Lichtschlucker

News: Lichtschlucker

Die Absorption von Sonnenstrahlung durch Wassermoleküle spielt eine große Rolle für das Klima auf der Erde. Bislang ließ sich der Prozess jedoch nicht zufriedenstellend simulieren. Mit neuen Messungen an angeregten Wassermolekülen wollen Forscher nun den bisherigen Computermodellen auf die Sprünge helfen.

Thorsten Krome

Auf den ersten Blick erscheint Wasser transparent. Doch der Schein trügt, denn ein Teil des Lichts, das auf die Wassermoleküle trifft, wird absorbiert. Zerlegt man das Licht mit einem Prisma oder einem optischen Gitter in seine spektralen Anteile, so lässt sich das anhand schwarzer Linien im ansonsten kontinuierlichen Spektrum nachweisen – den Absorptionslinien. Sie tauchen bei Wassermolekülen sowohl im sichtbaren, aber auch im nahen Infrarot und bei ultravioletten Wellenlängen auf. Und das sind genau die Bereiche, in denen die Sonne besonders stark emittiert, weshalb die Absorption bei diesen Wellenlängen durch Wasserdampf in der Atmosphäre so bedeutsam für das Verständnis globaler Klimaprozesse ist.

Leider ist es mit dem Verständnis der Absorption nicht allzu gut bestellt. Zwar hatten sich schon einige Forscher an der Modellierung versucht, doch ihre Ergebnisse waren eher schlecht als recht. Das Problem ist das Dipolmoment der Moleküle des Wasserdampfs. Diese physikalische Größe, welche die Verteilung der Ladung im Wassermolekül beschreibt, ist wichtig, um die Wirkung des eingestrahlten Lichts nachzustellen, lässt sich aber selbst nur schwer mit konventioneller Spektroskopie bestimmen.

Andrea Callegari von der École Polytechnique Fédérale de Lausanne und seine Kollegen entwickelten nun eine Methode, die offenbar bessere Werte für künftige Modellierungen liefert. Dazu regten sie zunächst Wassermoleküle mit Laserpulsen in einen Zustand an, der dem entspricht, wenn die Moleküle in der Atmosphäre Sonnenstrahlung absorbieren. Zusätzlich legten die Forscher ein elektrisches Feld an, das eine Aufspaltung der Energieniveaus im Molekül und damit eine Verschiebung der Absorptionslinien bewirkte – ein quantenmechanisches Phänomen, das als Stark-Effekt bekannt ist. Da der Stark-Effekt direkt mit der Ladungsverteilung im Molekül in Beziehung steht, gibt die Linienverschiebung Aufschluss über das elektrische Dipolmoment.

Allerdings ist die Linienaufspaltung aufgrund des Stark-Effekts nur sehr gering, weshalb sich die Wissenschaftler eines weiteren Tricks bedienen mussten. Denn ähnlich wie bei zwei Tönen mit annähernd gleicher Frequenz eine Schwebung auftritt – also eine zeitlich periodische Schwankung der Lautstärke –, bewirkt auch die Anregung zweier leicht unterschiedlicher Energieniveaus eine Lichtemission mit Intensitätsschwebung. Das erlaubte Callegari und seinen Kollegen schließlich das elektrische Dipolmoment mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Thomas Rizzo, ebenfalls aus Lausanne, ist zufrieden: "Die Methode ist noch recht neu und sorgt für einen überzeugenden Test der berechneten Dipolmomente."

Rizzo, Callegari und ihre Mitstreiter hoffen nun, dass ihre Ergebnisse anderen Wissenschaftlern weiterhilft, exakte Modelle zu entwickeln, wie die Sonnenstrahlung absorbiert wird. Damit ließe sich nicht nur der Energietransport in der Atmosphäre und seine Auswirkungen auf das Klima besser verstehen, auch Astronomen könnten davon profitieren, wenn sie beispielsweise Sonnenflecken oder die Spektren ferner Sterne untersuchen.