Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase

2.2 Absorption von Strahlung durch atmosphärische Gase
Spektralbereich von 0,4 µm bis 0,78 µm findet nur eine relativ geringe Strahlungsabsorption
durch atmosphärische Gase statt, so dass in diesem Bereich die kurzwellige
Strahlung fast ungehindert bis zum Erdboden durchdringen kann, erst dort absorbiert
wird und zur Erwärmung der Erdoberfläche beiträgt. Dieser besonders durchlässige
Bereich wird auch als atmosphärisches Fenster im sichtbaren Licht bezeichnet
[4]. Im nahen Infrarot absorbiert neben Wasserdampf H2O vor allem Kohlendioxid
CO2.
Entscheidend für den Wärmehaushalt der Erde ist jedoch vor allem die Absorption im
mittleren und ferninfraroten Spektralbereich, eben des Wellenlängenbereichs der von
der Erde abgegebenen Wärmestrahlung. Dadurch entweicht nicht die gesamte Wärmeleistung
in das Weltall, sondern es kommt in der Atmosphäre zu einer Reemission
von Thermostrahlung, deren auf die Erde gerichteter Teil als sogenannte atmosphärische
Gegenstrahlung die Erdoberfläche zusätzlich zur Solarstrahlung erhitzt. Allein
durch diesen Effekt wird die Temperatur der unteren Atmosphäre von -18 °C um
33 K auf +15 °C im globalen Mittel angehoben (siehe Modellrechnung in Abschnitt
2.3.2).
Im Folgenden sind die theoretischen Grundlagen der Absorption von thermischer Strahlung
im Infrarotbereich durch Moleküle zusammengefasst und das Absorptionsverhalten
atmosphärischer Gase dargestellt. Dabei soll auf eine tiefergehende quantenmechanische
Behandlung verzichtet werden, da diese den Rahmen dieser Arbeit sprengen würde
und nur bedingt zum Verständnis beiträgt.
2.2.1. IR-Absorption
Moleküle können Energie aufnehmen indem sie ihren quantenmechanischen Zustand
ändern. Dies kann zum einen wie bei Atomen durch elektronische Anregung geschehen,
oder durch eine Änderung des Schwingungs- oder Rotationszustandes des Moleküls. Infrarotstrahlung
liegt energetisch im Bereich von Schwingungsübergängen von Molekülen,
also zwischen dem optischen Bereich, in dem elektronische Anregungen stattfinden, und
dem oberen Mikrowellenbereich, in dem Rotationen von Molekülen angeregt werden.
Das Schwingungsverhalten von Molekülen wird durch sogenannte Normalschwingungen
charakterisiert. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass alle Kerne des Moleküls
gleichzeitig durch die Ruhelage gehen und dass Gesamtimpuls und Gesamtdrehimpuls
des Kerngerüsts Null sind [5]. Eine Molekülschwingung kann dann als eine Überlagerung
von Normalschwingungen beschrieben werden. In einem aus N Atomen bestehenden
Molekül besitzt jedes Atom drei Freiheitsgrade der Translation. Von den insgesamt 3N
Freiheitsgraden entfallen im Molekül jedoch drei Freiheitsgrade für die Translation des
Schwerpunktes, sowie im Fall von nichtlinearen Molekülen drei Freiheitsgrade für die
Rotation um die drei Hauptträgheitsachsen durch den Molekülschwerpunkt. N-atomige
Moleküle besitzen also im Allgemeinen 3N − 6, im Fall von linearen Molekülstrukturen
3N − 5 Freiheitsgrade.
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