IR-fotoner fra atmosfæren

[ebye]

Vi har nok kommet dit hvor heller ikke jeg kan bidra med så mye mer, Okular. Det å kombinere partikkelfysikk, spektroskopi, termodynamikk og kvantekjemi/fysikk er en krevende øvelse. Jeg vet ikke noe om hva slags energi (bølgelengde i det elektromagnetiske spektrum) molekyler emmitterer når de kolliderer. Jeg kan heller ikke noe om man kan betrakte det som om molekylene utfører et arbeid (i termodynamisk forstand) når de kolliderer. I så tilfelle er vi innom:

dU = dQ + dW, dvs. endring i indre energi er summen av endring i varme og utført/tilført arbeid.

Forbruk av varme her kan muligens senke temperaturen.

Helt generelt kan fotoner behandles både som bølger eller partikler (dualisme). Det du skriver om at fotoner rett og slett absorberes, passer da godt med det første jeg skrev, at det ikke kan/må/behøves betraktes som noen form for kollisjon når fotoner absorberes og eksiterer molekylet, hvorpå på molekylet går tilbake til grunntilstanden og emitterer nøyaktig samme energi.

Slik jeg oppfatter status her nå, så er det (minst?) tre uløste spørsmål: 1) Hva slags energi (bølgelengde) emitteres når molekyler kolliderer? 2) Er det slik at molekylene utfører termodynamisk arbeid i forbindelse med Brownske bevegelser og tilhørende kollisjoner? 3) Ved økt temperatur, avkjøles gassmolekylene gjennom utført arbeid, eller er det ytterlige måter å miste energi på?

Hvis det er andre på Forumet her som kan bidra, kast loss! Jeg skal se hva jeg kan få ut av nettverket. Det er noen studiebøker også: termodynamikk, fysikalsk kjemi og spektroskopi, som kan ha noe.         

[Okular]

Du skal ha takk for innsatsen, ebye Ikke gi opp. Jeg vil gjerne komme til bunns i dette. Skal ta en runde eller to selv også for å se hva jeg finner ut ...

Jeg må ellers si, for dette er ikke akkurat mitt felt, at det er interessant at noe jeg i utgangspunktet tenkte burde være så selvsagt og intuitivt ikke er så rettfram allikevel. At det rett og slett ikke er så lett å svare på. Dette gjelder jo for så mangt her i livet.

Som du sa, man lærer noe nytt hele tida

[ebye]

Og jeg kan ikke la være å tenke på alle klimamodellene, Okular.

Klimasystemet er så komplisert, med så mange faktorer som vi tildels nærmest ikke vet noe om, at dagens framskrivinger er fullstendig meningsløse. Skal du modellere, må du kjenne til alle relevante og viktige variable. Variablene må være godt forstått og godt parametrisert. Uten dette blir modellering bare tull. Og der er IPCC stadig. Noen variable har stadig "low level of scientific knowledge": skyer, undersjøiske vulkaner, vulkaner og aerosoler, albedo-situasjonene og kosmisk stråling. Og på dette grunnlaget har FN-panelet klart å lure alle verdens nasjonsledere trill rundt. Det er fullstendig ubegripelig. Det er en "utenfor alt" situasjon.     

Det endelige modellresultatet vil jo bli at hele CO2-hypen er bare nonsens. Når det blir erkjent, da er det slutt.   

[Brattbakkallen]

ebye skrev oppi her:

Elektronene hos f. eks. CO2 går over i en eksitert tilstand (absorpsjon) og går tilbake til grunntilstanden (emisjon).

Du har så rett i det store og hele, men jeg tror ikke vi skal blande elektroner inn i dette. (Forøvrig har det vært veldig lærerikt å følge med på innlegg på denne tråden.)

Nå er det store muligheter for at jeg misforstår deg litt, men her er det snakk om et karbonatom som er er tilknyttet et oksygenmolekyl på hver side av seg. Den nevnte tilknytningen pleide jeg i sin tid å tegne på tavla som fjærer. I et slik system er det mulig å lagre svingningsenergi på flere forskjellige uavhengige måter, ved at systemet altså kan svinge internt. Her kommer fotonene inn. Får et slikt CO2-svingesystem seg servet utenfra, et foton som passer akkurat til å sparke en av flere mulige og uavhengige svingetilstander, et trinn opp, ja så skjer det og fotonet kan betraktes som "absorbert". Ganske raskt finner imidlertid dette CO2-molekylet ut at det ikke helt trives med dette enegitilskuddet og sender fra seg et foton (h*f) likt med det som ga det opprinnelige sparket. Retningen som dette returnerte fotonet får, er helt tilfeldig. Noen fotoner drar tibake til jordoverflaten der det opprinnelige energi"sparket" kom. fra.
CO2 er altså ingen varmekilde i seg selv, men virker som en isolator. (Her har jeg registrert en del misforståelser på enkelte fora.)
Kan jeg til slutt få lov til å følge opp noe som jeg la merke til at ebye understreket i et innlegg her en gang? Varme og temperatur må ikke blandes sammen! Temperatur er faktisk et mål på bevegelsesenergi, det. (1/2*m*v^2, hvor m er masse i kilogram og v er fart i meter pr. sekund) De som har studert kinetisk gassteori, vet dette.
Varme er betegnelsen på den prosessen som skjer når energi (evnen til å utføre et arbeid) overføres fra et sted til et annet pga temperaturforskeller. Et CO2-molekyl som har en høyere andel av bevegelsesenergi enn et annet som det klæsser inn i, vil dermed bidra til at sistnevnet får en høyere temperatur.

Er forvirringen komplett nå?  Huff, når jeg leser gjennom dette så får jeg en lei følelse ar jeg, som f.eks en viss R. Benestad, fremstår som en som sitter og skal være en slags facit. Jeg har forsøkt å gjengi det jeg i sin tid har lært, og undervist i om disse tingene, men påberoper meg på ingen måte å ha rett. Diskuter og bruk hue! Vitenskap er aldri statisk.

BBK

[stjakobs]

Jeg synes sammenligningen med klimagasser og ullteppe er god! Ingen av klimagassene skaper varme, de bare isolerer. Og menneskeskapt CO₂ isolerer så lite at jeg er i tvil om at denne isolasjonen noensinne kan måles!

[Brattbakkallen]

Hei StJakobs.  Du skrev

Jeg synes sammenligningen med klimagasser og ullteppe er god! Ingen av klimagassene skaper varme, de bare isolerer. Og menneskeskapt CO2 isolerer så lite at jeg er i tvil om at denne isolasjonen noensinne kan måles!

Jeg er helt enig med deg i det du skriver.    I og med at jeg har satt meg litt inn i teorien bak, så deler jeg i aller høyeste grad din tvil om at menneskeskapte utslipp av klimagasser vil ha en målbar effekt. Jeg har videreformidlet noe av teorien man legger til grunn for å forklare mekanismene.
Men du veit vel åssen man blir møtt når man forsøker seg med motforestillinger mot "etablerte" sannheter:  http://www.youtube.com/watch?v=JVhc8REsL0E



BBK

[ebye]

ebye skrev oppi her:

Elektronene hos f. eks. CO2 går over i en eksitert tilstand (absorpsjon) og går tilbake til grunntilstanden (emisjon).

Du har så rett i det store og hele, men jeg tror ikke vi skal blande elektroner inn i dette. (Forøvrig har det vært veldig lærerikt å følge med på innlegg på denne tråden.)

Nå er det store muligheter for at jeg misforstår deg litt, men her er det snakk om et karbonatom som er er tilknyttet et oksygenmolekyl på hver side av seg. Den nevnte tilknytningen pleide jeg i sin tid å tegne på tavla som fjærer. I et slik system er det mulig å lagre svingningsenergi på flere forskjellige uavhengige måter, ved at systemet altså kan svinge internt. Her kommer fotonene inn. Får et slikt CO2-svingesystem seg servet utenfra, et foton som passer akkurat til å sparke en av flere mulige og uavhengige svingetilstander, et trinn opp, ja så skjer det og fotonet kan betraktes som "absorbert". Ganske raskt finner imidlertid dette CO2-molekylet ut at det ikke helt trives med dette enegitilskuddet og sender fra seg et foton (h*f) likt med det som ga det opprinnelige sparket. Retningen som dette returnerte fotonet får, er helt tilfeldig. Noen fotoner drar tibake til jordoverflaten der det opprinnelige energi"sparket" kom. fra.
CO2 er altså ingen varmekilde i seg selv, men virker som en isolator. (Her har jeg registrert en del misforståelser på enkelte fora.)
Kan jeg til slutt få lov til å følge opp noe som jeg la merke til at ebye understreket i et innlegg her en gang? Varme og temperatur må ikke blandes sammen! Temperatur er faktisk et mål på bevegelsesenergi, det. (1/2*m*v^2, hvor m er masse i kilogram og v er fart i meter pr. sekund) De som har studert kinetisk gassteori, vet dette.
Varme er betegnelsen på den prosessen som skjer når energi (evnen til å utføre et arbeid) overføres fra et sted til et annet pga temperaturforskeller. Et CO2-molekyl som har en høyere andel av bevegelsesenergi enn et annet som det klæsser inn i, vil dermed bidra til at sistnevnet får en høyere temperatur.

Er forvirringen komplett nå?  Huff, når jeg leser gjennom dette så får jeg en lei følelse ar jeg, som f.eks en viss R. Benestad, fremstår som en som sitter og skal være en slags facit. Jeg har forsøkt å gjengi det jeg i sin tid har lært, og undervist i om disse tingene, men påberoper meg på ingen måte å ha rett. Diskuter og bruk hue! Vitenskap er aldri statisk.

BBK

Du har så rett så rett, Brattbakkallen, at jeg skulle rote elektronene inn i eksiteringen. Det er ulike svingninger internt i CO2-molekylet som representerer det eksiterte nivået. Molekylet er lineært:  O - C - O. Svingningene kan være at O-ene beveger ut og inn langs C-O-bindingene (mot og fra C). O-ene beveger seg opp og ned (synkront) dersom en tenker O-C-O liggende i planet. De kan også svinge usynkront, ett opp og ett ned. Det er sikkert flere svinge-moduser også. Bindingene er her de fjærene som Brattbakkallen brukte for å illustrere det hele.

Dette er å ta CO2-molekylet på alvor!       

[Brattbakkallen]

Hei ebye. Jeg regnet vel med at vi var enige. Hvert av disse mulige svingemønstren som et CO₂-molekyl klarer å få til, tilsvaret et foton av litt forskjellig verdi for å forandre på. Et molekyl som imidlertid har et mye større reportoar å spille på når det gjeldet utveksling av fotoner, er altså vanndamp. H₂O. Det finnes også veldig mye mer av vanndamp i atmosfæren enn karbondioksid (For ikke å snakke om den såkalte menneskeskapte  karbondioksiden). Når vanndampmolekylene har gjort sitt, så blir det lissom veldig lite igjen for karbondioksidene å utfolde seg med når det gjelder akkurat denne effekten som vi har diskutert.

Kvantefysikk er utrolig spennende, men tar nok lang tid å vende seg til. Jeg har vel vendt meg til den, men vil på ingen måte påstå at jeg forstår dette. Jeg trøster meg litt med en historie om Niels Bohr. Han skal angivelig hatt store problemer med å følge med på komplottene i westernfilmer på den tiden. Han var såpass interessert i dette at han og en forskerkollega i sin tid gikk ut i hagen til Bohr for å finne ut på en vitenskapelig måte hvordan man burde trekke en seksløper raskest mulig. Disse to superintelligente personene utstyrte seg derfor med hver sin lekerevolver og dro ut i haven for å finne ut av dette. Jeg husker ikke helt enden på denne historien, men det viser noe veldig viktig: I stedet for å sette deg ned og pønske ut et teoretisk svar, så drar du ut og  prøver og måler. Etterpå tilpasser du din hypotese til virkeligheten. Ikke omvendt.


BBK

[Amateur2]

CO2 molekylers bindinger har jeg ikke så mye greie på, men jeg kan litt om mekniske svingesystemer, så jeg forsøker meg på en ørliten analyse av systemet, gitt de egenskapene ebye skisserer

Modellen ser vel omtrent slik ut

O -- C -- O

Hvis vi antar at bindingen mellom karbon- og oksygen-atomene kan beskrives med (lineære) fjærer så får vi fire svingeformer, med tre distinkte svingefrekvenser

1) Aksialsvingning i motfase (symmetrisk)

O <- - - C - - -> O     og   O>C<O


2) Bøyesvingning I

O       O                       C
^    ^         og            ^
   -C-                       O-   -O 

3) Bøyesvingning II
Denne formen er akkurat maken til bøyesvingning I, men i det orthogonale planet, dvs atomene kommer ut fra og går inn i skjermplanet. Frekvensen for denne svingeformen er den samme som for Bøyesvingning I.

Hvis det er rotasjonssymmetri stivhets- og massemessig om aksen fra oksygenatom gjennom karbonatom til oksygenatom i koblingene mellom atomene så kan man se på svingeformene 2 og 3 som en svingeform hvor planet den svinger i vil være gitt av planet eksitasjonen kommer i. Det blir tilsvarende som vi har for et rør med sirkulært tverrsnitt.


4) Aksialsvingning i fase (antisymmetrisk)

O <- - - C<O    og  O>C - - -> O

Noen vil sikkert spørre hvor det ble av svingeformen som ebye indikerte med antisymmetrisk bøyesvingning av oksygenatomene, altså hvor det ene oksygenatomet går opp mens det andre går ned og vice versa.

De kan også svinge usynkront, ett opp og ett ned.

Den svingeformen forsvinner fordi det er ingen som hjelper til med å holde karbonatomet fast med hensyn til rotasjon. Siden karbonatomet heller ikke kan eksiteres i rotasjon (motvridning til oksygenatomenes moment i et slikt tilfelle) av stråling eller andre eksitasjonskilder (jeg har litt vanskelig for å forestille meg hvilke kilder dette skulle være ... ) så vil vi ikke kunne få dynamisk likevekt med en antisymmetrisk bøyesvingeform av oksygenatomene og dermed heller ingen resonans.


Vel ferdig med denne lille beskrivelsen så fant jeg noen små notat på nettet som beskriver dette i litt mer detalj

notat 1, notat 2,  notat 3


Dette var toppen av lista fra google ...

Den observante leser vil sikkert se at H2O bør kunne beskrives ved samme mekaniske svingemodellen som CO2.
Hvorvidt en svingeform eksiteres av IR eller ikke avgjøres av egenfrekvensen. Ligger den innenfor frekvensområdet til IR så vil svingeformen kunne eksiteres. For CO2 og H2O så er det formene 2, 3 og 4 som kan eksiteres av IR stråling.

[Brattbakkallen]

Amateur2: Kan jeg få lov til å takke deg for å dette innlegget? Jeg synes at du her klargjorde på en flott og forståelig måte, veldig mye av det jeg syntes jeg måtte utelate i mine innlegg for at de ikke skulle bli for lange.
Nå driver vi  visst og klapper hverandre på skuldra, noe jeg advarte mot da jeg begynte å poste her, men det får gå. Jeg likte innlegget ditt, altså.

Åssen var det nå dette startet for meg her på forumet, da? Jeg lurte på om de som hadde lest f.eks. boka til Bob Carter kunne legge ut noen meninger om den. Det hadde vert flott om de som hadde lest andre bøker også la ut noen tanker de hadde gjort seg etter å ha lest dem.

Jeg prøver altså nå å komme meg ned på jorda igjen.   

BBK

[Amateur2]

Takk for det Brattbakkallen.

Det er jo litt av vitsen med dette forumet at vi bidrar med det vi kan noe om. Til sammen bør det kunne resultere i at vi kan få løftet felleskunnskapen noen hakk og ikke minst få avlivet noen myter og feiloppfatninger som ser ut til å ha festet seg litt for godt der ute.

Da synes jeg også det er greit at vi gir hverandre en liten klapp på skulderen hvis bidraget har vært til hjelp. Jeg er såpass enkel at ros virker kun positivt på meg

[ebye]

Takk til både Amateur2 og Brattbakkallen.

Jeg føler meg hensatt til 60-tallet, da bindingsorbitalene kom inn i mitt liv, og ikke minst da pi-orbitalene demonstrerte seg som "svingebremser". Hvorfor pi-orbitaler inn her? Jo, fordi CO₂ egentlig har to dobbeltbindinger:

O == C == O.

Jeg unnlot å ta dette med, fordi selve prinsippet med eksitering og intramolekylære svingninger, ble godt nok illustrert uten.

C-atomet har to sp-orbitaler på hver side, som O-atomene bindes til. Om det ene bindingsplanet, inneholdende O == C, står vinkelrett på det andre planet, er jeg ikke sikker på.

pi-eletronene og pi-orbitalene opptrer skikkelig på molekylscenen først når det blir flere dobbeltbindinger i et molekyl, da begynner pi-eletronene å vandre, som i det plane elektronsymmetriske benzen:

  / C = C \
C             C 
  \\ C - C //

Her er alle bindingene like, pga. pi-elektroner på konstant vandring.

Jeg tror også at det å gi positiv feedback gjør dette Forumet bedre. Samtidig, gjør det det mulig å ta i mot konstruktive korreksjoner. Det er ikke galgen som er neste stopp, dersom en har lært en masse. Jeg tenker på det minefeltet debattene på AP-debatt var. Der satt "kniven" løst i beltet. Dog, mitt inntrykk av det forumet var og er at AGW-ernes holdning gikk kun ut over AGW-erne selv. De nektet å lære, slik de fortsatt gjør. Tenk dere tanken, å ha en AGW-er som elev. Vedkommende ville nekte å lære det en oppegående lærer kunne formidle. At f. eks. naturen spiller sammem menneskeskapt utslipp av CO2. Situasjonen (i mitt hode) blir urkomisk med tanke på at eleven fikk høre at det var naturen som dominerte.

Og det er det vi er vitner til nå, AGW-erne gående baklengs inn i ny kunnskap.

Ja, ja, det var noen refleksjoner rundt Forumets styrke.        

Og nå i ettertid ser jeg også denne linken i avataren din, pi, BBK.     

[Okular]

Ikke til forkleinelse for noen, men denne tråden har nå kommet nokså skjevt av gårde i forhold til intensjonen, ser jeg. Faktisk så har fokuset havnet på nøyaktig det tråden ikke var ment å handle om, nemlig CO2 og absorpsjon og reemittering av IR-fotoner.

Troposfæren får tilført sin varme i hovedsak via konvektive prosesser fra overflaten. Det er snakk om konduksjon/ledning --> konveksjon samt fordampning --> kondensasjon. Varmen her overføres ved direkte overføring mellom molekylene i lufta, altså gjennom kollisjoner mellom molekyler i en høyere energitilstand med molekyler i en lavere energitilstand. Slik 'fraktes' den opprinnelig radiative varmen fra sola vekk fra overflaten og opp til/i troposfæren.

Og her er poenget mitt: Troposfæren består i snitt av over 99% nitrogen, oksygen og argon. Alle disse tre gassene er elendige absorbenter og reemittere av IR-stråling (-fotoner). Bestråler man dem med IR (varmestråling) vil de neppe varmes opp i målbar grad. De vil da heller ikke kunne reemittere ('tilbakestråle') slik mottatt strålingsenergi. Den vil trolig i praksis gå rett igjennom. Men, i troposfæren varmes de opp åkkesom. Ikke av IR-stråling, men av de nevnte konvektive prosessene (følbar varme og latent varme). De fyker rundt og kolliderer med hverandre. De kan overføre varme seg imellom og de har en varmekapasitet. Noen av kollisjonene er for all del med bestrålte og følgelig eksiterte CO₂, CH₄ og H₂O-molekyler, men langt fra den store majoriteten. Selv uten disse sporgassene ville varme bli brakt i overflod fra overflaten og opp i troposfæren.

Man har havnet så fullstendig inni denne forvrengte idéverden om at IR fra atmosfæren kun kan og nødvendigvis må komme fra 'drivhusgassene' fordi disse er de eneste som kan absorbere og emittere IR-stråling. Og så glemmer man hva som faktisk definerer temperaturen av en gass - den kinetiske energien som manifesterer seg i kollisjonene mellom molekylene, alle molekylere i gassen. All materie med temperatur over 0 stråler ut IR-fotoner. Jeg mener at en gass primært vil gjøre dette som en funksjon av nettopp kollisjonene mellom molekylene den består av - dens spesifikke kinetiske energi/temperatur.

Det er dette jeg trodde var så selvfølgelig. Og som jeg føler Pierrehumbert har gitt meg rett i. Men jeg blir nå temmelig usikker på om jeg har tatt for lett på dette ...

Jeg vil spørre dere igjen, tenk f.eks. en N₂-gass som får varme kontinuerlig tilført via konveksjon fra en varm overflate; hva skal hindre denne fra å bare bli varmere og varmere og varmere dersom den ikke kan emittere IR, og da altså ikke IR som på forhånd er absorbert, men IR som stråles ut som en funksjon av gassens temperatur, som følge av det kinetiske energiinnholdet og altså kollisjonene mellom N₂-molekylene?

Er ikke N₂- og O₂-gass i stand til å avkjøle seg selv? Som respons på oppvarming?

[Amateur2]

Jeg tenkte kanskje at det kunne være relevant å se på svingemodellene for O2 og N2 tilsvarende som for CO2 og H2O og håper det ikke drar tråden alt for langt ut på viddene igjen.

Begge molekylene kan i prinsippet modelleres tilsvarende H2O og CO2 som indikert nedenfor (ebye får korrigere hvis jeg bommer for grovt på kjemien, det var aldri mitt sterkeste fag )

Oksygen      Nitrogen

O=O           N=N

Begge disse molekylene har i prinsippet en grunnleggende svingeform, den symmetriske aksialsvingningen. Hvorvidt den kan eksiteres av IR eller ikke avgjøres av den tilhørende egenfrekvensen. Jeg vil anta at bindingene mellom atomene er så sterke, altså fjæra blir veldig stiv, at egenfrekvensen ligger godt utenfor IR sitt frekvensområde. Derfor ingen eksitasjon (absorpsjon) med medfølgende reemittering av IR slik vi ser for CO2 og H2O.

O2 og N2 gassenes evne til å ta opp, holde på og avgi varme må dermed være styrt av molekylenes relative bevegelser og deres interne kollisjoner.

Hovedspørsmålet er altså:

Hva skjer når disse gassmolekylene kolliderer?

Er det en ren overføring av energi fra et molekyl til et annet (ideelt elastisk støt) eller er det en slags dempingsmekanisme ute og går som frigjør energi (reduserer molekylets hastighet) i form av f.eks. IR ?

Gassen kan jo ikke bare bli varmere og varmere ...

[ebye]

Jeg er i klimagrublebua.