Forskare vid Radboud University har lyckats göra det som aldrig tidigare prövats:beskriva exakt hur kolliderande syremolekyler absorberar ljus. Vår atmosfär består av cirka 20 procent syremolekyler, som ständigt kolliderar med varandra och med 80 procent av kvävemolekylerna, och därigenom absorbera ljus. Den nya teorin beskriver mekanismen genom vilken detta sker. Denna upptäckt kommer att göra det möjligt för klimatforskare att mycket mer exakt bestämma koncentrationerna av de molekyler som förorenar atmosfären och bidrar till växthuseffekten.

Med hjälp av satelliter i rymden, vi kan noggrant mäta de viktigaste föroreningarna och växthusgaserna i atmosfären. För att göra det, satelliterna observerar spektrumet av solljus som lyser genom atmosfären. Molekyler av olika atmosfäriska gaser absorberar solljus, och denna absorption sker vid olika våglängder för varje gas. Eftersom "fingeravtrycket" (spektrumet) för var och en av de olika gaserna är känt, forskare vet nu mer om förekomsten och koncentrationen av var och en av dessa gaser.

För att korrigera dessa mätningar för effekterna av moln och förändringar i lufttrycket, absorptionen av syre mäts som en referens, eftersom vi vet exakt hur mycket syre som finns i atmosfären. Forskare vid Radboud University visar nu att "fingeravtrycket" av syre skiljer sig från vad det troddes vara, eftersom det är starkt påverkat av kollisioner med kväve och kollisioner med andra syremolekyler.

Ljusabsorption på grund av kollision

Syre, i form av O2 -molekyler, är, efter kväve (N2), den vanligast förekommande gasen i atmosfären. Stabila molekyler är nästan aldrig magnetiska, men syre är det. När en syre- eller kvävemolekyl kolliderar med en annan partikel, det sker en förskjutning av de elektriska laddningarna i molekylen. En dipol skapas som fungerar som en antenn, gör det möjligt för molekylen att absorbera ljus. Den teori som nu har utvecklats visar att, mot förväntningarna, effekten av kollisioner av syre med andra syremolekyler skiljer sig mycket från effekten av kollisioner med kvävemolekyler. Det har visat sig att orsaken till denna skillnad är att syre är magnetiskt medan kväve inte är det.

Mät absorption

Forskarna undersökte detta först med ett experiment:I en tank med syrgas, de mätte spektrumet av ljusabsorption av syremolekyler vid olika tryck. Om trycket ökar, molekylerna kolliderar oftare med varandra vilket resulterar i mer ljusabsorption, men också formen på absorptionsspektrumet förändras. För att förstå detta, forskarna utvecklade en komplicerad ny teori för absorption av ljus genom att kollidera syremolekyler. Med hjälp av denna teori, satellitmätningarna av atmosfären kan tolkas mer exakt.

Det verkade omöjligt...

Det var inte på något sätt säkert att det skulle bli framgångsrikt att utveckla en bra modell för ljusabsorption genom att kollidera med syremolekyler. Professor i teoretisk kemi Gerrit Groenenboom:"Vissa forskare sa att vi aldrig skulle kunna göra det. Och när vi började, det verkade som om ingen metod alls kunde ge tillförlitliga resultat. I sista hand, med hjälp av en nyutvecklad metod, vi lyckades visa att trots en viss grad av osäkerhet, formen på spektrumet kan förutsägas exakt." Det visades också att denna form kan beskrivas med en analytisk funktion, vilket är praktiskt för framtida tillämpningar.

Samma experiment, annorlunda resultat

Även astronomer har fått hjälp av forskarnas fynd. Forskare som undersöker atmosfären använder HITRAN-databasen från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, som innehåller spektra av en stor samling molekyler. Dock, mätningar av syrespektrumet av två olika forskargrupper gav mycket olika resultat. Det var inte klart vilket av resultaten som var tillräckligt tillförlitligt för att ingå i databasen. Detta problem kunde lösas med hjälp av den teoretiska modellen som utvecklades i Nijmegen:linjeformen från en av de två mätningarna visade sig skilja sig fundamentalt från teorin.

Detta betyder inte att själva experimentet var felaktigt, utan snarare tolkningen av den. Forskaren Tijs Karman:"Astronomer använder också denna databas för att tolka spektra från atmosfären av exoplaneter och, till exempel, för att se om det finns syre, som betraktas som ett tecken på liv."