Forskere opdager, hvordan kolliderende iltmolekyler absorberer lys

Forskere ved Radboud Universitet har formået at gøre, hvad der aldrig var blevet prøvet før:nøjagtigt beskrive, hvordan kolliderende iltmolekyler absorberer lys. Vores atmosfære består af cirka 20 procent iltmolekyler, som konstant kolliderer med hinanden og med de 80 procent nitrogenmolekyler, og derved absorbere lys. Den nye teori beskriver den mekanisme, hvormed dette finder sted. Denne opdagelse vil gøre klimaforskere i stand til langt mere præcist at bestemme koncentrationerne af de molekyler, der forurener atmosfæren og bidrager til drivhuseffekten.

Ved hjælp af satellitter i rummet, vi er i stand til nøjagtigt at måle de vigtigste forurenende stoffer og drivhusgasser i atmosfæren. For at gøre det, satellitterne observerer spektret af sollys, der skinner gennem atmosfæren. Molekyler af forskellige atmosfæriske gasser absorberer sollys, og denne absorption sker ved forskellige bølgelængder for hver gas. Da 'fingeraftrykket' (spektret) for hver af de forskellige gasser er kendt, forskere ved nu mere om tilstedeværelsen og koncentrationen af ​​hver af disse gasser.

For at korrigere disse målinger for virkningerne af skyer og ændringer i lufttrykket, absorptionen af ​​oxygen måles som en reference, fordi vi ved præcis, hvor meget ilt der er til stede i atmosfæren. Forskere ved Radboud University viser nu, at iltens 'fingeraftryk' er anderledes end det, man troede var, fordi den er stærkt påvirket af kollisioner med nitrogen og kollisioner med andre iltmolekyler.

Lysabsorption ved kollision

Ilt, i form af O2-molekyler, er, efter nitrogen (N2), den mest almindeligt forekommende gas i atmosfæren. Stabile molekyler er næsten aldrig magnetiske, men ilt er. Når et ilt- eller nitrogenmolekyle kolliderer med en anden partikel, der er en forskydning af de elektriske ladninger i molekylet. Der skabes en dipol, der fungerer som en antenne, gør det muligt for molekylet at absorbere lys. Den teori, der nu er blevet udviklet, viser, at mod forventning, virkningen af ​​kollisioner af ilt med andre iltmolekyler er meget forskellig fra virkningen af ​​kollisioner med nitrogenmolekyler. Det er vist, at årsagen til denne forskel er, at oxygen er magnetisk, mens nitrogen ikke er det.

Måling af absorption

Forskerne undersøgte dette indledningsvis med et eksperiment:I en tank med iltgas, de målte spektret af lysabsorption af iltmolekyler ved forskellige tryk. Hvis trykket stiger, molekylerne kolliderer hyppigere med hinanden, hvilket resulterer i mere lysabsorption, men også formen på absorptionsspektret ændrer sig. For at forstå dette, forskerne udviklede en kompliceret ny teori for absorption af lys ved at kollidere med iltmolekyler. Ved hjælp af denne teori, satellitmålingerne af atmosfæren kan tolkes mere præcist.

Det virkede umuligt...

Det var på ingen måde sikkert, at det ville lykkes at udvikle en god model for lysabsorption ved at kollidere med iltmolekyler. Professor i teoretisk kemi Gerrit Groenenboom:"Nogle forskere sagde, at vi aldrig ville være i stand til det. Og da vi startede, det virkede som om ingen metode overhovedet kunne give pålidelige resultater. Ultimativt, ved brug af en nyudviklet metode, vi formåede at vise, at på trods af en vis grad af usikkerhed, spektrets form kan forudsiges nøjagtigt." Det blev også vist, at denne form kan beskrives med en analytisk funktion, hvilket er praktisk til fremtidige applikationer.

Samme eksperiment, anderledes resultat

Også astronomer er blevet hjulpet af videnskabsmændenes resultater. Forskere, der undersøger atmosfæren, bruger HITRAN-databasen fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, som indeholder spektrene af en stor samling af molekyler. Imidlertid, to forskellige forskningsgruppers målinger af iltspektret gav meget forskellige resultater. Det var ikke klart, hvilke af resultaterne der var tilstrækkeligt pålidelige til at blive inkluderet i databasen. Dette problem kunne løses ved hjælp af den teoretiske model udviklet i Nijmegen:linjeformen, der er resultatet af en af ​​de to målinger, viste sig at adskille sig fundamentalt fra teorien.

Dette betyder ikke, at selve eksperimentet var forkert, men snarere fortolkningen af ​​det. Forsker Tijs Karman:"Astronomer bruger også denne database til at fortolke spektre fra atmosfæren på eksoplaneter og, for eksempel, for at se om der er ilt til stede, som betragtes som et tegn på liv."