Du hast wahrscheinlich gehört, dass Kohlendioxid die Erde erwärmt, aber wie funktioniert das? Ist es wie das Glas eines Treibhauses oder eine isolierende Decke? Nun, nicht ganz. Die Antwort hat etwas mit Quantenmechanik zu tun, aber keine Sorge, wir beginnen mit einem Regenbogen. Im Sonnenlicht, das durch ein Prisma gebrochen wird, siehst du dunkle Lücken, wo Farbbänder verloren gegangen sind. Wo sind sie hin? Bevor sie das Auge erreichen, schlucken verschiedene Gase diese speziellen Teile des Spektrums. Zum Beispiel hat Sauerstoff etwas vom dunkelroten Licht erhascht, und Natrium hat sich zwei gelbe Bänder gegriffen. Aber warum absorbieren diese Gase spezielle Farben des Lichts? An dieser Stelle betreten wir das Reich der Quanten. Jedes Atom und Molekül hat eine festgelegte Anzahl an möglichen Energiestufen für seine Elektronen. Um die Elektronen vom Grundzustand auf eine höhere Stufe zu verlagern, muss ein Molekül eine bestimmte Menge an Energie gewinnen. Nicht mehr und nicht weniger. Es bekommt diese Energie vom Licht, das unzählige Energiestufen besitzt. Licht besteht aus winzigen Teilchen namens Photonen, und die Menge an Energie in jedem Photon entspricht seiner Farbe. Rotes Licht hat weniger Energie und längere Wellenlängen. Violettes Licht hat mehr Energie und kürzere Wellenlängen. Sonnenlicht bietet alle Photonen des Regenbogens, also kann ein Gasmolekül die Photonen wählen, die die exakte Menge an Energie tragen, die gebraucht werden, um die Moleküle zur nächsten Energiestufe zu verlagern. Sind diese zugeordnet, verschwindet das Photon, während das Molekül seine Energie erlangt und wir eine kleine Lücke in unserem Regenbogen bekommen. Besitzt ein Photon zu viel oder zu wenig Energie, hat das Molekül keine andere Wahl, als es vorbeifliegen zu lassen. Das ist der Grund, warum Glas durchsichtig ist. Die Atome im Glas passen nicht gut zu den einzelnen Energiestufen des sichtbaren Lichts, also gehen die Photonen durch. Welche Photonen zieht Kohlendioxid also vor? Wo ist die schwarze Linie in unserem Regenbogen, die die globale Erwärmung erklärt? Es gibt keine. Kohlendioxid absorbiert Licht nicht direkt von der Sonne. Es absorbiert Licht von einem völlig anderen Himmelskörper. Einer, der scheinbar gar kein Licht aussendet: die Erde. Du fragst dich vielleicht, warum unser Planet scheinbar nicht glüht. Die Erde sendet kein sichtbares Licht aus. Sie sendet Infrarotlicht aus. Das Licht, das unser Auge sehen kann, inklusive aller Farben des Regenbogens, ist nur ein kleiner Teil des größeren Spektrums der elektromagnetischen Strahlung, die Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot-, UV-, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen umfasst. Es mag seltsam sein, diese Dinge als Licht zu bezeichnen, aber es gibt keinen großen Unterschied zwischen sichtbarem Licht und anderer elektromagnetischer Strahlung. Es ist die gleiche Energie, nur in höheren oder niedrigeren Stufen. Tatsächlich wäre es etwas anmaßend, den Begriff "sichtbares Licht" mit unseren eigenen Beschränkungen zu definieren. Immerhin ist Infrarotlicht für Schlangen und UV-Licht für Vögel sichtbar. Wären unsere Augen dazu fähig, Licht von 1900 MHz zu sehen, wäre ein Handy eine Taschenlampe, und ein Handymast würde wie eine riesige Laterne aussehen. Die Erde sendet Infrarotstrahlung aus, weil jedes Objekt mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt Licht aussendet. Das nennt man "thermische Strahlung". Umso heißer ein Objekt wird, desto höher ist die Frequenz des Lichts, das es aussendet. Erhitzt man ein Stück Eisen, wird es immer mehr Frequenzen von Infrarotlicht aussenden, und dann bei einer Temperatur von ca. 450ºC erreicht sein Licht das sichtbare Spektrum. Zuerst glüht es rot. Bei noch mehr Hitze glüht es weiß, mit allen Frequenzen des sichtbaren Lichts. So funktionieren herkömmliche Glühbirnen und darum sind sie so verschwenderisch. 95 % des Lichts, das sie aussenden, sind für uns unsichtbar. Es wird als Wärme verschwendet. Die Infrarotstrahlung der Erde würde ins All entfliehen, wenn es keine Treibhausgasmoleküle in unserer Atmosphäre gäbe. Genau wie Sauerstoff die dunkelroten Photonen vorzieht, passen Kohlendioxid und andere Treibhausgase mit infraroten Photonen zusammen. Sie haben die richtige Menge an Energie, um die Gasmoleküle auf ihre höhere Energiestufe zu verlagern. Kurz nachdem ein Kohlendioxidmolekül ein infrarotes Photon aufnimmt, fällt es zurück auf seine vorherige Energiestufe und wirft ein Photon in willkürlicher Richtung zurück. Ein Teil dieser Energie kehrt dann zur Erdoberfläche zurück und verursacht Erwärmung. Umso mehr Kohlendioxid in der Atmosphäre ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass infrarote Photonen wieder auf der Erde landen und unser Klima verändern.
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