IR-fotoner fra atmosfæren

[Okular]

Egentlig bare kjapt innpå, men jeg kjente ikke til noen tråd hvor denne tanken passet inn.

Man hører jo så mye fra AGW'erne om at bare de såkalte 'drivhusgassene' i atmosfæren kan absorbere og reemittere IR i signifikant grad, og at atmosfæren uten disse gassene ikke ville ha vært i stand til å stoppe IR'en fra overflaten fra å forsvinne direkte ut i verdensrommet.

Jeg vet jo at jeg ikke er den første som tenker eller framfører denne tanken, men jeg kan ikke huske å ha sett den formulert helt ut før som et direkte argument mot (og falsifikasjon av) ideen om at 'tilbakestråling' fra atmosfæren til overflaten skyldes 'drivhusgassene':

N₂, O₂ og Ar utgjør jo i snitt litt drøyt 99% av atmosfæren vår. Vi vet at troposfæren først og fremst varmes opp via overflateprosesser som involverer fordampning (overføring av latent varme) og konduksjon --> altså konvektive prosesser. Disse gir troposfæren en temperatur og en temperaturprofil avhengig av og tett knyttet til overflatetemperaturen. Atmosfæren er jo en gasskompositt. Gasser består av frie gassmolekyler. Hva gjør disse molekylene i en gass med en temperatur? De fyker omkring ... og de kolliderer med hverandre. Jo tettere gassen er dessuten, og jo mer varme som bringes inn i den, jo oftere vil disse kollisjonene inntreffe.

N₂, O₂ og Ar-molekylene fyker rundt og kolliderer med hverandre akkurat like mye som CO₂-, CH₄- og H₂O-molekylene. Så er spørsmålet, og hele poenget med denne posten:

Er det noen som seriøst betviler at det emitteres IR-fotoner ved hver av disse kollisjonene mellom alle disse gassmolekylene, mellom nitrogen og oksygen like mye som mellom karbondioksid og vanndamp? Er det ikke egentlig fullstendig åpenbart at en gass med en temperatur emitterer IR som resultat av den spesifikke kollisjonsraten mellom molekylene den består av? At den ikke kan være avhengig av å inneholde gasser som er i stand til å absorbere og emittere IR-fotoner. Det aller aller meste av IR'en absorberes jo ikke i utgangspunktet, den skapes ved kollisjonene mellom gassmolekylene.

Det jeg vil fram til, selv om ikke N₂ og O₂ kan absorbere og reemittere IR-fotoner i skjelnbar grad, så skaper de seg imellom like fullt nær sagt all IR'en som kommer fra atmosfæren (bl.a. ned mot overflaten), simpelthen ved å kollidere med hverandre. De trenger ikke å kunne absorbere og reemittere IR. De trenger bare å kunne kollidere.

[Brattbakkallen]

Nå begynner dette å bli interessant! 

Er det noen som seriøst betviler at det emitteres IR-fotoner ved hver av disse kollisjonene mellom alle disse gassmolekylene, mellom nitrogen og oksygen like mye som mellom karbondioksid og vanndamp? Er det ikke egentlig fullstendig åpenbart at en gass med en temperatur emitterer IR som resultat av den spesifikke kollisjonsraten mellom molekylene den består av? At den ikke kan være avhengig av å inneholde gasser som er i stand til å absorbere og emittere IR-fotoner. Det aller aller meste av IR'en absorberes jo ikke i utgangspunktet, den skapes ved kollisjonene mellom gassmolekylene.

Det vi som fikk vår utdannelse på NTH på 60-tallet fikk lære, var jo bl.a. kvantefysikk. Det var skikkelig spennende og gøy, bl.a.å lære om tunneldioder før Ivar Giæver fikk sin Nobellpris innen samme tema. CO2-molekylene blir vel  eksitert av fotoner etter formelen E = h.f hvor altså h er Plancks konstant og f er frekvensen. Dette har altså noe med dualiteten mellom bølge og partikkel å gjøre og CO2-molekylet blir slengt opp på et energinevå der det egenlig ikke liker seg.. Så vil altså dette  CO2-molekylet gjerne  tilbake til sitt opprinnelige nivå ved å sende ut et foton som er likt med det som først sparket det opp. Disse fotonene blir sendt ut i alle retninger. Også nedover hvorfra det opprinnelige sparket kom.
Nydelig teori.
I praksis er det selvfølgelig ikke bare CO2-molekyler i atmosfæren så dette er ikke så enkelt som vi skulle ønske oss.
Du er nok inne på noe vesentlig her, mister, spør du meg.

Fint innlegg, forøvrig!

BBK

[Telehiv]

Karer,

hvis dere med dette er på sporet av bitene av en prosess som kan bidra til å forklare hvorfor sensitiviteten for alle praktiske formål bør settes tilbake til start (før IPCC-støyen begynte å ødelegge all saklig fysikkdebatt), bør dere absolutt bare fortsette grublingen!

Jeg er på klimavannvogna i februar og kan ikke tillate meg flere tilbakefall...   

[Brattbakkallen]

Telehiv: Takk skal du ha for å få meg ned på jorda igjen!

Karer,

hvis dere med dette er på sporet av bitene av en prosess som kan bidra til å forklare hvorfor sensitiviteten for alle praktiske formål bør settes tilbake til start (før IPCC-støyen begynte å ødelegge all saklig fysikkdebatt), bør dere absolutt bare fortsette grublingen!

Jeg er på klimavannvogna i februar og kan ikke tillate meg flere tilbakefall...   

Nå skal jeg holde kjeft (En stund.  Lover jeg, eller tror jeg).



BBK

[ebye]

Jeg skal følge opp Brattbakkallens omtale av kvantesprangene. 

Det er ikke kollisjonene som emmiterer IR-stråler, det er elektronenes tilbaketog til sin grunntilstand (karakteristisk stråling). Denne prosessen er avhengig av at molekylene (f. eks. CO2 og vanndamp) kan absorbere IR-stråling.

Molekylene beveger seg raskere når temperaturen går opp, de kolliderer oftere, og sender ut ikke-karakteristisk stråling når temperaturen går ned, eller molekylene på annen måte bringes til normal bevegelsestilstand. Om det sendes ut hvit stråling (bremsestråling) er jeg usikker på, her trengs det en oppdatering fra fysikalsk kjemi (Castellan) fra det forrige årtusen!     

[la1goa]

Egentlig bare kjapt innpå, men jeg kjente ikke til noen tråd hvor denne tanken passet inn.

Man hører jo så mye fra AGW'erne om at bare de såkalte 'drivhusgassene' i atmosfæren kan absorbere og reemittere IR i signifikant grad, og at atmosfæren uten disse gassene ikke ville ha vært i stand til å stoppe IR'en fra overflaten fra å forsvinne direkte ut i verdensrommet.

Jeg vet jo at jeg ikke er den første som tenker eller framfører denne tanken, men jeg kan ikke huske å ha sett den formulert helt ut før som et direkte argument mot (og falsifikasjon av) ideen om at 'tilbakestråling' fra atmosfæren til overflaten skyldes 'drivhusgassene':

N₂, O₂ og Ar utgjør jo i snitt litt drøyt 99% av atmosfæren vår. Vi vet at troposfæren først og fremst varmes opp via overflateprosesser som involverer fordampning (overføring av latent varme) og konduksjon --> altså konvektive prosesser. Disse gir troposfæren en temperatur og en temperaturprofil avhengig av og tett knyttet til overflatetemperaturen. Atmosfæren er jo en gasskompositt. Gasser består av frie gassmolekyler. Hva gjør disse molekylene i en gass med en temperatur? De fyker omkring ... og de kolliderer med hverandre. Jo tettere gassen er dessuten, og jo mer varme som bringes inn i den, jo oftere vil disse kollisjonene inntreffe.

N₂, O₂ og Ar-molekylene fyker rundt og kolliderer med hverandre akkurat like mye som CO₂-, CH₄- og H₂O-molekylene. Så er spørsmålet, og hele poenget med denne posten:

Er det noen som seriøst betviler at det emitteres IR-fotoner ved hver av disse kollisjonene mellom alle disse gassmolekylene, mellom nitrogen og oksygen like mye som mellom karbondioksid og vanndamp? Er det ikke egentlig fullstendig åpenbart at en gass med en temperatur emitterer IR som resultat av den spesifikke kollisjonsraten mellom molekylene den består av? At den ikke kan være avhengig av å inneholde gasser som er i stand til å absorbere og emittere IR-fotoner. Det aller aller meste av IR'en absorberes jo ikke i utgangspunktet, den skapes ved kollisjonene mellom gassmolekylene.

Det jeg vil fram til, selv om ikke N₂ og O₂ kan absorbere og reemittere IR-fotoner i skjelnbar grad, så skaper de seg imellom like fullt nær sagt all IR'en som kommer fra atmosfæren (bl.a. ned mot overflaten), simpelthen ved å kollidere med hverandre. De trenger ikke å kunne absorbere og reemittere IR. De trenger bare å kunne kollidere.

Med så mye blod i promillen vet jeg ikke om jeg svarer bananer på spørmålet om pærer.

Jeg har kommet så langt i "forskningen" at jeg har funnet ut en hver gassart i en hver frekvens absorberer stråling avhengig av gassart, temperatur, frekvens og muligens andre faktorer. Jeg har hørt at f.eks O2 ikke absorberer stråling i IR ormrådet. Men det tar jeg med en klype salt. En tankeeskperiment tilsier at det må være feil. La os anta en lommelykt på andre siden av universet stråler med en gitt frekvens igjennom en gassart med et atmosfærisk trykk. Hvor langt unna er strålingen halvert (Ta vekk virkningen av omvent kvadrat)? Man skal huske på temperatur har en virkning, ved at molekyler har en hastighet en eller annen retnig avhengig av temp, slik at pytagoras trekanten får en innvirkning på en gitt frekvens i linjediagrammet.

Når det er sagt, når et foton er absobert på en gitt frekvens så stiger temperaturen (i min verden), er det gitt at den sender ut stråling på nøyaktig samme frekvens? Du nevner kollisjoner mellom molekyler, selvfølgelig endrer dette egenskapene. I min verden vil molekyler sende ut stråling i følge "black body diagrammet" selv om det er snakk om tynn gass. Hitran eksperimenterer er alltid med forskjellige atmosfæriske sammensetninger.

Men ta meg i nakken hvis jeg snakker om feil frukt.

/Knuta

[Brattbakkallen]

Heisann ebye! Jeg fikk plutselig lyst til å holde et lengre foredrag om kvantefysikk, men klarte til slutt å overtale meg selv til å la være. Bare en liten sak. Du skrev:

Om det sendes ut hvit stråling (bremsestråling) er jeg usikker på, her trengs det en oppdatering fra fysikalsk kjemi (Castellan) fra det forrige årtusen! 

Bremsestråling, eller bromsstrahlung var vel i sin tid betegnelsen på Røntgenstråling før man fikk på plass den kvantemekaniske  teorien om dette fenomenet? Når elektroner blir bremset opp, så må de nødvendigvis kvitte seg med bevegelsesenergi og da er den eneste muligheten å bruke pakker av h ganger f.  Jeg har lagt merke til at når jeg kjøper noe i en butikk, så blir beløpet jeg skal betale rundet av i "pakker" og ikke kontinuerlig. Derfor betaler jeg med kort. 

BBK.

[ebye]

Brattbakkallen, du har selvfølgelig helt rett. Den bremsestrålingen var en typisk feilkopling. Jeg må  gruble videre på effekter av kollisjonene.   

[Okular]

Det er ikke kollisjonene som emmiterer IR-stråler, det er elektronenes tilbaketog til sin grunntilstand (karakteristisk stråling). Denne prosessen er avhengig av at molekylene (f. eks. CO2 og vanndamp) kan absorbere IR-stråling.

Hmm, jeg er usikker på hva disse to setningene egentlig sier, ebye. Det høres på en måte ut som om du nettopp poengterer at vi trenger 'drivhusgasser' for at atmosfæren skal kunne emittere IR. At det ikke holder med kollisjoner ... (?) Men så sier du jo at man er avhengig av at disse molekylene kan absorbere IR-stråling ... (?) Da faller jeg litt av.

Kunne du være snill å klargjøre litt/forklare litt nærmere hva du tenker her? For dette forvirret meg litt

Hvis jeg har tenkt for 'enkelt' i åpningsinnlegget, så vil jeg absolutt ha det påpekt!

[Brattbakkallen]

ebye skrev.

Brattbakkallen, du har selvfølgelig helt rett. Den bremsestrålingen var en typisk feilkopling. Jeg må  gruble videre på effekter av kollisjonene.

Mens vi begge grubler: Kanskje du kunne finne fram igjen kornetten din og blåse noen toner?  Som gammel batterist kan jeg trampe takten

BBK

[ebye]

Det er ikke kollisjonene som emmiterer IR-stråler, det er elektronenes tilbaketog til sin grunntilstand (karakteristisk stråling). Denne prosessen er avhengig av at molekylene (f. eks. CO2 og vanndamp) kan absorbere IR-stråling.

Hmm, jeg er usikker på hva disse to setningene egentlig sier, ebye. Det høres på en måte ut som om du nettopp poengterer at vi trenger 'drivhusgasser' for at atmosfæren skal kunne emittere IR. At det ikke holder med kollisjoner ... (?) Men så sier du jo at man er avhengig av at disse molekylene kan absorbere IR-stråling ... (?) Da faller jeg litt av.

Kunne du være snill å klargjøre litt/forklare litt nærmere hva du tenker her? For dette forvirret meg litt

Hvis jeg har tenkt for 'enkelt' i åpningsinnlegget, så vil jeg absolutt ha det påpekt!

Jeg snakker om to forskjellige fenomener. Absorpsjonen hos vanndamp og CO2 er karakteristisk, den skjer på helt bestemte bølgeområder i IR-spekteret. Elektronene hos f. eks. CO2 går over i en eksitert tilstand (absorpsjon) og går tilbake til grunntilstanden (emisjon). Her ser jeg på IR-strålingen som et bølgefenomen, og ikke partikler. Derfor er det ikke noen form for kollisjon her.

Kollisjon mellom molekylene skjer hele tiden (Brownske bevegelser). Når temperaturen øker, blir det mer bevegelse hos molekylene, antall kollisjoner øker. Men denne energien (som følge av økt temperatur) er ikke tilstrekkelig til å gi molekylære energioverganger, fra grunntilstand og til eksitert tilstand.

Ble det hele mer klart nå, okular? Jeg tror jeg skjønner, men vet ikke om jeg forklarer godt. Jeg har aldri undervist i dette!

 

[Okular]

Jeg snakker om to forskjellige fenomener. Absorpsjonen hos vanndamp og CO2 er karakteristisk, den skjer på helt bestemte bølgeområder i IR-spekteret. Elektronene hos f. eks. CO2 går over i en eksitert tilstand (absorpsjon) og går tilbake til grunntilstanden (emisjon). Her ser jeg på IR-strålingen som et bølgefenomen, og ikke partikler. Derfor er det ikke noen form for kollisjon her.

Kollisjon mellom molekylene skjer hele tiden (Brownske bevegelser). Når temperaturen øker, blir det mer bevegelse hos molekylene, antall kollisjoner øker. Men denne energien (som følge av økt temperatur) er ikke tilstrekkelig til å gi molekylære energioverganger, fra grunntilstand og til eksitert tilstand.

Ble det hele mer klart nå, okular? Jeg tror jeg skjønner, men vet ikke om jeg forklarer godt. Jeg har aldri undervist i dette!

Ja, det ble klarere. Takk skal du ha, ebye. Jeg er like fullt noe usikker på om vi snakker forbi hverandre eller ikke. Kan du bekrefte eller avkrefte ved å gi meg din tolkning av dette avsnittet fra Ray Pierrehumberts 'feature article' 'Infrared radiation and planetary temperature' fra 2011:

According to the equipartition principle, molecular collisions maintain an equilibrium distribution of molecules in higher vibrational and rotational states. Many molecules occupy those higher-energy states, so even though the lifetime of the excited states is long, over a moderately small stretch of time a large number of molecules will decay by emitting photons. If that radiation escapes without being reabsorbed, the higher-energy states are depopulated and the system is thrown out of thermodynamic equilibrium. Molecular collisions repopulate the states and establish a new thermodynamic equilibrium at a slightly cooler temperature. That is how thermal emission of radiation cools matter in the LTE limit.

På meg synes det som om han sier at molekylkollisjonene gjør nettopp det du sier de ikke kan gjøre - skape eksiterte tilstander.

Hva har jeg misforstått?

[ebye]

Nå tror jeg at jeg har funnet ut av dette. Jeg ha nok vært upresis, og dessuten "glemt" dualsimen, at fotoner kan betraktes både som partikler og bølger. Jeg har sett på fotonene som bølger når jeg har tenkt på og snakket om absorpsjon av IR-stråling.  Absorpsjonen skjer med den karakteristiske energien. Fotoner med for liten energi blir ikke absorbert.

De partiklene jeg har hatt i tankene for kollisjon, er de øvrige atomene/molekylene som opptrer med "Brownske bevegelser". Her har jeg ikke tenkt at det kan opptre IR-stråling, som følge av kollisjoner.

Så, i og med at fotoner kan betraktes som partikler, blir antakelig selve absorpsjonen behandlet å skje i forbindelse med kollisjoner, mellom fotoner og CO2-molekyler.

Nå tror jeg at jeg har fått ryddet opp i mine forestillinger om dette, og håper at dette rydder opp for deg også, Okular.

Påminnelse for meg: Pass på at du husker alt fra barnelærdommen.   

En lærer av sine feil, i dag har jeg lært en masse.        

[seoto]

En lærer av sine feil, i dag har jeg lært en masse.    

Det du sier her, er så viktig og så riktig, ebye! Skulle ønske dette hadde vært slagordet til både Regjering og Storting

[Okular]

Så, i og med at fotoner kan betraktes som partikler, blir antakelig selve absorpsjonen behandlet å skje i forbindelse med kollisjoner, mellom fotoner og CO2-molekyler.

Nå tror jeg at jeg har fått ryddet opp i mine forestillinger om dette, og håper at dette rydder opp for deg også, Okular.

Tja, jeg er nok fortsatt usikker på om vi snakker om samme sak. Fotoner er da vitterlig ikke molekyler, og Pierrehumbert skiller veldig spesifikt mellom molekylkollisjoner og fotoner som absorberes av molekylene. Han sier bl.a. om fotonene:

The momentum of atmospheric photons is too small to allow any significant portion of their energy to go directly into translational kinetic energy of the molecules that absorb them. Instead, it goes into changing the internal quantum states of the molecules. A photon with frequency v has energy hv, so for a photon to be absorbed or emitted, the molecule involved must have a transition between energy levels differing by that amount.

Mener du at en gass som N₂ eller O₂ med en temperatur ikke emitterer IR til tross for at gassmolekylene kolliderer med en 'kraft', en hastighet og en tetthet/takt som følger spesifikt av den samme temperaturen?

Hvordan kan da denne gassen miste energi/avkjøles?

Jeg spør, ebye, fordi jeg er nysgjerrig og en smule forvirret, og fordi jeg har inntrykk av at du kan mye mer om dette enn meg