Warum CO₂ Infrarotstrahlung absorbiert
Kohlenstoffdioxid (CO₂) ist ein lineares Molekül (O=C=O) mit spezifischen Schwingungsmodi, die mit Infrarot-Photonen (IR) interagieren. Diese Absorption begründet den Treibhauseffekt der Erde.
Wichtige Absorptionsbänder
| Wellenlänge (µm) | Wellenzahl (cm⁻¹) | Schwingungsmodus | Bedeutung |
|---|
| 15 µm (14–16) | 667 | Asymmetrische Streckung (ν₃) | Primäres Treibhausband; stark, breit |
| 4,25 µm | 2350 | Asymmetrische Streckung (ν₃) – Hotband | Wird in NDIR-Gassensoren verwendet |
| 2,7 µm | 3700 | Kombinationsbänder | Geringe atmosphärische Rolle |
Molekularer Mechanismus
- IR-Photonenergie entspricht Schwingungsübergangsenergie → Photon absorbiert
- CO₂ biegt/streckt sich → aufgeregter Schwingungszustand
- Energie wird isotrop wieder abgestrahlt (einschließlich zurück zur Oberfläche) oder über Kollisionen übertragen (Thermalisierung)
- Quantselektionregeln: Nur Modi, die das Dipolmoment verändern, absorbieren IR. Symmetrische Streckung (ν₁, 1333 cm⁻¹) ist IR-inaktiv (keine Dipoländerung).
Umweltfaktoren, die die Absorption beeinflussen
- Druckverbreiterung: Kollisionen erweitern Linien → breitere Absorptionsflügel (wichtig in der unteren Atmosphäre)
- Temperatur: Ändert die Population der Schwingungszustände (Boltzmann); Hotbands erscheinen bei höherer T
- Konzentration: Beer-Lambert-Gesetz – Absorption ∝ Weglänge × Konzentration. Aktuell ~420 ppm → gesättigte Linienzentren, aber Flügel erhöhen weiterhin die Strahlungszwangskraft
- Überlappung mit H₂O: Wasserdampf absorbiert breit; CO₂ füllt „atmosphäres Fenster“-Lücken (besonders 15 µm)
Treibhauseffekt & Strahlungszwangskraft
Messung & Überwachung
- NDIR (Non-Dispersive Infrared) Sensoren: 4,25-µm-Band für Umgebungs-/Industrie-CO₂-Monitoring
- FTIR-Spektroskopie: Hochauflösende Labor-/Atmosphärenprofilierung
- Satelliten-Sounder (AIRS, IASI, OCO-2/3): Globale Spalten-CO₂-Retrieval
Fazit
Die IR-Absorption von CO₂ beruht auf quantenmechanisch erlaubten Schwingungsübergängen. Seine spektrale Position im atmosphärischen Fenster macht es trotz geringer Konzentration zu einem starken Treibhausgas. Präzise spektroskopische Überwachung ist grundlegend für die Klimawissenschaft.
