Cuando una molécula de gas de efecto invernadero absorbe un fotón de radiación infrarroja de onda larga, se impulsa al siguiente estado vibratorio permitido. El estado vibratorio, tal como lo entiendo, implica deformaciones de los enlaces químicos entre los átomos. ¿Ese estado vibratorio cuántico superior representa un cambio de temperatura? ¿La absorción de IR calienta directamente la atmósfera? En una respuesta en este foro, Floris escribió:
"Sin embargo, también hay bandas de absorción en el infrarrojo cercano, a 1,4, 1,9, 2,0 y 2,1 µm (ver Absorción de dióxido de carbono en el infrarrojo cercano). Estas bandas absorberán la energía del sol "en el camino hacia abajo", y darán como resultado en el calentamiento atmosférico".
Eso implica que la absorción de alguna radiación calienta directamente la atmósfera. ¿Es eso cierto?
Parte del problema es que no entiendo cómo la radiación electromagnética calienta los diferentes materiales/medios. Entiendo el concepto de moléculas de gases de efecto invernadero solo excitadas por fotones que coinciden con la brecha de energía entre los estados cuánticos permitidos de la molécula. También, de alguna manera, entiendo el ensanchamiento por colisión de las bandas de absorción en el sentido de que debe ocurrir un poco junto con la colisión y aprovechar el hecho de que la energía de colisión (energía cinética) no está cuantificada. Pero no encuentro explicaciones básicas de cómo diferentes partes del espectro del Sol excitan los diferentes medios de la superficie de la Tierra para causar calentamiento.
Eso es más trasfondo, sin embargo, aunque eventualmente me gustaría obtener una mayor comprensión de lo que sucede a nivel atómico y molecular en ese proceso. Mi pregunta principal es la indicada, ¿la absorción molecular de la radiación calienta directamente la atmósfera?
Como lo indica el enlace que rob publicó en los comentarios a su pregunta, según una definición estricta de temperatura, la energía rotacional / vibratoria de las moléculas de gas excitadas cuenta tanto como la energía de traslación de su movimiento. Entonces sí, la temperatura del aire aumentará por definición simplemente por el acto de absorber la radiación IR.
Pero consideremos lo que sucede con un poco más de detalle: una sola molécula de CO2 absorberá un fotón y luego, después de un cierto período de tiempo, lo volverá a emitir. En un gas que consta de muchas moléculas de CO2, una sola molécula colisionará con otras moléculas; el tiempo medio entre estas colisiones es, al menos en las condiciones de la atmósfera inferior, mucho más corto que el tiempo medio entre la absorción y la reemisión. Cuando una molécula excitada choca con otra, esto puede conducir a una conversión de la energía de rotación/vibración en energía de traslación y la molécula se moverá más rápido, es decir, se producirá la termalización y el gas se calentará (si definimos la temperatura únicamente por los movimientos de traslación) . Por supuesto, esto también sucede en la otra dirección, es decir, una molécula puede excitarse cuando golpea a otra, por lo tanto, muy pronto después del comienzo de la absorción IR, el gas alcanzará un equilibrio en el que habrá el mismo nivel de emisión que el de absorción según la ley de Kirchhoff. La adición de gases que no son de efecto invernadero, como el N2, dará como resultado el cambio de energía del componente de gas CO2 al N2, lo que libera las moléculas de CO2 para aumentar la absorción.
Entonces, en pocas palabras, sí, el aire se calentará con la radiación IR absorbida, pero esto no conduce a menos emisiones. 19 el científico del siglo XIX John Tyndall comparó el efecto invernadero atmosférico con un río que fue represado en un punto determinado; una vez que el lago embalsado estuviera lleno y el agua se desbordara sobre la presa (por ejemplo, se alcanzara el equilibrio), la salida del agua sería idéntica a la entrada, pero sin embargo, el lago sería más profundo y contendría más agua que otras partes del río. De la misma manera, el aire puede estar más caliente debido a la absorción de la radiación IR y aun así emitir tanta radiación como la que absorbe.
Esta respuesta me ayudó mucho a aclarar mi pensamiento sobre este tema: https://physics.stackexchange.com/a/67578/157769
También podría estar interesado en una pregunta mía estrechamente relacionada: ¿Existe alguna diferencia en el espectro de absorción de infrarrojos de un gas de efecto invernadero cuando es puro y cuando se mezcla con gases que no son de efecto invernadero?
robar