Hvordan virker et co2 molekyl?

Started by Smiley, 10.12.2014, 19:17:24

Previous topic - Next topic

Smiley

Jeg har i de siste dagene prøvd å finne ut hvordan et co2 molekyl egentlig virker. Det har faktisk vist seg å være forbausende vanskelig å sjekke på internett. Et hvert søk på co2 gir hundretusener av treff og alt handler om tilbakestråling. Begrepet er enkelt og greit at co2 KAN absorbere og avgi IR lys men det finnes overhode ikke noen nærmere beskrivelse av hvilke kriterier som må ligge til grunn.
Etter timesvis med Googling har jeg kommet frem til at co2 bare absorberer når frekvensen er riktig og IR lyset treffer på tverrs av atomene. Men hva er riktig frekvens?
Det betyr altså at co2 kun kan absorbere stråling fra bakken når det ligger vannrett og vil da sende ut nytt photon videre oppover. Ligger atomene loddrett vil det absorbere og sende ut vannrett. Co2 avgir absorbert energi innen 0,02 sekunder i følge Roy Spencer. Så kun hvis molekylet absorberer og snur seg innen 0,02 sekund vil det rette IR mot bakken som ikke allerede var på vei opp eller ned.
Siden frekvens er avhengig av temperatur må det da altså finnes temperatur områder hvor co2 ikke kan absorbere og sende ut IR. Da er det ikke mye IR igjen som kan bli ekstra tilbakestråling.

Det er heller ikke noen informasjon om hva som skjer hvis co2 molekylet har rett frekvens men ikke motar noe IR. Lager det likevel et photon som sendes ut? Eller motsatt, hvis molekylet motar IR kan det da la være å sende ut et photon og heller justere frekvensen opp?

Det er jammen meg ikke rart at co2 følsomhet er et omstridt tema ;)

Knuta

Det er ikke lett å svare på hvordan et CO2 molekyl fungerer. En må nesten være kvantfysiker for å forstå det. Nå har jeg som er hobbyamatør i det meste prøvet å forstå det lille som er å finne på nett. Så jeg klarte etterhvert å finne frem til hitran-databasen. Etter at jeg fant den så forsto jeg en god del mer. Nå er det riktignok ingen opplysninger hente bort sett fra rene data. Jeg skal ikke påstå at jeg har rett i alt som skrives, men det finnes knapt noen fullgode forklaringer så jeg har forsket det frem på egenhånd.

Databasen har data over en god del molekyler som finnes i atmosfæren. Den er alt annet enn komplett, men den gir de viktigste linjene. Hver linje representerer en fast frekvens, bølgelengde eller bølgetall alt avhengig av hva man trenger. Et molekyl kan emitere mange frekvenser, f.eks. CO2 har 11 millioner oppdagede linjer og vann det tidobelte. Uansett molekyl eller frekvens så oppfører fysikken seg bak emitering og reemitering likt. Et stoff f.eks. CO2 eller H2O har en haug med forskjellig isotopsammensetninger som også har en avgjørende betydning, hvilket ser ikke ut til å være et tema men i aller høyeste grad burde være det.

Slik jeg har oppfattet emiteringen, som det kan være forskjellige grunner til, så angis linjene med bl.a. intensitet. Så for det meste hvis en stråling av bestemt frekvens gjennom et gitt medium blir halvvert på 10 meter så sitter man igjen med 1/4 etter 20 meter og 1/8 del etter 30 meter. Skal ikke står fantasi til å forstå at etter 100 meter så har man så lite som 1/2^10 d.vs. rundt en tusendel igjen av opprinnelig stråling. For det meste kan man anta reemitering av strålingen, og strålingen vil foregå i alle himelens retninger. Må ikke forveksles med et speil. Fordi et medium også har temperatur vil emitering/reemitering ikke være sylskarp på nøyaktig frekvens men avvike litt fordi molekylene kan ha retning både til og fra strålingskilden. Dette er slik jeg har oppfattet fysikken bak, det finnes ingen form for logaritmeregning slik som det blir fremstilt av f.eks. IPCC.

Intensiteten på linjene er alt annet enn lik, slik at på en frekvens emiterer CO2 muligens 1/2 etter bare 20 cm, mens på en annen frekvens bruker den 4 kilometer på en halvering. H2O kan operere men mange linjer i et område der CO2 opptar minimalt, og motsatt. Ofte i et område kan H20 oppta f.eks 1/2 av strålingen mens CO2 står for 1/3. Her begynner det å bli mer komplisert matematikk, og vi må også se på flere stoffer når beregningene gjøres.

Så kommer det et spørsmål om reemitering. CO2 kan neppe reemitere all stråling. Hvis det var tilfelle ville ikke atmosfæren varmes opp. Så noe av energien som blir emitert blir ikke reemitert men absorbert og temperaturen stiger. Så igjen vil atmosfæren avgi stråling men mer lik black body stråling som er avhengig av temperatur.

I dag er det vanlig oppfatning at overflaten stråler rett ut, men det er alt annet enn sannheten. Strålingen fra bakken går i alle retninger. Faktisk er der mer stråling langs bakken enn rett ut. Bakketemperatur har en høyere betydning for utstråling enn det vi hører om. CO2 har allerede emitert dem meste strålingen den kan allerede etter noen få meter. så 100 ppm økning har svært lite å si. Noe kanskje men utregningene i dag holder rett og slett ikke mål. Skuffende er det når IPCC forfatter en gang i tiden tok bryderiet med å kalkulere CO2, av avsluttet "kalkuleringen" men en særdeles enkel logaritmeformel som ikke tar hensyn til noe annet enn bare CO2. Selve arbeidet med kalkuleringen er ikke tilgjengelig.

Vet ikke om du fikk svar på det du spør om, men det jeg skriver representerer stort sett hobbyforskning. Jeg ville ha satt pris på om noen kom med noe mer utfyllende svar.

Smiley

I følge alle kilder jeg har funnet er det strålingen som skal gi varme, ikke molekylets vibrasjoner eller molekylet selv. Det vil si at co2 må stråle ut all energi det mottar og ingenting kan bli beholdt ellers sitter vi igjen med problemet med energibevaring. Så molekylet må da eventuelt stråle ut mindre energi enn det mottok hvis det skal øke vibrasjonen i tillegg. Hvis molekylet reduserer bølgelengden vil den inneholde mindre energi og ha enda mindre mulighet til å varme noe som helst. Mulig det er derfor det ikke blir noen varme?


Amateur2

#3
Dette ble behandlet av meg i noen tråder på Klimaforskning.com. Det var innledende tanker underveis i sporadiske studier av CO2 sin kvantemekanikk. Jeg har gjort meg en god del tanker om dette etter mer lesing av kvantemekanikk og jobber innimellom med et lite skriv om dette. Det har imidlertid lav prioritet for tiden. En inngangslenke til klimaforskning er: http://klimaforskning.com/forum/index.php/topic,1322.msg27433.html#msg27433
og
http://klimaforskning.com/forum/index.php/topic,1240.msg24205.html#msg24205

Knuta

Du skriver på klimaforskning:
Quote from: Amateur2
  Med Claes Johnsons beskrivelse sÃ¥ kan ikke et legeme med en gitt temperatur øke sin temperatur pÃ¥ grunn av strÃ¥ler som har lavere frekvens enn det temperaturen pÃ¥ legemet tilsier at molekyler og atomer vibrerer med.

Foreløpig har ingen falsifisert Claes Johnson.

Dette finner jeg særdeles interessant. Før jeg gjør en større research, vet du noe om fysikken bak dette? Jeg har prøvet å sette meg inn i om et kaldere objekt kan varme opp et varmere objekt, hvilket jeg klarer kun ved hjelp av linser og speil med enveiskjørings prinsipp. Men her dukker det opp fysikk som slår under beina på tankegangen jeg holder på med.

Amateur2

#5
Knuta, dette er noe av det jeg forsøker å finne ut av. Jeg leser for tiden i Richard Feynmans komplette samling av fysikkforelesninger.
Disse er nettopp lagt ut på nettet, http://www.feynmanlectures.caltech.edu.
Alle Albert Einsteins papers er også lagt ut. http://einsteinpapers.press.princeton.edu

Når det gjelder ditt konkrete spørsmål så har jeg gjort meg noen tanker om dette, men det gjenstår å finne referanser i fysikklitteraturen, evt foreta en utledning basert på energiprinsipper. Jeg er ganske sikker på at dette har med Termodynamikkens 2dre hovedsetning å gjøre. Jeg mener at for å få til en overgang fra lavfrekvent stråling til høyfrekvent stråling må man utføre et arbeid. Lavfrekvent stråling har, slik jeg forstår det, ikke den arbeidsevnen som skal til for å utføre dette arbeidet. Det bør gå an å finne litteratur om dette f.eks. innenfor trådløs kommunikasjon.

Edit: Jeg sjekket akkurat opp Claes Johnson sin blogg etter et lengre fravær derfra. Han har nå en serie poster om "The radiating atom". Mulig det kan være noe å hente der.
http://claesjohnson.blogspot.no/2014/11/the-radiating-atom-1.html

Okular

Quote from: Amateur2 on 13.12.2014, 10:51:10
Jeg mener at for å få til en overgang fra lavfrekvent stråling til høyfrekvent stråling må man utføre et arbeid. Lavfrekvent stråling har, slik jeg forstår det, ikke den arbeidsevnen som skal til for å utføre dette arbeidet. Det bør gå an å finne litteratur om dette f.eks. innenfor trådløs kommunikasjon.

Hei, Amateur2.

Veit ikke om det til syvende og sist har noen egentlig relevans, men den fotoelektriske effekten synes å være et eksempel på hvor avgjørende fotoners individuelle energiinnhold er for hva de er i stand til å utføre. Siden et enkelt fotons energiinnhold jo er helt og holdent avhengig av dets frekvens (E = hv; E: fotonets energiinnhold, h: Plancks konstant, v: fotonets bølgefrekvens), så er det denne og ikke hvor mange fotoner som 'lander' per tidsenhet (fluksintensiteten) som avgjør om det blir en (fotoelektrisk) effekt eller ikke.

Fra wikipedia:
QuoteElectrons can absorb energy from photons when irradiated, but they usually follow an "all or nothing" principle. All of the energy from one photon must be absorbed and used to liberate one electron from atomic binding, or else the energy is re-emitted. If the photon energy is absorbed, some of the energy liberates the electron from the atom, and the rest contributes to the electron's kinetic energy as a free particle.

En interessant detalj her er den om at dersom ikke hele det innkommende fotonets energiinnhold blir absorbert av det gitte elektronet slik at det frigjøres fra atomet det er knyttet til, så vil energien isteden bli 'reemittert' igjen. For å være ærlig er jeg litt usikker på hva man mener med dette, hva det innebærer. Det vil vel ikke si refleksjon, men betyr det absorpsjon og påfølgende reemisjon uten noen som helst effekt? Hvor og av hva er det i så fall energien er blitt absorbert av og hvorfra og av hva reemitteres det ut? Håper du kan kaste litt lys over dette ...

Uansett, dette er det sentrale poenget:
QuoteIn the photoemission process, if an electron within some material absorbs the energy of one photon and acquires more energy than the work function (the electron binding energy) of the material, it is ejected. If the photon energy is too low, the electron is unable to escape the material. Since an increase in the intensity of low-frequency light will only increase the number of low-energy photons sent over a given interval of time, this change in intensity will not create any single photon with enough energy to dislodge an electron. Thus, the energy of the emitted electrons does not depend on the intensity of the incoming light, but only on the energy (equivalently frequency) of the individual photons.

Den fotoelektriske effekten vedrører spesifikt interaksjonen mellom innkommende fotoner (elektromagnetiske energipakker) og de ytre elektronene rundt et atom.

Prinsippet burde imidlertid være det samme for termalisering av atomer/molekyler ved absorpsjon av lys. Har de innkommende fotonene nok energi til å eksitere elektroner fra sine opprinnelige baner rundt atomkjernen?

Dette er overhodet ikke mitt 'spesialfelt'. Jeg er mer en termodynamiker (makroprosesser). Så jeg vil gjerne høre dine tanker omkring ekvivalensen til disse to prosessene, Amateur2. Er de ekvivalente i det hele tatt?

Mer om den fotoelektriske effekten: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod2.html

Amateur2

#7
Hei Okular (Smiley og Knuta også)

Nå er ikke jeg kvantefysiker heller, men jeg leser litt om emnet innimellom og forsøker å forstå det ut i fra mitt ingeniørståsted som er relatert til svingende og vibrerende konstruksjoner.

Jeg mener fokuseringen på fotoner er egnet til å tåkelegge den grunnleggende fysikken rundt spesifikke gassmolekylers absorpsjon og emisjon av elektromagnetisk IR-stråling. Jeg skal forsøke å forklare dette igjennom en beskrivelse av min forståelse av hvordan dette virker.

Den fotoelektriske effekten
Den fotoelektriske effekten er etter dt jeg skjønner et fenomen knyttet til atomers tilstand med hensyn til elektronenes energinivÃ¥. Eksitasjon av et elektron til høyere energinivÃ¥ er noe som kan forekomme i alle atomer. Hvor mye energi som skal til for Ã¥ â??flytteâ? et elektron fra et nivÃ¥ til det neste høyere nivÃ¥et er sÃ¥vidt jeg forstÃ¥r spesifikt for det enkeltye type atom. Tilsvarende energimengde frigis nÃ¥r elektron gÃ¥r fra et høyere energinivÃ¥ til et lavere. NÃ¥r atomet er i grunntilstanden kan det ikke frigis mer energi. Det er dette fenomenet Claes Johnson  for tiden behandler i sin bloggserie om "The radiating atom".

Det absorberende og strålende atom
Claes Johnson gÃ¥r løs pÃ¥ den matematiske forklaringsmodellen som bygger pÃ¥ Schrödingerligningene, og som utgjør noe av det matematiske grunnlaget for dagens kvantefysikk. Claes Johnson mener disse ligningene mangler kobling til den reelle verden vi tross alt lever i, noe jeg er tilbøyelig til Ã¥ følge ham pÃ¥. Et annet av Claes Johnsons tunge ankepunkter er at Schrödingerligningene ikke er â??computableâ?, det vil si de er ikke løsbare hverken analytisk eller numerisk for fenomener som opptrer i den reelle verrden. Man kan jo spørre seg hva vitsen egentlig er med en matematisk modell som ikke kan brukes praktisk. Claes Johnson foreslÃ¥r en reformulering av Scrödingerligningene som vil gjøre dem praktisk anvendelige. Hans reformulering av ligningene gjør ogsÃ¥ at de  kan relateres til klassisk mekanikk i form av lett dempede svingesystemer, en forklaringsmodell jeg har stor sans for. Det blir spennende Ã¥ følge dette arbeidet videre. :)

Molekylvibrasjoner generelt og vibrasjoner i CO2 spesielt
Når det gjelder molekyler og deres vibrasjoner så kommer det et fenomen til på banen i tillegg til at atomene kan eksiteres til høyere energinvåer. Flere molekyler har en molekylstruktur som gjør at de har det som kalles et elektrisk dipolmoment. Det betyr rent praktisk at molekylet kan settes i indre resonanssvigninger av elektromagnetisk stråling, f.eks. infrarødt lys. CO2 har tre slike elektriske dipoltilstander. En antimetrisk aksialsvigning, langs aksen som går fra oksygenatom via karbonatom til oksygenatom. Molekylet har også to bøyesvigninger som går på tvers av (vinkelrett på) denne aksen og som innebyrdes står vinkelrett på hverandre.

Figurene nedenfor viser ytterpunktene  i svingeformene med grunntilstanden i midten. Det svinger altsÃ¥ om grunntilstanden.

Grunntilstand

O == C == O


1a) Symmetrisk aksialsvingning med O-atomene i motfase
(Her svinger O-atomene i motsatt retning mens C atomet står i ro)

O < = = = C = = = > O         O == C == O       O=>C<=O


1b) Antimetrisk aksialsvigning med O-atomene i fase
(her svinger O-atomene i samme retning mens C atomet svinger i motsatt retning)

O < = = = >C>=<O             O == C == O       O>=<C< = = = >O


2 Bøyesvingninger
(Her svinger O og C-molekylene vinkelrett på linjen som kan trekkes mellom atomene, 2a) ligger i skjermplanet og 2b) vinkelrett på skjermplanet)

O         O                                             C
^      ^            O == C == O              ^
   =C=                                            O=  =O


Aksialsvigning 1a) danner ingen elektrisk dipol. Det gjør imidlertid de tre andre svingeformene.

Modeller for det oscillerende CO2-molekylet
Den elektriske dipoleffekten for molekyler beskrives gjerne ved hjelp av en klassisk mekanisk svingemodell av masse-fjær typen med tilhørende karakteristiske resonanser. Massene er gitt av atomenes masser og fjærstivheten av elektronkoblingene mellom atomene. Jeg forstÃ¥r det slik at fjærstivhetene er svakt tilstandsavhengige. Det betyr at resonansfrekvensene kan variere noe avhengig av molekylets tilstand. Det mÃ¥ blant annet være dette som ligger bak det noe ulne begrepet â??pressure broadeningâ?. SvingenivÃ¥et for elektronene i atomene kan muligens ogsÃ¥ virke inn pÃ¥ stivheten av koblingene. Resonansfrekvensene vil derfor kunne variere noe med molekylets tilstand.

(Her var det meningen at det første vedlegget skulle stå :( )

Masse-fjær modellen er imidlertid en mangelfull modell for molekylets virkelige oppførsel i en gassblanding. I den virkelige verden så vil et CO2 molekyl kunne absorbere elektromagnetisk stråling med frekvenser som tilsvarer resonansfrekvensene. På grunn av ladningsforskjell på oksygen-atomene og karbonatomet så dannes det et elektrisk felt når atomene beveger seg i forhold til hverandre. Når et CO2 molekyl er i resonanansvingninger vil det derfor kontinuerlig sende ut elektromagnetisk stråling med resonansfrekvensen på grunn av den elektriske dipolen det danner. Slik utsending av stråling har karakter av svak demping for molekylets svingetilstand og innebærer en kontinuerlig energidissipasjon. Denne utstrålingen foregår i alle retninger såvidt jeg skjønner. (Her må jeg sjekke teori for elektriske dipoler, f.eks. antenner, litt grundigere.) Dermed er en dempet oscillator, dvs masse-fjær-demper, en bedre modell for CO2 molekylet enn den rene udempede oscillatoren man gjerne finner i litteraturen.

En konsekvens av at molekylet oppfører seg som en lett dempet oscillator er at molekylet også kan eksiteres i (dempet) resonans av frekvenser som ligger tett opp til de dempede egenfrekvensene (resonansfrekvensene).

(Her var det meningen at det andre vedlegget skulle stå :( )

Et spesielt forhold ved CO2-molekylet
Et annet spesielt forhold med CO2 molekylet er at det er rotasjonssymmetrisk om lengeaksen. Dermed er ikke retningen på bøyesvigningene definert. Dette har konsekvenser for hvorvidt begge bøysvingningeformene kan eksiteres simultant eller ikke. I et strålingsfelt vil etter min mening kun en bøyesvingeform eksiteres. Retningen på denne er gitt av retningen på strålingsfeltet. Den bøyesvingeformen som er vinkelrett på den som allerede svinger vil ikke kunne eksiteres fordi det ikke finnes stråling i denne retningen. Dette betyr at CO2 molekylets evne til å absorbere stråling i praksis bør være lavere enn den teoretiske kapasiteten det har når begge bøysvingeformer regnes med.

Molekylkollisjoner og resonanser
Det er også en annen eksitasjons/deeksitasjonsmekanisme som kan opptre for gassmolekyler. De kan settes i resonanssvigninger når de utsettes for støt og de kan tape svigningsenergi når de støter bort i andre gassmolekyler. Det er gjerne følgende hendelsesforløp som brukes for å forklare oppvarmning via CO2:

1) CO2 absorberer IR stråling og settes i resonansvigninger
2) CO2 kollidere med andre molekyler (vesentlig O2 og N2) og overfører svingeenergien til disse

Dette er imidlertid bare halve sannheten.

CO2 kan jo like gjerne settes i resonanssvigninger ved kollisjon med andre gassmolekyler. Så fort molekylet kommer i resonansvigninger så begynner det å sende ut elektromagnetisk stråling med frekvenser tilsvarende resonansfrekvensene.

Jeg mener at CO2 molekylet  i de nedre delene av atmosfæren virker som en form for diffusor pÃ¥ IR strÃ¥lingen fra jordskorpen og havet. I de øvre delene av atmosfæren sÃ¥ vil eksitasjon ved kollisjon med andre molekyler være den dominerende eksitasjonskilden for resonansene. Der vil storparten av strÃ¥lingen gÃ¥ mot verdensrommet, altsÃ¥ har CO2 en kjølende effekt i de ytre atmosfærelag.

Dermed er det etter min forståelse ingen særlig grunn til at CO2 skal bidra til akkumulering av energi i atmosfæren alik det hevdes fra AGW-hold.

(Hvis det er noen radioentusiaster, elektroingeniører el.l som kan kaste litt mer lys over dette med elektriske dipoler og stråling så er alle innspill særdeles velkomne. Det ville være greit om vi kunne etablere en bunnsolid beskrivelse av hvordan disse radiative molekylene egentlig oppfører seg, slik at vi slipper å få flere av disse ulne, energiakkumulerende, pseudofysiske beskrivelsene fra Samset & Co )

Smiley

#8
http://fokus.ku.dk/klima/info/drivhusgasserne/Drivhusgasserne.pdf

Her kan man se hva universitetet i København sier om drivhusgasser. Som man ser er molekylet beskrevet slik det gjøres her av Amateur2. Men det hevdes at utstrålingen som er lik absorbert mengde går tilbake til overflaten og varmer denne. Det er akkurat denne siste setningen jeg vil ha mer informasjon om. Hvordan kan man som den største selvfølge anta at tilbakestråling kan varme?
Det er her den logiske bristen ligger, ikke i molekylets krumspring som vi nå har fått en god inføring i av Amateur2.

Universitetet i København nevner overhode ikke noe om molekylets svingninger/kollisjoner. Så varmen skjer ved hjelp av strålingen som returneres tilbake til kilden! Siden inn og utstråling er lik er det altså ikke engang mengde stråling som skal endre temperaturen men kun retningen på eksisterende mengde stråling!

Hvis jeg varmer et stykke stål vil jo molekylene i hele stykket stråle ut energien i alle retninger, ikke bare utover. Det vil altså finnes tilbakestråling i alt som har temperatur. Men i stålstykket forklares temperatur med molekylsvingninger, ikke tilbakestråling. Det samme må jo gjelde atmosfæren som helhet!

Amateur2

Quote from: Smiley on 16.12.2014, 18:51:00
Men det hevdes at utstrålingen som er lik absorbert mengde går tilbake til overflaten og varmer denne. Det er akkurat denne siste setningen jeg vil ha mer informasjon om. Hvordan kan man som den største selvfølge anta at tilbakestråling kan varme?

Dette går det ikke an å få en logisk forklaring på, rett og slett fordi den logiske forklaringen ikke finnes.

Smiley

Vel, da er problemet altså at logikk brukes på en ulogisk problemstilling ;)

Amateur2

Professor Dr. Irina N. Sokolik har lagt ut mange av sine interessante forelesningsnotater om atmosfærefysikk og relaterte emner på nettsiden http://irina.eas.gatech.edu/Teaching.aspx. Av særlig interesse for denne tråden er kurset Atmospheric radiative transfer.

Professor Sokolik er opprinnelig russisk og hun arbeider i samme miljø som Judith Curry, ved Georgia Institute of Technology - School of Earth and Atmospheric Sciences