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.
Probablemente hayas escuchado que el dióxido de carbono está calentando la Tierra, pero ¿cómo funciona? ¿Es como el cristal de un invernadero o como una manta aislante? Bueno, no del todo. La respuesta tiene que ver un poco con la mecánica cuántica, pero no te preocupes. Vamos a empezar con un arco iris. Si te fijas bien en la luz solar separada a través de un prisma, verás huecos oscuros donde han desaparecido bandas de colores. ¿A dónde fueron? Antes de llegar a nuestros ojos, diferentes gases absorbieron esas específicas partes del espectro. Por ejemplo, el oxígeno gaseoso tomó parte de la luz de color rojo oscuro y el sodio atrapó dos bandas de amarillo. ¿Pero por qué esos gases absorben colores específicos de luz? Aquí es donde entramos en el terreno cuántico. Cada átomo y molécula tiene un número determinado de posibles niveles de energía para sus electrones. Para cambiar sus electrones desde el estado fundamental a un nivel superior, la molécula necesita obtener una cierta cantidad de energía. Ni más, ni menos. Consigue esta energía de la luz, que viene en mayores niveles de energía de los que puedes contar. La luz consiste en unas pequeñas partículas llamadas fotones y la cantidad de energía en cada fotón corresponde a su color. La luz roja tiene menos energía y una longitud de onda más larga. La luz púrpura tiene mayor energía y una longitud de onda más corta. La luz del sol ofrece todos los fotones del arco iris, por lo que una molécula de gas puede elegir los fotones que llevan la cantidad exacta de energía necesaria para desplazar la molécula a su siguiente nivel de energía. Cuando se hace este emparejamiento, el fotón desaparece al ganar la molécula su energía y tenemos un pequeño hueco en nuestro arco iris. Si el fotón transporta demasiada o muy poca energía, la molécula no tiene otra elección que dejarlo pasar. Por esa razón el vidrio es transparente. Los átomos del vidrio no se emparejan bien con ninguno de los niveles de energía en la luz visible, por lo que los fotones lo atraviesan. Entonces, ¿qué fotones prefiere el dióxido de carbono? ¿Dónde está la línea negra en nuestro arco iris que explica el calentamiento global? Bueno, no está allí. El dióxido de carbono no absorbe la luz directamente del sol. Absorbe la luz de un cuerpo celeste completamente diferente. Uno que no parece estar emitiendo luz en absoluto; la Tierra, Si te preguntas por qué nuestro planeta no parece estar brillante, es porque la tierra no emite luz visible. Emite luz infrarroja. La luz que nuestros ojos pueden ver, incluyendo todos los colores del arco iris, es solo una pequeña parte del espectro más amplio de la radiación electromagnética, que incluye ondas de radio, microondas, infrarrojo, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Puede parecer extraño pensar en estas cosas como luz, pero no hay ninguna diferencia fundamental entre la luz visible y otra radiación electromagnética. Es la misma energía, pero a un nivel superior o inferior. De hecho, es un poco presuntuoso definir el término luz visible por nuestras propias limitaciones. Después de todo, la luz infrarroja es visible para las serpientes, y la luz ultravioleta es visible para los pájaros. Si nuestros ojos estuvieran adaptadas para ver luz de 1900 megahercios, entonces un teléfono móvil sería una linterna y una torre de telefonía celular sería como una gran linterna. La tierra emite radiación infrarroja porque cada objeto con una temperatura por encima del cero absoluto emite luz. Esto se conoce como radiación térmica. A mayor temperatura que un objeto consiga, mayor es la frecuencia de luz que emite. Cuando calientas una pieza de hierro, esta emitirá más y más frecuencias de luz infrarroja y después, a una temperatura cercana a los 450ºC, su luz alcanzará el espectro de visibilidad. En un primer momento, se verá al rojo vivo. Y con mucho más calor, se volverá blanco. con todas las frecuencias de luz visibles. Así es como las bombillas tradicionales fueron diseñadas para funcionar y porqué son un derroche, el 95% de la luz que emiten es invisible a nuestros ojos. Se pierde en forma de calor. La radiación infrarroja de la tierra escaparía al espacio si no hubiera moléculas de gas de efecto invernadero en nuestra atmósfera. Así como el gas de oxígeno prefiere los fotones de rojo oscuro, el dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero se emparejan con fotones infrarrojos. Ellos suministran la cantidad de energía necesaria para desplazar las moléculas de gas a un nivel energético superior. Poco después de que una molécula de dióxido de carbono absorbe un fotón infrarrojo, caerá de nuevo a su nivel de energía anterior, y soltará un fotón a una dirección aleatoria. Parte de esta energía retorna entonces a la superficie de la Tierra, causando el calentamiento. A mayor cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera, es más probable que los fotones infrarrojos regresen a la Tierra y cambien nuestro clima.