ربّما سمعتم أنّ ثاني أكسيد الكربون يرفع درجة حرارة الأرض، لكن كيف يحدث ذلك؟ أهو مثل زجاج الدفيئة، أو مثل بطانية عازلة؟ حسنا، ليس تمامًا. تشمل الإجابة القليل من ميكانيكا الكم، لكن لا تقلقوا، سوف نبدأ من قوس قزح. إذا نظرتم عن قرب إلى ضوء الشمس المنقسم من خلال موشور، فسوف ترون فجوات معتمة تفتقد شرائط من الألوان. أين ذهبت؟ قبل وصولها إلى أعينكم، امتصت غازات مختلفة تلك الأجزاء المحددة من ألوان الطيف. على سبيل المثال، انتزع غازالأكسجين بعض الضوء الأحمر الداكن، كما انتزع الصوديوم شريطين من اللون الأصفر. لكن لماذا تمتص هذه الغازات ألوانًا محددة من الضوء؟ هنا ندخل المجال الكمومي. لكلّ ذرة وجزيء عدد محدد من مستويات الطاقة الممكنة لإلكتروناتها. ومن أجل رفع طاقة الإلكترونات من المستوى الأدنى إلى مستويات أعلى، يحتاج الجزيء إلى اكتساب مقدار معيّن من الطاقة. لا أكثر ولا أقل. فيحصل على الطاقة من الضوء، الذي يأتي بمستويات طاقة أكثر مما يمكن إحصاؤه. يتكوّن الضوء من جُسيمات صغيرة تسمى الفوتونات ومقدار الطاقة الموجودة في كلّ فوتون يتوافق مع لونه. فالضوء الأحمر منخفض الطاقة وموجته طويلة. أمّا الضوء البنفسجي فهو عالي الطاقة وقصير الموجة. يوفّر ضوء الشمس جميع فوتونات قوس قزح، فيستطيع جزيء الغاز أن يختار الفوتونات التي تحمل الكمية المناسبة من الطاقة اللازمة لرفع الجزيء إلى مستوى طاقته التالي. وعندما يحدث هذا التطابق، يختفي الفوتون بينما يحصل الجزيء على طاقته، ويصبح لدينا فراغ صغير في قوس قزح. وإذا كان الفوتون يحمل كمّية أكثر أو أقل من الطاقة المطلوبة، فلا يكون للجزيء خيار سوى تركه يمر. هذا هو سبب شفافية الزجاج. إذ لا تقترن ذرات الزجاج جيدًا مع أي من مستويات الطاقة الموجودة في الضوء المرئي، فتمرّ الفوتونات من خلاله. ما هي إذًا الفوتونات التي يفضّلها ثاني أكسيد الكربون؟ أين يوجد الخط الأسود في قوس قزح الذي يفسّر الاحتباس الحراري العالمي؟ حسنٌ، إنّه غير موجود. لا يمتص ثاني أكسيد الكربون الضوء مباشرةً من الشمس. بل يمتصّه من جرم سماوي مختلف كليًّا. جرمٌ لا يبدو أنّه ينبعث منه أيّ ضوء: كوكب الأرض. إن كنتم تتساءلون لم لا يبدو أنّ كوكبنا يتوهّج، ذلك لأنّ الأرض لا ينبعث منها ضوء مرئي. بل ينبعث ضوء تحت الأحمر. الضوء الذي يمكن لأعيننا رؤيته، بما في ذلك جميع ألوان قوس قزح، هو مجرّد جزء صغير من طيف أكبر من الإشعاعات الكهرومغناطيسية، التي تشمل أمواج الراديو، والأمواج الميكروية، وتحت الحمراء، وفوق البنفسجية، والأشعة السينية، وأشعة غاما. ربما يبدو من الغريب التفكير في تلك الأشياء على أنّها ضوء، إلاّ أنّه لا يوجد اختلاف جوهري بين الضوء المرئي والإشعاعات الكهرومغناطيسية الأخرى. فالطاقة هي ذاتها، لكن في مستوى أعلى أو أدنى. في الواقع، إنّ من الغطرسة تعريف مصطلح الضوء المرئي بناءً على محدوديتنا. ففي نهاية المطاف، الضوء دون الأحمر مرئي بالنسبة للأفاعي، والضوء فوق البنفسجي مرئي بالنسبة للطيور. ولو تكيّفت أعيننا على رؤية الضوء بتردد 1900 ميغاهيرتز، فإنّ الهاتف الخلوي سوف يصبح ضوء كشافا، وسوف تبدو الأبراج الخلوية مثل مصابيح ضخمة. تنبعث من الأرض الأشعة تحت الحمراء لأنّ الضوء ينبعث من كلّ جسمٍ له حرارة فوق الصفر المطلق. وهذا ما يسمى بالإشعاع الحراري. كلما ارتفعت حرارة الجسم، ارتفع تردد الضوء المنبعث منه. عندما تقومون بتسخين قطعة من الحديد، ينبعث منها المزيد من ترددات الضوء تحت الأحمر، وعند بلوغها حوالي 450 درجة مئوية، يصل ضوءها إلى الطيف المرئي. تبدو في البداية ساخنة لدرجة الاحمرار. وعند ازدياد التسخين، تتوهج باللون الأبيض فتنبعث منها جميع ترددات الضوء المرئي. هذه هي الطريقة التي صُممت لتعمل بها المصابيح التقليدية وهي السبب في أنّها كثيرة الهدر. فـ 95 بالمئة من الضوء الذي تصدره غير مرئي لأعيننا. ويضيع على شكل حرارة. تنطلق الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الأرض في الفضاء إذا لم تتوفر جزيئات غاز الدفيئة في غلافنا الجوي. ومثلما يفضّل غاز الأكسجين الفوتونات الحمراء الداكنة، فإنّ ثاني أكسيد الكربون وغازات الدفيئة الأخرى تفضّل الفوتونات تحت الحمراء. فهي توفّر كمية الطاقة المناسبة لنقل جزيئات الغاز إلى مستوى طاقتها الأعلى. وبعد وقت قصير من امتصاص جزيئات ثاني أكسيد الكربون للفوتونات تحت الحمراء، تعود إلى مستوى طاقتها السابق، وتلفظ الفوتونات باتجاه عشوائي. ثم يعود جزء من تلك الطاقة إلى سطح الأرض، ما يتسبب بارتفاع درجة الحرارة. وكلّما ازداد ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، زاد احتمال أن تعود الفوتونات تحت الحمراء وتحط على الأرض فيتغير بذلك مناخنا.
You've probably heard that carbon dioxide is warming the Earth, but how does it work? Is it like the glass of a greenhouse or like an insulating blanket? Well, not entirely. The answer involves a bit of quantum mechanics, but don't worry, we'll start with a rainbow. If you look closely at sunlight separated through a prism, you'll see dark gaps where bands of color went missing. Where did they go? Before reaching our eyes, different gases absorbed those specific parts of the spectrum. For example, oxygen gas snatched up some of the dark red light, and sodium grabbed two bands of yellow. But why do these gases absorb specific colors of light? This is where we enter the quantum realm. Every atom and molecule has a set number of possible energy levels for its electrons. To shift its electrons from the ground state to a higher level, a molecule needs to gain a certain amount of energy. No more, no less. It gets that energy from light, which comes in more energy levels than you could count. Light consists of tiny particles called photons and the amount of energy in each photon corresponds to its color. Red light has lower energy and longer wavelengths. Purple light has higher energy and shorter wavelengths. Sunlight offers all the photons of the rainbow, so a gas molecule can choose the photons that carry the exact amount of energy needed to shift the molecule to its next energy level. When this match is made, the photon disappers as the molecule gains its energy, and we get a small gap in our rainbow. If a photon carries too much or too little energy, the molecule has no choice but to let it fly past. This is why glass is transparent. The atoms in glass do not pair well with any of the energy levels in visible light, so the photons pass through. So, which photons does carbon dioxide prefer? Where is the black line in our rainbow that explains global warming? Well, it's not there. Carbon dioxide doesn't absorb light directly from the Sun. It absorbs light from a totally different celestial body. One that doesn't appear to be emitting light at all: Earth. If you're wondering why our planet doesn't seem to be glowing, it's because the Earth doesn't emit visible light. It emits infared light. The light that our eyes can see, including all of the colors of the rainbow, is just a small part of the larger spectrum of electromagnetic radiation, which includes radio waves, microwaves, infrared, ultraviolet, x-rays, and gamma rays. It may seem strange to think of these things as light, but there is no fundamental difference between visible light and other electromagnetic radiation. It's the same energy, but at a higher or lower level. In fact, it's a bit presumptuous to define the term visible light by our own limitations. After all, infrared light is visible to snakes, and ultraviolet light is visible to birds. If our eyes were adapted to see light of 1900 megahertz, then a mobile phone would be a flashlight, and a cell phone tower would look like a huge lantern. Earth emits infrared radiation because every object with a temperature above absolute zero will emit light. This is called thermal radiation. The hotter an object gets, the higher frequency the light it emits. When you heat a piece of iron, it will emit more and more frequencies of infrared light, and then, at a temperature of around 450 degrees Celsius, its light will reach the visible spectrum. At first, it will look red hot. And with even more heat, it will glow white with all of the frequencies of visible light. This is how traditional light bulbs were designed to work and why they're so wasteful. 95% of the light they emit is invisible to our eyes. It's wasted as heat. Earth's infrared radiation would escape to space if there weren't greenhouse gas molecules in our atmophere. Just as oxygen gas prefers the dark red photons, carbon dioxide and other greenhouse gases match with infrared photons. They provide the right amount of energy to shift the gas molecules into their higher energy level. Shortly after a carbon dioxide molecule absorbs an infrared photon, it will fall back to its previous energy level, and spit a photon back out in a random direction. Some of that energy then returns to Earth's surface, causing warming. The more carbon dioxide in the atmosphere, the more likely that infrared photons will land back on Earth and change our climate.