Växthusgaser, varför är de det? Del 4

Alla växthusgaser består av tre eller flera kovalent bundna atomer som kan röra sig sinsemellan i komplicerade mönster och fungerar lite som en flerarmad stämgafflel stämd i ett antal olika ”toner”. En sådan stämgaffel aktiveras av fotoner med rätt frekvenser (proportionellt till dess energi och våglängd^-1) och sänder vidare i en slumpartad riktning. Växthusgasernas molekyler är i sin helhet elektriskt neutrala men när de vibrerar kommer acceleration av de ingående atomernas laddningar att skapa varierande elektriska fält och därmed fotoner.

En IR-foton som stöter på en eller flera lämpliga växthusgas(er) kan studsa hit och dit tusentals gånger eller fler innan den återvänder till eller eventuellt lämnar Jorden för att fortsätta ut i det stora okända där den lämnar sitt bidrag till bakgrundsstrålningen [1]. Med en myriad sådana hinder är det sannolikt att IR-fotonen återvänder till Jorden och ger oss värme.

Jordens medeltemperatur utan vatten och atmosfär skulle vara ungefär densamma som Månens, -18 grader Celsius. Lägger vi till kväve, syre och argon som tillsammans utgör 99.9% av atmosfären skulle det knappt [2] bli någon skillnad. De har inte egenskaper som krävs för att vara en växthusgas.

Jordens nuvarande medeltemperatur är cirka +15 grader Celsius och skillnaden på 33 grader beror på atmosfärens innehåll av ”IR-stämgafflar”. Många av dem reagerar på samma eller tillräckligt lika IR-frekvenser för att samarbeta i detta Pin-Ball-spel medan andra utgör unika hinder. Bilden nedan ger en översikt av inkommande solljus, absorption i atmosfären och utgående IR-strålning (värme).

• De heldragna linjerna representerar teoretiska värden från svartkroppsstrålning (Länk till tidigare artikel). Jo, faktiskt, både Solen och Jorden kan initialt approximeras som svarta kroppar i detta sammanhang.
• Rayleigh-spridningen i nedersta diagrammet märker du med egna ögon, den sprider ljuset, gör himlen vackert blå och ger ljus även i skuggor där direkt solljus inte når.
• Du ser små dippar i högra delen (långvågiga) delen av det synliga området. Det och de djupa dipparna i resten av det röda i diagrammet beror sannolikt på en mix av reflektion och växthuseffekter, fördelningen dem emellan känner jag inte till. Energin i absorberad solstrålning kan inte försvinna, bara reflekteras eller omvandlas/fördelas till lägre nivåer av energi och alla sådana hamnar förr eller senare som energigles värme.
• Andra diagrammet uppifrån visar atmosfärens summerade hinder för elektromagnetisk strålning fördelat på olika frekvensområden.. Dess toppar matchar frekvenserna i övre diagrammet och höjderna representerar graden av hinder. De toppar som når längst upp (100%) utgör blockeringar och är de som i huvudsak står för ”mängden” växthuseffekt.
• De följande 5 smala diagrammen visar olika växthusgasers bidrag till helheten.
• Märk att alla dippar och toppar har lutande sidor. Det beror på att de ”stämgaffeleffekter” jag jämfört med inte är väldefinierade och tvära, något som i radiosammanhang beskrivs med Q-värde [3]. Ökar man koncentrationen av en växthusgas kommer därför dess inverkan att öka beroende på att de initialt små effekterna av deras flanker hamnar högre upp, lite som att en konisk plugg fyller ut ett hål när man driver in den.

[1] Bakgrundsstrålningen kommer från alla håll, inte från någon stjärna eller annan lysande kropp. Är du tillräckligt gammal för att ha sett ”myrornas krig” på en analog TV så kommer någon procent av handlingen från bakgrundsstrålningen.

[2] Jo, en viss skillnad skulle det bli. När UV-C från Solen träffar syrgasen (O₂) på hög höjd kan en liten del omvandlas till ozon (O₃) som har växthuseffekt.

[3] Avstämda kretsar i radioapparater består av kondensatorer och induktorer (spolar) Med dem kan man skapa kretsar som reagerar på en resonansfrekvens som man vill framhäva eller undertrycka. Man kan inte undvika resistansen (likströmsmotståndet) i en sådan krets. Den gör kretsen lite oprecis, det sänker dess urvalsförmåga, Q-värdet.

Nördkunskap 1: En onödigt hög selektionsförmåga begränsar ljudkvaliteten, i de flesta sammanhang ingen fördel. Vid radiokommunikation där ljudkvaliteten är underordnad överföringsförmågan används en teknik som kallas SSB (Single Side Band) där man i princip bara sänder ena halvan av ett redan begränsat frekvenssving och på goda grunder antar att den andra är tillräckligt lika.

Nördkunskap 2: Penzias och Wilson byggde 1964 en avancerad styrbar antenn med en högkänslig mottagare för att studera radiostrålning från rymden. De kunde för liv och pina inte bli kvitt ett irriterande ”brus” som störde dem. Bland annat städade de antennens inre från träck från duvor som gärna häckade därinne. Till slut uppdagades det att det kom från bakgrundsstrålningen som andra redan förutspått skulle finnas.

Antennen i Holmdel för studier av radiostrålning från rymden