Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase

2.2 Absorption von Strahlung durch atmosphärische Gase
Streckschwingung besitzt mit ˜ν3 = 2349 cm −1 die größte Wellenzahl. Die symmetrische
Streckschwingung hat eine Wellenzahl von ˜ν1 = 1337 cm −1 , die Biegeschwingung
von ˜ν2 = 667 cm −1 . Generell sind die Wellenzahlen von Streckschwingungen größer
als diejenigen von Biegeschwingungen [6]. Auch im Fall von Wasser besitzt die Biegeschwingung,
welche hier nicht entartet vorliegt, mit ˜ν2 = 1595 cm −1 die kleinste
Wellenzahl. Die Wellenzahlen der Valenzschwingungen liegen mit ˜ν1 = 3657 cm −1 und
˜ν3 = 3756 cm −1 dicht beieinander. Außerdem ändert sich das Dipolmoment bei allen
Normalschwingungen periodisch, sie sind also alle IR-aktiv.
Elektromagnetische Strahlung kann von Molekülen absorbiert werden, falls die Energie
der Strahlung der Energiedifferenz zwischen quantenmechanischen Zuständen des Moleküls
entspricht und der Übergang bestimmten quantenmechanische Auswahlregeln
genügt. Im Infrarotbereich fallen die Absorptionslinien somit mit den Schwingungswellenzahlen
der Moleküle zusammen. Genauer findet man in den Absorptionsspektren
breite Bereiche von hohem Absorptionsvermögen um die Wellenzahl einer Normalschwingung,
sogenannte Absorptionsbanden. Diese Verbreiterungen entstehen infolge der
Kopplung von elektrischer Schwingungs- und Rotations-Anregung in Molekülen, so
dass keine einzelne Energiedifferenz absorbiert wird, sondern ein ganzes Spektrum von
Energiewerten, je nach Anregung der Moleküle.
Abb. 2.8.: IR-Absorptionsspektren von Kohlendioxid und Wasserdampf. Daten von NIST Standard
Reference Database 69: NIST Chemistry WebBook [7].
Abb. 2.8 zeigt die IR-Absorptionsspektren von Kohlendioxid und Wasser. Darin erkennt
man deutlich die Absorptionsbanden um die jeweiligen Schwingungsfrequenzen der
beschriebenen Normalschwingungen. Da beide Gase Bestandteile des atmosphärischen
Gasgemisches sind (siehe Abschnitt 2.2.2) spielen deren Absorptionsverhalten eine
wichtige Rolle für die Absorption von Wärmestrahlung durch die Atmosphäre. Im Folgenden
sollen neben Wasser und Kohlendioxid weitere atmosphärische Gase vorgestellt
und hinsichtlich ihrer Treibhauswirkung diskutiert werden.
Es sei angemerkt, dass zu den Daten aus Abb. 2.8 keine Information über die jeweilige
Konzentration des Gases vorliegt, ein quantitativer Vergleich der Absorptionseigenschaften
somit nicht möglich ist.
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