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.
Vous avez probablement entendu dire que le dioxyde de carbone réchauffe la Terre, mais comment ça marche ? Est-ce que c'est comme le verre d'une serre ou comme une couverture isolante ? Eh bien, pas tout à fait. La réponse comprend un peu de mécanique quantique, mais ne vous inquiétez pas, on va commencer par un arc-en-ciel. Si on observe la lumière du soleil dissociée à travers un prisme, on verra des espaces noirs là où il manque de la couleur. Où est-elle passée ? Avant d'atteindre nos yeux, des gaz divers on absorbé ces parties spécifiques du spectre. Par exemple, le gaz d'oxygène a piqué une partie de la lumière rouge foncé, et le sodium s'est emparé de deux bandes de jaune. Pourquoi ces deux gaz ont-ils absorbé des couleurs spécifiques de lumière ? C'est là que nous entrons dans le royaume quantique. Tous les atomes et molécules ont un nombre donné de niveaux d'énergie possibles pour leurs électrons. Pour faire passer ces électrons de l'état plancher à un niveau supérieur, une molécule a besoin de gagner une certaine quantité d'énergie. Ni plus, ni moins. Elle tire cette énergie de la lumière, qui se présente en plus de niveaux d'énergie qu'on peut compter. La lumière est composée de petites particules appelées photons la quantité d'énergie dans chaque photon correspond à sa couleur. La lumière rouge a une énergie plus faible et des longueurs d'ondes inférieures. La lumière violette a une plus grande énergie et des longueurs d'ondes plus courtes La lumière du soleil offre tous les photons de l'ac-en-ciel, alors une molécule de gaz peut choisir les photons qui transportent la quantité exacte d'énergie nécessaire pour faire passer la molécule à son niveau d'énergie suivant. Quand l'appariement est fait, le photon disparait alors que la molécule gagne son énergie, et nous avons un petit espace vide dans notre arc-en-ciel. Si un photon transporte trop ou trop peu d'énergie, la molécule n'a pas d'autre choix que de le laisser passer. C'est pour ça que le verre est transparent. Les atomes du verre ne s'apparient pas bien avec aucun des niveaux d'énergie de la lumière visible, donc les photons passent au travers. Alors, quels photons le dioxyde de carbone préfère-t-il ? Où se trouve la ligne noire de l'arc-en-ciel qui explique le réchauffement mondial ? Eh bien, elle n'est pas là. Le dioxyde de carbone n'absorbe pas directement la lumière du soleil. Il absorbe la lumière d'un corps céleste entièrement différent. Qui ne semble pas émettre du tout de lumière : la Terre. Si vous vous demandiez pourquoi notre planète ne semble pas luire, c'est parce que la Terre n'émet pas de lumière visible. Elle émet une lumière infrarouge. La lumière qu'on peutt voir, qui contient toutes les couleurs de l'arc-en-ciel, n'est qu'une petit partie du grand spectre de rayonnement électromagnétique, qui comprend les ondes radio, les microondes, les infrarouges, les ultraviolets, les rayons X et le rayons gamma. Il semble étrange de penser que ces choses sont de la lumière, mais il n'y a pas de différence fondamentale entre la lumière visible et les autres rayonnements électromagnétiques. C'est la même énergie, mais à un niveau plus élevé ou plus faible. Il est un peu présomptueux de définir la lumière visible d'après nos limites. Après tout, la lumière infrarouge est visible pour les serpents, et la lumière ultraviolette est visible pour les oiseaux. Si nos yeux étaient adaptés pour voir la lumière de 1900 megahertz, un téléphone portable serait une lampe torche, une antenne de téléphone cellulaire ressemblerait à une lanterne géante. La Terre émet un rayonnement infrarouge car tous objets ayant une température au dessus du zéro absolu émet de la lumière. Ce qu'on appelle le rayonnement thermique. Plus un objet devient chaud, plus la fréquence de la lumière qu'il émet est élevée. Quand vous chauffez un morceau de fer, il émettra de plus en plus de fréquences de lumière infrarouge, à une température d'environ 450°C, sa lumière atteindra le spectre visible. D'abord, il aura l'air rougeoyant. Avec encore plus de chaleur, il brillera d'une lumière blanche avec toutes les fréquences de la lumière visible; C'est comme ça que les ampoules classiques ont été conçues et pourquoi elles sont un tel gaspillage. 95% de la lumière qu'elles émettent est invisible à nos yeux. C'est un gaspillage de chaleur. Le rayonnement infrarouge de la Terre s'échapperait vers l'espace s'il n'y avait les molécules de gaz à effet de serre dans notre atmosphère. Tout comme l'oxygène préfère les photons rouge foncé, le dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre s'apparient à des photons infrarouges. Ils apportent la bonne quantité d'énergie pour faire passer les molécules de gaz à leur plus haut niveau d'énergie. Peu après qu'une molécule de dioxyde de carbone ait absorbé un photon infrarouge, elle retombera à son niveau d'énergie précédent, et recrachera un photon dans une direction aléatoire. Une partie de cette énergie reviendra à la surface de la Terre, provoquant un réchauffement. Plus il y a de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, plus il y aura de photons infrarouges susceptibles de retomber sur la Terre et de changer notre climat.