio, incluso parte de la superficie.

Por lo tanto, es el nitrógeno, el oxígeno y el argón los que actúan como una manta que ralentiza el proceso de enfriamiento por la noche, mientras que los gases de efecto invernadero como el vapor de agua (1% a 4% de la atmósfera) y el dióxido de carbono (0.04%) actúan como agujeros en esa manta enfriando así la atmósfera y la superficie a medida que irradian energía de regreso al espacio.

Vale la pena señalar en el diagrama de presupuesto de energía neta de la NASA a continuación que la atmósfera y las nubes absorben el 19% de la radiación solar incidente, pero solo el equivalente del 15% de la radiación ascendente desde la superficie.

Los ejemplos de “gases de efecto invernadero” incluyen clorofluorocarbonos (CFC) e hidroclorofluorocarbonos (HCFC). Estas familias de moléculas contienen átomos de carbono, cloro y flúor.

El ozono consta de dos moléculas de oxígeno unidas entre sí, y tiene el tamaño justo para reflejar los rayos ultravioleta potencialmente peligrosos de vuelta al espacio, protegiendo así a la tierra de estos rayos dañinos.

Cuando las ondas de luz ultravioleta del sol golpean moléculas como el CFC en la atmósfera superior de la tierra, se rompe un enlace carbono-cloro, produciendo un átomo de cloro que flota libremente hasta que encuentra una molécula de ozono. El átomo de cloro reacciona con la molécula de ozono, rompiéndolo y destruyendo el ozono y agotando la capa protectora de ozono. Una sola molécula de CFC descompuesta puede destruir aproximadamente 100,000 moléculas de ozono. Sin embargo, en realidad no “emiten” radiación.

Es el hecho de que absorben la radiación infrarroja lo que los convierte en gases de efecto invernadero. El mecanismo real por el cual se absorbe el infrarrojo depende de las moléculas. Las longitudes de onda ópticas tienden a ser absorbidas por las transiciones electrónicas entre los orbitales atómicos. Las longitudes de onda infrarrojas son de menor energía y son absorbidas por resonancias moleculares. Encontré este espectro para CO2 que muestra 3 bandas de absorción de resonancia diferentes.

Para interactuar con la radiación, una molécula debe tener un momento dipolar; La carga eléctrica debe tener una asimetría. Las moléculas de agua tienen un momento dipolar porque los hidrógenos no están en lados opuestos del oxígeno, sino que forman un V. El dióxido de carbono no tiene un momento dipolar permanente porque es lineal, pero puede adquirir uno por vibración, de modo que los oxígenos están en una V o el carbono no está en el centro de los dos oxígenos. Para las moléculas de invernadero, la diferencia de energía entre diferentes estados rotacionales y / o estados vibracionales radica en las energías que corresponden a la radiación infrarroja térmica. Por lo tanto, estas moléculas absorben los fotones IR y también los emiten, atrapando así la radiación IR en la atmósfera inferior hasta que pueda “caminar aleatoriamente” hacia la atmósfera superior, donde las moléculas de invernadero son más dispersas y los fotones infrarrojos escapan.

Sí, estos gases también absorben y emiten radiaciones. Cuando hablamos de ambos fenómenos de estos gases en la troposfera, el CO2, el NOx, el O3 y otros gases absorben las radiaciones infrarrojas que son radiaciones de longitud de onda larga.