Mi történik, ha a CO2 elnyel egy fotont?

Lássuk pontosan, mi történik, ha a CO2 elnyel egy fotont, és mit jelent az energia megmaradása ebben a kontextusban. Röviden: a kibocsátott foton csak akkor ugyanolyan energiájú, ha nem történt közben energiaátadás másik részecskének (pl. ütközés révén).

1. Elnyelés – mi történik ekkor pontosan?

Ha egy CO2 molekula elnyel egy 15 µm-es IR fotont:

Az elektromágneses hullám energiája átalakul a molekula belső rezgési energiájává (kvantált állapotba kerül).

Ez a kvantumátmenet pl. a hajlító módus gerjesztését jelenti.

Energiamegmaradás szerint: E_foton=E_vibráció

Ez egy konzervatív folyamat – nem történik „lökés” klasszikus értelemben, nem kap mozgási energiát egyedül a molekula elnyelés közben.

2. Mozgási energia – mikor lesz belőle hő?

A gerjesztett CO2 molekula nem mozdul el attól, hogy elnyelt egy fotont, de:

Ha ütközik egy másik molekulával, akkor a rezgési energia átadható mozgási (kinetikus) energiára, vagyis:

A belső kvantumenergia átalakul a molekulák hőmozgásává → légköri melegedés.

Ez a folyamat tehát:  E_vibráció → E_kinetikus​

Ekkor nincs fotonkibocsátás → az energia „elhasználódott” a gáz melegítésére.

3. Mikor bocsát ki fotont a CO₂?

Ha nem történik ütközés, akkor a CO2:

Spontán módon visszaeshet az alapállapotba, és kisugároz egy fotont.

Ez a foton pontosan ugyanakkora energiájú lesz, mint az elnyelt volt (ugyanabból az átmenetből indul).

Energia megmaradás itt: E_vibráció → E_foton

Ezért mondjuk, hogy az emisszió „tükrözi” az elnyelést, amennyiben nem történt más kölcsönhatás közben.

Tehát a kibocsátott foton akkor ugyanolyan energiájú, ha nem történt közben energiaátadás más molekulának. Ha történt, akkor nincs is kibocsátás.

Ha nincs ütközés, akkor a CO2 visszasugározza a 15 µm-es fotont, ugyanazzal az energiával, véletlenszerű irányban.

Ha van ütközés, akkor az elnyelt foton teljes energiája mozgási energiává (hővé) alakul, és nincs kibocsátás.

Ez a két útvonal az alapja a légköri üvegházhatásnak: a CO2 egy IR-energia-csapdaként működik, vagy elnyel → melegít, vagy elnyel → visszasugároz, amivel lassítja a Föld hőkisugárzását.

A melegítés (kollíziós energiaátadás) és a visszasugárzás (spontán emisszió) aránya attól függ, hogy milyen sűrű a gáz és mekkora a nyomás és hőmérséklet – vagyis főként attól, hogy milyen gyakoriak az ütközések a légkörben.

A Föld légkörében, kb. 0–50 km magasságig:

Átlagos viszony:

~99%-ban ütközés történik (→ melegítés)

~1%-ban foton bocsátódik ki (→ visszasugárzás)

Miért?

A kollíziós relaxáció (vagyis ütközéssel történő energiaátadás) időskálája:

τ_koll ∼ 10₋₇ s

A spontán emisszió (kisugárzás) időskálája a 15 µm-es sávban:

τ_emisszió ∼  1 s

Tehát a CO2 sok milliószor gyakrabban ütközik, mint hogy egyedül kibocsátana egy fotont. Emiatt az energia szinte mindig hővé alakul, hacsak nem nagyon ritka a levegő.

Magasabb rétegekben (pl. sztratoszféra, mezoszféra):

A légsűrűség csökken → kevesebb ütközés → megnő az esélye a spontán fotonemissziónak.

Itt már 10–50% között is lehet a sugárzási visszaadás aránya, főleg éjszaka, száraz régiókban.

Ezért is fontos a felső légkör a Föld hőháztartásában: ott a CO2 nem csak melegít, hanem aktívan sugároz is az űr felé – ezzel segít hűteni a bolygót a felső rétegeken keresztül.