Broeikasgassen

Svante Arrhenius (1859-1927) was de eerste die voorspelde dat een planeet, de aarde, op kan warmen door de aanwezigheid van broeikasgassen in een planetaire atmosfeer. Hij ontwikkelde de formule:

ΔF = α · ln(c/c₀)

met:
F = energieflux
c = concentratie broeikasgas
c₀ = beginconcentratie broeikasgas
α = een te berekenen constante

Arrhenius stelde dus al vast dat er een logaritmisch verband is tussen de concentratie van een broeikasgas en de werking ervan. Inderdaad stelt de wet van Lambert-Beer dat voor de transmissie van licht door een medium geldt:

T = I/I₀ = 10^αl

Daarin is I de intensiteit van het licht, α de absorptiecoëfficient van het medium en l de lengte van de door het licht afgelegde weg door het medium. Voor bijvoorbeeld oplossingen van kleurstoffen in (helder) water of gassen in de atmosfeer kan α worden uitgedrukt in het product van een molaire absorptiecoëfficient ε en de concentratie van de kleurstof respectievelijk het gas.

Stel bijvoorbeeld dat slappe 'Earl Grey'-thee een absorptiecoëfficient van 0,2 per glas heeft. Als er dan door een glas thee gekeken wordt, is 80% van het van onder ingestraalde licht te zien. Worden twee glazen op elkaar gestapeld dan is 0,8² = 0,64 van dat licht te zien en met vier glazen nog maar 0,8⁴ = 0,4. Als er maar genoeg glazen op elkaar gestapeld worden (of sterkere thee wordt gezet), dan is op een gegeven moment het van onder ingestraalde licht niet meer te zien. Dit is de reden dat het zelfs in helder zeewater op dieptes van ca. 100 m of meer aardedonker is.

Absorptie van licht door vaste oppervlakken, vloeistoffen en gassen verschilt enigzins. Zoals bij reflectie van zonlicht aangegeven, absorberen oppervlakken beter zonlicht naarmate ze donkerder zijn (kleinere albedo). Door de absorptie van zonnestraling kunnen stenen muren, zonnecollectoren etc. in de loop van de dag flink in temperatuur stijgen. In vloeistoffen en gassen wordt licht weliswaar geabsorbeerd, maar ook direct weer uitgezonden. Echter, waar (zon)licht uit één richting afkomstig is, wordt geabsorbeerd licht in willekeurige richting uitgezonden. Dat verklaart het exponentiële verloop van de absorptie. In diepe zeeën en oceanen wordt zonnestraling uiteindelijk zo geabsorbeerd en omgezet in warmte. In de atmosfeer wordt warmtestraling van de aarde ingevangen en voor een deel teruggekaatst naar de aarde, en voor een klein deel omgezet in temperatuurverhoging van de atmosfeer.

De mate van absorptie voor licht of straling met een bepaalde golflengte wordt bepaald door de structuur van een gas. Elke stof heeft een specifiek absorptiespectrum: als deze in een referentiegas met bepaalde concentratie wordt gebracht, zal altijd voor elke frequentie van straling dezelfde mate van absorptie optreden. Van elk gas, dus ook van de gassen aanwezig in de aardse atmosfeer, kan dus (met een infrarood-spectrometer) in een laboratorium worden vastgesteld in welke mate ze straling absorbeert. Als dit wordt gedaan als functie van de golflengte dan wordt het absorptiespectrum verkregen.

Zo is bekend dat waterdamp (H₂O), kooldioxide (CO₂), distikstofoxide (N₂O) en methaan (CH₄) in sterke mate infraroodstraling absorberen. Deze gassen zijn altijd aanwezig in de atmosfeer, in min of meer constante concentraties. Door de absorptiespectra op te tellen, en rekening te houden met hun concentraties in de atmosfeer en de dikte, wordt het absorptiespectrum van de aardse atmosfeer verkregen. Dit is het spectrum zoals dat te zien is vanuit de ruimte.