CO2 telítődés

Ha egy CO₂ molekulát egy napig megfigyelnénk, miközben sok fotonnal kölcsönhat (vagy inkább sokszor „lehetősége lenne” elnyelni), akkor az időbeli viselkedésének statisztikai mintázata valóban a Voigt-profilt (vagy ahhoz közeli profilt) követné.

De pontosan mit jelent ez?

A Voigt-görbe egy matematikai profil, amely:

1. Lorentz-görbe (nyomásos szélesedés) és
2. Gauss-görbe (Doppler-szélesedés) konvolúciója (összekeverése).

Ez a valóságos elnyelési sávokat írja le jól.

Egy molekula szintjén:

Ha egyetlen CO₂ molekula viselkedését néznénk:

1. Mozgása miatt (Doppler-effektus):

1. A molekula rezeg és szabadon mozog → minden pillanatban más frekvencián látja az érkező fotonokat.
2. Ez a sebesség-eloszlás (Maxwell–Boltzmann) miatt Gauss-szerű elnyelési eloszlást adna.

2. Ütközései miatt (nyomásos szélesedés):

1. A molekula ütközik más molekulákkal (pl. N₂, O₂), ami megváltoztatja a kvantumállapotainak élettartamát.
2. Ez okozza a kvantummechanikai elmosódást, azaz a Lorentz-profilú szélesedést.

Egy adott pillanatban ez nem látható, de statisztikusan, sok kölcsönhatás után, a Voigt-profil jön ki mint elnyelési statisztika.

És ha tényleg figyelnénk "egy" molekulát?

Valójában:

1. Egy molekula vagy elnyel egy adott fotont, vagy nem — ez kvantált és véletlenszerű.
2. De ha sok-sok foton „próbálkozását” néznénk az adott molekulával, sokféle frekvencián,
3. És rögzítenénk, hogy milyen frekvenciájú fotont nyel el, és milyen gyakorisággal,
4. Akkor egy ilyen valószínűségi eloszlást kapnánk.

Ez az eloszlás Voigt-profilhoz közelítene, mert:

1. A molekula mozgása → Doppler-hatás → Gauss-eloszlás,
2. Az állapotélettartamok és ütközések → Lorentz-szélesedés.

Itt van a CO₂ molekula elméleti elnyelési profilja a 15 µm-es fő sáv körül, Voigt-görbével modellezve:

Mit látsz?

1. A csúcsnál (~15 µm) van a legerősebb elnyelés.
2. A görbe szimmetrikusan terül el a két oldalra:
1. A középen lévő éles rész a Doppler-hatás (hőmozgás) miatt jön létre.
2. A kiszélesedett szárnyak a nyomásos ütközések (Lorentz-szélesedés) miatt jelennek meg.
3. A kettő összhatása a Voigt-profil.

Értelmezés:

Ha egy CO₂ molekulát sok fotonnal "bombáznánk" különböző hullámhosszokon:

1. A 15 µm környéki fotonokat nagy valószínűséggel elnyelné.
2. A 14.7 vagy 15.3 µm-es fotonokat már csak ritkábban.
3. A 14 vagy 16 µm-es fotonokra gyakorlatilag vak lenne (0 elnyelés).

Ez lenne az az eloszlás, amit „egy molekula hosszú távú viselkedéséből” kiátlagolnánk.

Nézzük pontosan, mit jelent a telítődés, és miért nem jelenti azt automatikusan, hogy minden elnyelési frekvencián maximális az elnyelés mindenhol a légkörben.

1. Mit jelent a telítődés?

A „telítődés” azt jelenti, hogy adott hullámhosszon, adott rétegben az adott gáz már gyakorlatilag az összes fotont elnyeli – tehát nincs további jelentős mértékű elnyelés még több molekula hozzáadásával.

A kulcsszó itt: adott rétegben.

2. Egy CO₂ molekula profilja ≠ Telítődés mindenhol

Ha egy CO₂ molekula statistikusan a Voigt-profil szerint nyel el,

1. az még nem jelenti azt, hogy a teljes légkör minden rétege minden frekvencián telített.
2. A légkör különböző nyomású és hőmérsékletű rétegekből áll – mindegyik más-más „szélességű” és intenzitású profilt ad a spektrumba.

Az elnyelési profil, amit egy molekula mutat, az egy valószínűségi eloszlás arra, hogy milyen fotont tudna elnyelni – de az, hogy a teljes légkör mennyit nyel el az adott hullámhosszon, az attól függ, hogy mennyi CO₂ van ott, mekkora a nyomás, milyen vastag a réteg, stb.

3. Miért nem telített "minden sávon"?

A 15 µm központi része valóban telített már kb. 200–300 ppm-nél a felszíni rétegekben. Ott a CO₂ olyan sűrű és a nyomás is nagy, hogy az adott foton nem jut ki, csak többszörös elnyelés/újrakibocsátás (reemisszió) után.

De:

1. A szárnyak (14,8 µm vagy 15,2 µm) kevésbé telítettek, mert ott kisebb az elnyelés valószínűsége.
2. A felsőbb rétegekben (ahol ritkább a levegő) a telítődés még nem állt be, és itt több CO₂ = több elnyelés.
3. A kifelé tartó sugárzás spektruma ezeket az összeadódó hatásokat mutatja.

Éppen ez az üvegházhatás "logaritmikus" természetének egyik kulcsa. Nézzük meg részletesen, hogy mi történik:

A 15 μm-es sáv telítődése – rétegenként másképp

Alsó légkör (felszín közelében):

1. A CO₂ itt nagyon sűrű (több molekula térfogategységenként).
2. A nyomás is nagy → a Voigt-profil széles, erős Lorentz-szárnyakkal.
3. A 15 μm-es főcsúcson a fotonok gyakorlatilag nem tudnak átmenni → minden elnyelődik, majd újrakibocsátódik (reemittálódik) → de a kibocsátás is innen csak felfelé megy, és újra elnyelődik.

Ez a tartomány "telített" – több CO₂ nem sokat változtat itt.

Felsőbb rétegek (magasabb légkör):

1. Itt kevesebb CO₂ van (pl. 10× kevesebb), a nyomás is kisebb.
2. A sáv már nem telített: van még lehetőség elnyelni a 15 μm-es sáv SZÉLEIN kiszökő fotonokat.
3. A Voigt-profil itt keskenyebb, inkább Doppler-dominált, tehát csak keskenyebb tartományban tud dolgozni.
4. A 15,0 μm-es csúcsra jutó fotonok nagy részét már korábban elnyelték, így csak a szárnyakban lévők maradnak.

A felső rétegek az "oldalsávokban" dolgoznak – egyre kisebb hatással.

Ezért csökken az üvegházhatás hatékonysága több CO₂-nél

1. A teljes radiatív forcing (a CO₂ miatti többlet hővisszatartás) nem lineáris, hanem logaritmikus.
2. A legtöbb hővisszatartás már 100–300 ppm között megtörténik a középső sávban.
3. További CO₂ főleg a szárnyakban és magasabb rétegekben okoz kis extra elnyelést.
4. Ezért is van, hogy pl. a CO₂ radiatív forcing képlete közel így néz ki:

1. CC: új CO₂-koncentráció
2. C0C_0: eredeti koncentráció (pl. 280 ppm)

Összefoglalás

Ahogy növekszik a CO₂, az alsóbb rétegek telített sávjai miatt már csak a felsőbb, ritkább rétegek tudnak oldalsávokon elnyelni → ezek egyre kevésbé hatékonyak → ez adja az aszimptotikusan telítődő (de nem teljesen véget érő!) viselkedést.