Hvað gerir tiltekið gas að gróðurhúsalofttegund?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvað gerir tiltekið gas að gróðurhúsalofttegund?
Svona spurningu má svara á marga vegu, út frá mismunandi sjónarmiðum. Til dæmis má lýsa því hvernig þessi gös hegða sér eða hvernig áhrif þau hafa á umhverfi sitt, og hvernig þau víxlverka við rafsegulgeislun, bæði hvernig þær taka við mismunandi geislun og hvernig útgeislun frá þeim er. Þetta er gert í svari Ágústs Kvaran við spurningunni Geta mismunandi lofttegundir og vatnsgufa valdið gróðurhúsaáhrifum?

En hitt er líka bæði fróðlegt og skemmtilegt, að skoða innri gerð þessara lofttegunda samkvæmt eðlis- og efnafræði nútímans, og þá kemur svokölluð skammtafræði við sögu. Þessi gös eru gerð úr sameindum (e. molecules) en sum önnur gös eru hins vegar gerð úr frumeindum (e. atoms) sem raðast ekki í sameindir. Í sameindum eru fleiri en einn atómkjarni með rafeindum sem tilheyrðu kannski áður tiltekinni frumeind en raða sér oft upp á nýtt í sameindinni, geta til dæmis farið á braut í henni sem heild í stað þess að sveima um tiltekinn atómkjarna. Hver sameind af tiltekinni tegund getur verið á tilteknum orkustigum (e. energy level) sem byggjast á ástandi (e. state) hennar, eins og það er kallað í skammtafræði.

Þegar sameindir verða fyrir rafsegulgeislun á viðeigandi bili í tíðni eða bylgjulengd, geta þær skipt um ástand og orkustig, ef orka og aðrir eiginleikar geislunarinnar passa við bilið frá upphaflegu orkustigi yfir í annað stig. Það er þetta sem gerist þegar hvítt sólarljós fellur á hlut og hann sendir frá sér ljós með tilteknum lit, það er að segja með tiltekinni tíðni eða tíðnidreifingu. Í hvíta ljósinu eru ljóseindir með mismunandi orku og tíðni og þær geta örvað frumeindir eða sameindir með orkubilum sem samsvara lit hlutarins. Þær fara síðan til baka á fyrra orkustig og senda frá sér ljóseind með sömu tíðni.

Gróðurhúsaáhrif lofthjúpsins byrja með því að hvítt ljós og önnur rafsegulgeislun fellur á yfirborð jarðar frá sólinni. Hluti (22%) af þessari geislun endurkastast frá jörðinni án orkutaps og fer alla leið út í geiminn ef veður er heiðskírt. Þetta ljós er það sem við sjáum á myndum sem teknar eru af jörðinni utan úr geimnum.

En hluti ljóssins hitar jörðina og það sem á henni er, þar á meðal líkama okkar þegar við erum úti í sól. Og hlutur sem er heitari en umhverfið leitast við að losa sig við varmann, meðal annars með varmageislun sem getur borist frá hlutnum þó að ekkert efni sé kringum hann. Dæmi um það finnum við í grennd við mjög heitan hlut, til dæmis varðeld eða kolaofn; okkur hitnar í framan nálægt slíkum hlut þó að við snertum hann ekki.

Jörðin er heitari en umhverfið og geislar því frá sér varma, það er að segja orkunni sem fylgir hitanum. Varmageislunin er í rauninni rafsegulgeislun, náskyld ljósinu en með margfalt lægri tíðni og orku og lengri bylgjulengd. Ef jörðin hefði engan lofthjúp (eins og tunglið til dæmis) þá mundi varmageislunin frá henni fara sína leið alveg „út í buskann“ eða út í geiminn eins og sagt er í vísindum. Yfirborð jarðar yrði þá heilum 33 Celsíus-stigum kaldara en það er núna.

En jörðin hefur sem betur fer lofthjúp og varmageislunin frá henni víxlverkar við efniseindirnar í lofthjúpnum. Þær senda síðan hluta af geislunarorkunni aftur til jarðarinnar og valda hlýnun.

Helstu gastegundir í lofthjúpi jarðar eru þessar:

Efni	Magn
nitur (e. nitrogen, N2)	78%
súrefni (ildi, e. oxygen, O2)	21%
argon (e. argon, Ar)	1%
koltvísýringur (koldíoxíð, e. carbon dioxide, CO2)	0,04%[1]

Efnatáknin í svigum sýna að í hverri sameind niturs og ildis, sem eru samtals um 99% heildarinnar, eru tvö eins atóm, í hverri eind argons er einfaldlega aðeins eitt atóm, en í sameind koltvísýrings er eitt kolefnisatóm (C) og tvö súrefnisatóm (O). Þessu til viðbótar er talsvert af vatnsgufu (H₂O) í lofthjúpnum, en magn hennar er mjög breytilegt eftir stað og tíma.

Það er gerð sameindanna sem ræður því hvort tiltekið gas er gróðurhúsa­lofttegund eða ekki. Þó að sameind sé því sem næst kyrrstæð getur hún búið yfir mismunandi innri orku, verið á mismunandi orkustigum, til dæmis vegna hreyfingar eða stöðu rafeindanna, en stærðarþrep orkumunarins er þá svipað og í orku ljóseinda í sýnilegu ljós. Í öðru lagi getur sameindin snúist um tvo mismunandi ása (mynd 2a) og í þriðja lagi geta atómin í sameindinni titrað svipað og lóð sem eru tengd saman með gormi (mynd 2b).

Bilin í titringsorku sameinda eru oft í svipuðu stærðarþrepi og orkan í varmageislun, þannig að ekkert er að því leyti til fyrirstöðu að sameindir geti tekið til sín varmageislun. Og það gera einmitt sameindir eins og koltvísýringur, vatnsgufa og metan (CO₂, H₂O og CH₄) sem eru eru meðal helstu gróðurhúsa­lofttegunda í lofthjúpi jarðar.

En hvernig skyldi þá standa á því að algengustu gastegundir lofthjúpsins, nitur og súrefni (N₂ og O₂), eru ekki gróðurhúsagös? Svarið við því felst í eins konar „matvendni“ rafsegulbylgnanna; þær víxlverka ekki við hvaða sameind sem er, þó að í henni séu hlaðnar eindir, bæði rafeindir og atómkjarnar. Sveiflur rafsegulsviðsins í bylgjunum vekja ekki upp neinar innri sveiflur í þessum einföldu sameindum vegna þess að þær eru ekki skautaðar; eðlisfræðingar segja að þær hafi ekkert tvípólvægi, hleðsludreifingin í þeim er samhverf. Þetta á hins vegar ekki við um tvíatóma sameindir eins og saltsýru (HCl) eða kolsýrings (CO) þar sem atómin tvö eru ekki eins; þær geta tekið til sín rafsegulgeislun á tíðnibili titringsorkustiga, þar á meðal varmageislun.

Við getum séð af þessu að það mundi breyta ansi miklu ef nitur og súrefni væru gróðurhúsagös og gætu tekið til sín varmageislun frá jörðinni. Þá yrði enn miklu heitara á jörðinni en nú er, og líklega ólíft!

Þegar nemendur í menntaskóla eða háskóla byrja að læra skammtafræði finnst þeim hún oft framandi og fjarri veruleikanum, og halda kannski að hún sé gagnslaus. En þetta er fjarri sanni því að skammtafræði kemur mjög víða við sögu í vísindum og tækni nútímans og það er býsna margt í kringum okkur sem við getum ekki skilið til hlítar nema með hjálp skammtafræðinnar. Þar á meðal eru sem sagt gróðurhúsaáhrifin!

Höfundur þakkar Ara Ólafssyni og Halldóri Björnssyni yfirlestur og athugasemdir.

Tilvísun:

1. ^ Fyrri tölurnar eru námundaðar svo að summan fer ekki upp fyrir 100 % í raun.

Myndir:

• Greenhouse effect - Wikipedia. (Sótt 6.2.2020).
• Entropy Changes and the Third Law of Thermodynamics. (Sótt 12.5.2020).

...