Коротко и по существу.
Основной принцип: молекула поглощает инфракрасное (ИК) излучение, если при её колебаниях меняется электрический диполь — то есть выполняется правило вида $\Delta \mu \ne 0$. От этого зависят спектры и вклад в парниковый эффект.
1) N2 и O2
- Это гомоядерные диатомы, у которых при фундаментальных колебаниях диполь не меняется, поэтому вибрационные ИК-переходы запрещены ($\Delta \mu =0$).
- Они практически не поглощают ИК в тонких спектральных линиях; остаются лишь очень слабые эффекты: коллизионно-индуцированное поглощение (CIA), квадрупольные или магнитные дипольные переходы — очень слабые. CIA масштабируется с плотностью паров примерно как $\propto n^2$, но всё равно малозначимо при земных концентрациях.
- Вывод: вклад N2 и O2 в парниковый эффект пренебрежимо мал.
2) CO2
- Линейная трёхатомная молекула с ненулевой изменяющейся дипольной составляющей при асимметричном растяжении и при изгибных колебаниях (особенно изгибная мода). Поэтому есть сильные ИК-поглощения.
- Главные полосы: около $\sim 15\mu \mathrm{m}$ (банда изгиба, $\sim 667{\mathrm{cm}}^{-1}$) и $\sim 4.3\mu \mathrm{m}$ (асимметричное растяжение).
- CO2 эффективно блокирует ИК-излучение, уходящее с поверхности, особенно в диапазоне 15 μm; эффект усиливается при повышенной концентрации и за счёт ширины линий (давление). Радиативное форсирование при изменении концентрации часто аппроксимируют формулой $\Delta F\approx 5.35\ln \left(\frac{C}{C_0}\right)$.
- CO2 долговечен (часть эффекта сохраняется десятки-сотни лет) и присутствует в больших количествах (${\mathrm{CO}}_2\approx 420\mathrm{ppm}$), поэтому суммарный вклад значительный.
3) CH4 (метан)
- Тетраэдрическая молекула; хотя симметрична, у неё есть вибрации, приводящие к изменению диполя (асимметричные растяжения и комбинационные/бандажные моды), поэтому ИК-активна.
- Сильные поглощения около $\sim 7.7\mu \mathrm{m}$ ($\sim 1300{\mathrm{cm}}^{-1}$) и в ближней ИК области (комбинационные полосы).
- По молекуле метан значительно эффективнее, чем CO2: более высокая радиативная эффективность и, следовательно, больший кратковременный вклад — поэтому для сравнения часто используют GWP: ${\mathrm{GWP}}_{100}({\mathrm{CH}}_4)\approx 28$–$34$ по массе (приблизительно, в зависимости от учёта климат–углеродной обратной связи).
- Но концентрация метана малы (${\mathrm{CH}}_4\approx 1.9\mathrm{ppm}$) и его срок жизни в атмосфере короче ($\sim 10$–$12$ лет), поэтому по суммарному долгосрочному радиативному эффекту CO2 обычно доминирует.
Дополнительные факторы
- Наложение спектров: если две молекулы поглощают в одних и тех же диапазонах (например, вода и CO2 частично перекрываются), дополнительное увеличение одной даёт меньший прирост форсирования.
- Давление и состав воздуха (N2/O2) влияют на ширину линий (pressure broadening) и на CIA, то есть косвенно влияют на силу поглощения парниковых газов.
Итог (рейтинг вклада при земных условиях):
- N2, O2: практически ноль (не ИК-активны).
- CO2: большой вклад за счёт широких сильных ИК-полос и высокой концентрации и долговечности.
- CH4: высокая эффективность на молекулу (крупный краткосрочный эффект), но меньший суммарный вклад по причине низкой концентрации и более короткой жизни.