¿Cómo interactúa el mecanismo de los gases de efecto invernadero con la radiación IR?

Para simplificar las cosas, desea comparar dos atmósferas que son idénticas, excepto que una tiene infinitesimalmente más absorbente de IR. En el segundo caso, algunos fotones IR que viajaban hacia arriba son absorbidos y termalizados (es decir, la energía se transfiere a las moléculas de gas circundantes antes de volver a emitirse). Los fotones IR básicamente transfieren energía, en este caso desde la superficie (o quizás un nivel más bajo de la atmósfera), hacia donde sea que sean absorbidos. Si la superficie es más cálida que la atmósfera donde reside nuestra molécula absorbente, entonces esa capa está absorbiendo más energía netamente que en el caso no perturbado, por lo que esa capa de la atmósfera se calentará (con respecto al caso de control). Eventualmente, una vez que dejamos que la atmósfera responda (pero luego las dos atmósferas tienen diferentes perfiles de temperatura),

Para pensarlo de otra manera, la impedancia radiativa del sistema (superficie cum atmósfera) al espacio es mayor con la adición de los gases de efecto invernadero, por lo que dada una entrada de energía fija (luz solar absorbida), la temperatura de equilibrio aumentará. Más allá de ese efecto de primer orden, los detalles de la estructura y el flujo atmosférico comienzan a cambiar, y luego comienza la parte difícil del problema.

No, esta visión es (en su mayoría) incorrecta. Con más detalle :

1)

Cualquier molécula que tenga un momento dipolar eléctrico distinto de cero interactuará con la radiación electromagnética. En el vocabulario de QM, absorberá y emitirá fotones. La molécula de CO2 tiene 3 modos de vibración y 2 de ellos producen un dipolo eléctrico. Las energías de vibración de estos modos están cuantificadas y tienen niveles de energía En. Para el primer modo excitado, E1-E0 = hf proporciona las frecuencias de 2 fotones que serán absorbidas/emitidas con mayor intensidad. Sus longitudes de onda son de 4 µ y 15 µ, lo que los coloca directamente en el espectro IR donde la Tierra irradia.

Así que la primera parte de tu visión era correcta. El CO2, pero sobre todo el H20, absorben y emiten fuertemente fotones en el infrarrojo. Debido a la ley de Kirchhoff, esta actividad es un juego de suma cero , por ejemplo, las moléculas de CO2 absorben exactamente tanto como emiten. Por lo tanto, no hay calentamiento neto de la atmósfera por IR.

2)

No hay transferencia neta de energía por "termalización". De hecho, una molécula de CO2 vibracionalmente excitada puede chocar con una molécula de N2, decaer de E1 a E0 y transferir E1-E0 a la energía cinética de la molécula de N2. Sin embargo, también existe el proceso inverso: una molécula de N2 transfiere E1-E0 a una molécula de CO2 no excitada, lo que hace que su energía vibratoria pase de E0 a E1. En estado estacionario ambas velocidades son obviamente iguales y no hay "calentamiento". También el sentido común nos dice que si hubiera una transferencia neta de energía, la temperatura de las moléculas de N2 divergiría y alcanzaría un plasma ultrarrelativista bastante rápido.

De ello se deduce que los procesos de colisión también son un juego de suma cero

3)

La visión correcta es entonces que en una mezcla de 1 gas GEI (dipolo no nulo como el H2O) y 1 gas no GEI (dipolo cero como el N2), el gas GEI absorberá y emitirá en el espectro infrarrojo y absorberá exactamente la misma cantidad como emite. El gas no GEI deja pasar todo. Además del proceso de radiación que involucra solo a los gases de efecto invernadero, existen colisiones que involucran tanto a los gases de efecto invernadero como a los que no lo son. El papel de este proceso es asegurarse de que el gas de GEI radiativamente activo y el gas no radiactivamente activo permanezcan ambos a la misma temperatura. En estado estacionario no hay transferencia neta de energía por colisión entre ambas especies.

El hecho de que una mezcla de GEI y no GEI sea más cálida que el caso con solo GEI es un efecto de la densidad de la radiación. De hecho, en una atmósfera sin GEI, la densidad de energía de la radiación es constante de abajo hacia arriba porque la radiación pasa a una velocidad constante. Como la materia no interactúa con la radiación, solo agrega su propia energía cinética a la densidad de energía general.

En el caso de una mezcla de GEI y no GEI, los procesos de absorción/emisión tienen como efecto disminuir el camino libre medio de los fotones y, por lo tanto, aumentar la densidad de energía de la radiación en comparación con el caso sin GEI. La materia de GEI interactúa con la radiación en este caso y su temperatura de equilibrio será más alta que en el caso de no GEI debido a la mayor densidad de energía. Las colisiones se asegurarán de que el gas que no sea de GEI esté a la misma temperatura que el gas de GEI. El resultado general es que toda la atmósfera con GEI estará a una temperatura más alta que la atmósfera sin GEI.

Advertencia importante.

En lo anterior estaba describiendo los procesos radiativos y de colisión solamente . En la atmósfera real, agregue convección, cambio de fase (evaporación, condensación, etc.), cambios de albedo y conducción. No hay razón para creer que estos procesos de transferencia de energía no se ven afectados por la radiación. Por lo tanto, dar el salto de una mezcla de GEI y no GEI a una atmósfera real implica una hipótesis implícita de "en igualdad de condiciones" que permite una conclusión cualitativa pero sería incorrecta para una conclusión cuantitativa.

$\mathrm{CO}_2$en realidad absorbe parte de la radiación solar ya que tiene bandas de absorción en$\approx 1.5$y$\approx 2.5 \mu m$, y hay mucha energía en esas longitudes de onda en la radiación solar.

El límite del sistema debe ser @TOA donde medimos TSI de$1370 \frac{W}{m^2}$, o donde encontramos$960 \frac{W}{m^2}$que es el número que obtenemos después de que el factor mal definido albedo haya tomado su parte.

$960W$sería la densidad de flujo en la superficie. La superficie emite$390\frac{W}{m^2}$lo que significa que desde$960W$de irradiación sólo en la superficie$780W$es un absorbido, esto viene de lo que se absorbe en$1m^2$es emitido por$2m^2$. Ya que solo la mitad de la esfera es irradiada por el sol.

De emitido$390\frac{W}{m^2}$a la atmósfera obtenemos una temperatura atmosférica media de$255K$, que es solo$240\frac{W}{m^2}$.

Del espectro de emisión en el TOA podemos ver la temperatura de$\mathrm{CO}_2$en las longitudes de onda que absorbe, que es$\approx 200K$o sobre$100\frac{W}{m^2}$.

De esto podemos ver que la superficie calienta la atmósfera y la superficie recibe más que suficiente energía del sol, pero es lo suficientemente amable como para compartirla con algo de aire. Lo que realmente sucede es que la atmósfera es una extensión porosa de la superficie, incapaz de absorber gran parte de la radiación solar, y que es el resultado de que el sol calienta la superficie terrestre.

Algunos gases, como el agua, se excitan con el calor y transportan energía hacia arriba en forma de gas. Este ascenso de materia desde la superficie por el calor añadido del sol es muy parecido al átomo excitado. La energía eleva la atmósfera y la tierra, así como los demás planetas del sistema solar, es un planeta excitado. Los gases en la atmósfera no calientan la superficie, se calientan desde la superficie. La teoría del invernadero se basa únicamente en la suposición de que las leyes de la naturaleza para la temperatura, la ley de stefan-boltzmann, no se aplican a la superficie de la tierra y que es más cálida de lo que las leyes de la naturaleza pueden explicar. Un punto de partida muy extraño para una teoría.

Pero hay muchas formas de demostrar que la superficie recibe energía más que suficiente para alcanzar la temperatura que experimentamos en la superficie. Una forma son las mediciones, la otra forma son los cálculos simples de transferencia de calor. la temperatura de$255K$ya que la "temperatura del cuerpo negro" se malinterpreta totalmente en la teoría del invernadero. Es en lo que estaría el sistema si estuviera igualmente caliente en todo su recorrido con una superficie que fuera infinitamente delgada.

No falta energía en la radiación solar para calentar la tierra a una temperatura media de$288K$. En realidad, si la transferencia de calor se calcula paso a paso desde TOA usando$\frac{W}{m^3}$en lugar de$\frac{W}{m^2}$, para tener en cuenta que la masa de tierra debe calentarse hasta el punto en que pueda irradiar una densidad de$390\frac{W}{m^2}$, no hay necesidad de usar albedo. Dado que la temperatura de la superficie se mide a una distancia por encima de la superficie real, es más correcto calcular por volumen. Otra razón es que estamos dentro del sistema, por lo que las superficies en realidad no son superficies, son volúmenes dentro de un sistema. Estamos sumergidos en un baño de fluido formado por los gases absorbentes. Si se hace así no se pierde ni un solo Watt. La "temperatura del cuerpo negro" será entonces$342\frac{W}{m^2}$o$278.78K$, y que está muy cerca de la superficie. Si el sistema fuera un cuerpo negro, todo el sistema, incluida la masa sólida de tierra, tendría una temperatura de$279K$en la parte superior de la atmósfera.

Entonces, los gases de efecto invernadero interactúan con la radiación calentándose y esparciendo ese calor desde una superficie bidimensional a un volumen tridimensional, moviendo la energía alrededor de la tierra hacia el lado nocturno más rápido de lo que gira la tierra. Dado que el enfriamiento de la tierra ocurre principalmente en el lado oscuro donde el sol no brilla, la atmósfera enfría la superficie de manera más eficiente al moverse más rápido que la rotación de la tierra. Y extendiendo la superficie bidimensional al volumen tridimensional, dividiendo la energía entre más materia a una densidad mucho más baja en los gases.

'juego de suma cero' La termalización distribuye la energía del fotón absorbido tan rápidamente a través de las miles de moléculas circundantes que existe una tasa de calentamiento prácticamente indetectable (aumento en T2) y la energía devuelta a la molécula de GH es pequeña y llevará mucho tiempo para acumular estadísticamente suficiente energía en cualquier molécula de GH dada para volver a emitir un fotón. Dicho de otra manera, la transferencia de energía promedio es muy pequeña; sigma(T2^4-T1^4) es muy pequeño ya que T2 apenas aumenta.