Wetenschappers van de Radboud Universiteit zijn erin geslaagd te doen wat nog nooit eerder was geprobeerd:nauwkeurig beschrijven hoe botsende zuurstofmoleculen licht absorberen. Onze atmosfeer bestaat voor ongeveer 20 procent uit zuurstofmoleculen, die constant met elkaar en met de 80 procent stikstofmoleculen in botsing komen, en daarbij licht absorberen. De nieuwe theorie beschrijft het mechanisme waardoor dit gebeurt. Met deze ontdekking kunnen klimaatonderzoekers veel nauwkeuriger de concentraties bepalen van de moleculen die de atmosfeer vervuilen en bijdragen aan het broeikaseffect.

Met behulp van satellieten in de ruimte, we zijn in staat om de belangrijkste verontreinigende stoffen en broeikasgassen in de atmosfeer nauwkeurig te meten. Om dat te kunnen doen, de satellieten observeren het spectrum van zonlicht dat door de atmosfeer schijnt. Moleculen van verschillende atmosferische gassen absorberen zonlicht, en deze absorptie vindt plaats bij verschillende golflengten voor elk gas. Aangezien de 'vingerafdruk' (het spectrum) van elk van de verschillende gassen bekend is, wetenschappers weten nu meer over de aanwezigheid en concentratie van elk van deze gassen.

Om deze metingen te corrigeren voor de effecten van wolken en veranderingen in luchtdruk, de absorptie door zuurstof wordt gemeten als referentie, omdat we precies weten hoeveel zuurstof er in de atmosfeer aanwezig is. Wetenschappers van de Radboud Universiteit laten nu zien dat de 'vingerafdruk' van zuurstof anders is dan gedacht, omdat het sterk wordt beïnvloed door botsingen met stikstof en botsingen met andere zuurstofmoleculen.

Lichtabsorptie door botsing

Zuurstof, in de vorm van O2-moleculen, is, na stikstof (N2), het meest voorkomende gas in de atmosfeer. Stabiele moleculen zijn bijna nooit magnetisch, maar zuurstof wel. Wanneer een zuurstof- of stikstofmolecuul botst met een ander deeltje, er is een verschuiving van de elektrische ladingen in het molecuul. Er ontstaat een dipool die als antenne werkt, waardoor het molecuul licht kan absorberen. De nu ontwikkelde theorie laat zien dat, tegen de verwachting in, het effect van botsingen van zuurstof met andere zuurstofmoleculen is heel anders dan het effect van botsingen met stikstofmoleculen. Het is aangetoond dat de reden voor dit verschil is dat zuurstof magnetisch is, terwijl stikstof dat niet is.

Absorptie meten

De wetenschappers onderzochten dit in eerste instantie met een experiment:in een tank met zuurstofgas, ze maten het spectrum van lichtabsorptie door zuurstofmoleculen bij verschillende drukken. Als de druk toeneemt, de moleculen botsen vaker met elkaar waardoor er meer licht wordt geabsorbeerd, maar ook de vorm van het absorptiespectrum verandert. Om dit te begrijpen, de wetenschappers ontwikkelden een gecompliceerde nieuwe theorie voor de absorptie van licht door botsende zuurstofmoleculen. Met behulp van deze theorie, de satellietmetingen van de atmosfeer kunnen nauwkeuriger worden geïnterpreteerd.

Het leek onmogelijk…

Het was lang niet zeker dat het zou lukken om een ​​goed model te ontwikkelen voor lichtabsorptie door botsende zuurstofmoleculen. Hoogleraar Theoretische Chemie Gerrit Groenenboom:“Sommige wetenschappers zeiden dat we het nooit zouden kunnen. En toen we begonnen, het leek alsof geen enkele methode betrouwbare resultaten kon opleveren. uiteindelijk, met behulp van een nieuw ontwikkelde methode, dat hebben we laten zien, ondanks een zekere mate van onzekerheid, de vorm van het spectrum kan nauwkeurig worden voorspeld." Ook werd aangetoond dat deze vorm kan worden beschreven met een analytische functie, wat handig is voor toekomstige toepassingen.

Zelfde experiment, ander resultaat

Ook astronomen zijn geholpen door de bevindingen van de wetenschappers. Wetenschappers die de atmosfeer onderzoeken, gebruiken de HITRAN-database van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, die de spectra van een grote verzameling moleculen bevat. Echter, metingen van het zuurstofspectrum door twee verschillende onderzoeksgroepen leverden zeer verschillende resultaten op. Het was niet duidelijk welke van de resultaten voldoende betrouwbaar was om in de database te worden opgenomen. Dit probleem kon worden opgelost met behulp van het in Nijmegen ontwikkelde theoretische model:de lijnvorm die uit een van de twee metingen resulteert, bleek fundamenteel af te wijken van de theorie.

Dit betekent niet dat het experiment zelf onjuist was, maar eerder de interpretatie ervan. Onderzoeker Tijs Karman:"Astronomen gebruiken deze database ook om spectra uit de atmosfeer van exoplaneten te interpreteren en, bijvoorbeeld, om te zien of er zuurstof aanwezig is, die wordt beschouwd als een teken van leven."