Assorbimento infrarosso della CO₂: vibrazioni molecolari ed effetto serra
Perché la CO₂ assorbe la radiazione infrarossa
L'anidride carbonica (CO₂) è una molecola lineare (O=C=O) con specifici modi vibrazionali che interagiscono con i fotoni infrarossi (IR). Questo assorbimento è alla base dell'effetto serra terrestre.
Bande di assorbimento chiave
| Lunghezza d'onda (µm) | Numero d'onda (cm⁻¹) | Modo vibrazionale | Significato |
|---|
| 15 µm (14–16) | 667 | Stretching asimmetrico (ν₃) | Banda serra primaria; forte, ampia |
| 4.25 µm | 2350 | Stretching asimmetrico (ν₃) – banda calda | Usata in sensori gas NDIR |
| 2.7 µm | 3700 | Bande di combinazione | Ruolo atmosferico minore |
Meccanismo molecolare
- L'energia del fotone IR corrisponde all'energia di transizione vibrazionale → fotone assorbito
- La CO₂ si piega/stira → stato vibrazionale eccitato
- Energia riemessa isotropicamente (anche verso la superficie) o trasferita per collisioni (termalizzazione)
- Regole di selezione quantistiche: solo modi che cambiano momento dipolare assorbono IR. Lo stretching simmetrico (ν₁, 1333 cm⁻¹) è IR-inattivo (nessun cambio dipolo).
Fattori ambientali che influenzano l'assorbimento
- Allargamento per pressione: le collisioni allargano le linee → ali di assorbimento più ampie (importante in bassa atmosfera)
- Temperatura: altera popolazione stati vibrazionali (Boltzmann); bande calde appaiono ad alte T
- Concentrazione: legge Beer-Lambert – assorbanza ∝ lunghezza percorso × concentrazione. Attuali ~420 ppm → centri linea saturi, ma ali aumentano ancora forcing
- Sovrapposizione con H₂O: il vapore acqueo assorbe ampiamente; la CO₂ riempie i "vuoti della finestra atmosferica" (specie 15 µm)
Effetto serra e forcing radiativo
- La superficie emette IR a lunga onda (~10 µm picco)
- La CO₂ assorbe nella banda 15 µm → riemette in tutte le direzioni
- La radiazione discendente riscalda superficie/troposfera
- Forcing radiativo (1750–presente): ~2.1 W/m² dalla sola CO₂ (IPCC AR6)
Misurazione e monitoraggio
- Sensori NDIR (Non-Dispersive Infrared): banda 4.25 µm per monitoraggio CO₂ ambientale/industriale
- Spettroscopia FTIR: profilazione atmosferica/lab ad alta risoluzione
- Sondaggi satellitari (AIRS, IASI, OCO-2/3): recupero colonna globale CO₂
Conclusione
L'assorbimento IR della CO₂ nasce da transizioni vibrazionali quantomeccanicamente permesse. La sua posizione spettrale nella finestra atmosferica la rende un potente gas serra nonostante la bassa concentrazione. Il monitoraggio spettroscopico preciso è fondamento della scienza climatica.