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Treibhauseffekt
Anmeldungsdatum: 09.02.2020
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Wohnort: Bayern
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 Treibhauseffekt Verfasst am: 09. Feb 2020 23:38 Titel: Wie funktioniert IR-Absorption |
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Guten (stürmischen) Abend zusammen,
Vorweg: Ich bin weder Physiker, noch Chemiker, aber ich interessiere mich sehr für Wetter und Klima. Derzeit arbeite ich mich etwas in das Thema Klimaerwärmung ein. Man findet dazu ja sehr viel und sehr verständliche Literatur.
Nur ein Punkt wird meines Erachtens sehr stiefmütterlich erfasst: Wie funktioniert die Absorption von Infrarotstrahlung durch Moleküle überhaupt? Warum ist also Kohlendioxid überhaupt ein Treibhausgas und warum Sauerstoff nicht? Was passiert da physikochemisch?
Ich betone an dieser Stelle nochmal, dass ich wirkliche Laie bin auf dem Gebiet. Ich würde mich aber wirklich sehr freuen, wenn es einer von euch schafft, mir den Sachverhalt recht einfach zu erklären, so dass ihn auch ich einigermaßen verstehe. Zumindest in den Grundzügen.
Ich bin natürlich bisher nicht untätig gewesen und hab ein bisschen recherchiert. Gibt ja auch Google. Nur sind da die Informationen entweder sehr oberflächlich oder dann eben so sehr im Detail mit Formeln und pipapo, dass ich das als Laie nicht mehr nachvollziehen kann.
Trotzdem: Was kann ich bisher zu dem Thema sagen:
=> Moleküle sind ein Verbund von Atomen. Sie sind nicht starr, sondern bewegen sich permanent: Sie schwingen und rotieren also. Jedes Molekül tut das in seinem eigenen Frequenzbereich. Es gibt dabei verschiedene Arten von Schwingung: Bei Valenzschwingungen werden die Moleküle entlang ihrer Bindungsachse gestreckt und gestaucht. Bei der Deformationsschwingung ändern sich der Biegewinkel der Atome – man nennt das daher auch Biegeschwingung.
=> Infrarotstrahlung ist die elektromagnetische Wärmestrahlung. Es handelt sich also um Lichtteilchen Photonen mit einer bestimmten Energie, je nach Spektrum. Korreliert nun die Frequenz der IR-Strahlung mit der Rotations- bzw. Schwingungsfrequenz des Moleküls, dann kann dieses Molekül das Photon bzw. die Energie aufnehmen und den Schwingungszustand somit ändern.
=> Das geht nur bei Molekülen mit mehr als 2 Atomen, was am Dipolmoment liegt, das dafür notwendig ist. Ein Dipolmoment ist die räumliche Ladungstrennung, also der Schwerpunkt der positiven Ladungen und der der negativen Ladungen fallen nicht zusammen. Bei zweiatomigen Molekülen ist das oft der Fall, sie sind unpolar, also die Ladungsverteilung ist homogen. Es braucht auch kein statisches Dipolmoment für die IR-Absorption, es kann auch ein dynamisches Dipolmoment sein.
wobei ist das nicht ganz verstanden habe: Nimmt es erst die IR-Strahlung auf und wird es DADURCH dynamisch dipolar; denn ich hab das so verstanden, dass nur dipolare Moleküle überhaupt IR-Strahlung aufnehmen können – das beißt sich ja etwas...
=> Diese Schwingungsänderungen durch die Absorption von IR-Strahlung sorgt für eine Energiedifferenz und diese Differenz kann als Photon wieder abgegeben werden. Spricht, es wird Wärme zurück auf den Erdboden (aber auch in andere Richtungen) abgestrahlt.
Auch das hab ich nicht so genau verstanden: Die Moleküle werden DURCH die IR-Strahlung in einen anderen Schwingungs- und Rotationszustand gebracht; damit ist die Energie doch schon absorbiert oder? Anderswo lese ich, dass durch diese Änderung des Zustands überhaupt erst in der Größe der Differenz Photonen aufgenommen werden können. Aber was verursacht dann diese Änderung?
Völlig unklar ist mir noch, was der Streuquerschnitt der Moleküle dabei für eine Rolle spielt.
War das in etwa so richtig?
Was ist falsch? was sollte ergänzt werden?
Ich danke euch schon mal für eure Hilfe![/i]
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Nils Hoppenstedt
Anmeldungsdatum: 08.01.2020
Beiträge: 2019
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| Nils Hoppenstedt Verfasst am: 10. Feb 2020 11:21 Titel: Re: Wie funktioniert IR-Absorption |
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| Treibhauseffekt hat Folgendes geschrieben: | Guten (stürmischen) Abend zusammen,
Nur ein Punkt wird meines Erachtens sehr stiefmütterlich erfasst: Wie funktioniert die Absorption von Infrarotstrahlung durch Moleküle überhaupt? Warum ist also Kohlendioxid überhaupt ein Treibhausgas und warum Sauerstoff nicht? Was passiert da physikochemisch?
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Im allgemeinen besitzt ein N-atomiges Molekül 3N Bewegungsfreiheitsgrade. Dabei fallen 3 auf die Translation, 2 auf die Rotation, falls die Atome linear angeordnet sind bzw. 3 auf die Rotation falls die Atome nicht linear angeordnet sind. Der Rest ergibt die Schwingungsfreiheitsgrade. CO2 ist linear also gibt es
3*3 - 3 - 2 = 4
Schwingungsfreiheitsgrade (= Schwingungstypen). Das sind zum einem die symmetrische und unsymmetrische Streckschwingung sowie die 2-fach entartete Biegeschwingung. Infrarotabsorption ist nur möglich, wenn sich das Dipolmoment des Moleküls ändert. Die symmetrische Streckschwingung hat jedoch in jeder Anregung das Dipolmoment Null, sie kann also nicht durch Absorption angeregt werden (man sagt sie ist IR-inaktiv). Es verbleiben also die asymmetrische Streckschwinung bei 4.3 µm, sowie die Biegeschwingung bei 15.3 µm. Die letzte spielt für den Treibhauseffekt die wesentliche Rolle!
| Zitat: |
wobei ist das nicht ganz verstanden habe: Nimmt es erst die IR-Strahlung auf und wird es DADURCH dynamisch dipolar; denn ich hab das so verstanden, dass nur dipolare Moleküle überhaupt IR-Strahlung aufnehmen können – das beißt sich ja etwas...
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Wie gesagt, das Dipolmoment muss sich durch die Absorption ÄNDERN. Das heißt auch ein unpolares Molekül kann ein Photon absorbieren, wenn es danach durch die Anregung der Schwingung ein dynamisches Dipolmoment besitzt.
| Zitat: |
[i]Auch das hab ich nicht so genau verstanden: Die Moleküle werden DURCH die IR-Strahlung in einen anderen Schwingungs- und Rotationszustand gebracht; damit ist die Energie doch schon absorbiert oder?
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ja.
| Zitat: |
Anderswo lese ich, dass durch diese Änderung des Zustands überhaupt erst in der Größe der Differenz Photonen aufgenommen werden können. Aber was verursacht dann diese Änderung?
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Das habe ich leider nicht verstanden. Allerdings kann sich der Zustand eines Moleküls auch durch den Zusammenstoß mit anderen Molekülen ändern (Stoßanregung). Vielleicht war das damit gemeint...?
| Zitat: |
Völlig unklar ist mir noch, was der Streuquerschnitt der Moleküle dabei für eine Rolle spielt.
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Der Streu- oder besser gesagt Wirkungsquerschnitt ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass der jeweilige Prozess eintritt.
Viele Grüße
Nils
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Treibhauseffekt
Anmeldungsdatum: 09.02.2020
Beiträge: 3
Wohnort: Bayern
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| Treibhauseffekt Verfasst am: 10. Feb 2020 16:21 Titel: |
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Erstmal herzlichen Dank für die Informationen. Ich würd gern nochmal auf einzelne Punkte eingehen.
| Nils Hoppenstedt hat Folgendes geschrieben: |
Im allgemeinen besitzt ein N-atomiges Molekül 3N Bewegungsfreiheitsgrade. Dabei fallen 3 auf die Translation, 2 auf die Rotation, falls die Atome linear angeordnet sind bzw. 3 auf die Rotation falls die Atome nicht linear angeordnet sind. Der Rest ergibt die Schwingungsfreiheitsgrade. CO2 ist linear also gibt es
3*3 - 3 - 2 = 4
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Das habe ich ehrlich gesagt nicht ganz verstanden.
1. Bewegungsfreiheitsgrade nehmen also zu, je mehr Atome ein Molekül hat? Eigentlich dachte ich, dass je mehr Atome, desto weniger flexibel, beweglich ist ein Molekül, weil ja weniger Platz ist so zu sagen. Oder ist das falsch?
2. Was kann ich mir denn unter Translation vorstellen?
3. Bei Methan wäre es demnach ja:
3*5 - 3 -3 = 9
Ist das richtig?
=> Methan wirkt also deshalb stärker als Treibhausgas, weil es 9 Schwingungsfreiheitsgrade hat und nicht nur 4 wie CO2. Richtig?
| Nils Hoppenstedt hat Folgendes geschrieben: |
Wie gesagt, das Dipolmoment muss sich durch die Absorption ÄNDERN. Das heißt auch ein unpolares Molekül kann ein Photon absorbieren, wenn es danach durch die Anregung der Schwingung ein dynamisches Dipolmoment besitzt. |
wieso ist das Dipolmoment eigentlich wichtig bei der Absorption? [/quote]
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Nils Hoppenstedt
Anmeldungsdatum: 08.01.2020
Beiträge: 2019
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| Nils Hoppenstedt Verfasst am: 10. Feb 2020 16:55 Titel: |
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| Treibhauseffekt hat Folgendes geschrieben: |
Das habe ich ehrlich gesagt nicht ganz verstanden.
1. Bewegungsfreiheitsgrade nehmen also zu, je mehr Atome ein Molekül hat? Eigentlich dachte ich, dass je mehr Atome, desto weniger flexibel, beweglich ist ein Molekül, weil ja weniger Platz ist so zu sagen. Oder ist das falsch?
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Nein, je mehr Atome es gibt, desto mehr Möglichkeiten gibt es wie die Atome gegen einander schwingen können.
| Zitat: |
2. Was kann ich mir denn unter Translation vorstellen?
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Da sind einfach die 3 Bewegungsmöglichkeiten, wenn sich das Molekül als ganzes bewegt. Also hoch/runter, links/rechts und vorwärts/rückwärts.
| Zitat: |
3. Bei Methan wäre es demnach ja:
3*5 - 3 -3 = 9
Ist das richtig?
=> Methan wirkt also deshalb stärker als Treibhausgas, weil es 9 Schwingungsfreiheitsgrade hat und nicht nur 4 wie CO2. Richtig?
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Also ich bin jetzt selbst kein Spektroskopiker, aber ja, ich denke, das ist genau der Grund.
| Zitat: |
wieso ist das Dipolmoment eigentlich wichtig bei der Absorption? |
Weil die betrachteten Übergänge im Molekül sogenannte Dipolübergänge sind. Diese besitzen in der Regel die stärkste Wechselwirkung mit elektromagnetischen Wellen.
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Treibhauseffekt
Anmeldungsdatum: 09.02.2020
Beiträge: 3
Wohnort: Bayern
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| Treibhauseffekt Verfasst am: 10. Feb 2020 21:14 Titel: |
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Vielen Dank. Ein schwieriges Thema wie ich finde. Echt schade, dass man dazu keine vereinfachte, populärwissenschaftliche Abhandlung auf 2-3 Seiten findet.
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