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.
Mungkin kita pernah dengar karbon dioksida memanaskan Bumi, tetapi bagaimana caranya? Apakah seperti kaca dari rumah kaca atau seperti selimut insulasi? Tidak sepenuhnya begitu. Jawabannya melibatkan sedikit mekanika kuantum, tapi jangan khawatir, kita akan mulai dengan sebuah pelangi. Jika lihat dekat cahaya yang dipisahkan melalui prisma, akan terlihat celah gelap tanpa pita cahaya. Ke manakah perginya? Sebelum mencapai mata kita, gas-gas berbeda menyerap bagian tertentu spektrum cahaya. Contohnya, gas oksigen mengambil sebagian cahaya merah tua, dan natrium mengambil dua pita cahaya kuning. Mengapa gas-gas ini menyerap warna cahaya tertentu? Di sinilah kita memasuki dunia kuantum. Setiap atom dan molekul memiliki beberapa kemungkinan tingkat energi untuk elektronnya. Untuk mengalihkan dari tingkat dasar ke tingkat lebih tinggi, molekul membutuhkan sejumlah energi tertentu. Tidak lebih, tidak kurang. Ia mendapat energi tersebut dari cahaya, yang memiliki berbagai level energi. Cahaya terdiri dari partikel kecil bernama foton dan jumlah energi pada setiap foton berhubungan dengan warnanya. Cahaya merah memiliki energi rendah dan gelombang panjang. Cahaya ungu memiliki energi tinggi dan gelobang pendek. Cahaya matahari memiliki semua foton pada pelangi, sehingga molekul gas bisa memilih foton dengan jumlah energi yang tepat untuk mengalihkan molekul ke tingkatan energi selanjutnya. Ketika kecocokan terjadi, foton hilang dan molekul mendapatkan energinya, dan terbentuk celah pada pelangi kita. Jika foton membawa energi yang terlalu banyak atau terlalu sedikit, molekul tidak memiliki pilihan selain membiarkannya lewat. Inilah mengapa kaca tembus pandang. Atom pada kaca tidak cocok dengan tingkatan energi mana pun pada cahaya kasatmata, sehingga fotonnya lewat begitu saja. Jadi, foton manakah yang disukai karbon dioksida? Di manakah garis hitam di pelangi kita yang menjelaskan pemanasan global? Ia tidak ada di sana. Karbon dioksida tidak menyerap cahaya langsung dari matahari. Ia menyerap cahaya dari benda angkasa lainnya. Yang tampaknya tidak memancarkan cahaya sama sekali: Bumi. Jika bertanya mengapa planet tampaknya tidak berpendar, itu karena Bumi tidak memancarkan cahaya kasatmata. Ia memancarkan cahaya inframerah. Cahaya yang terlihat oleh mata kita, termasuk seluruh warna pada pelangi, itu hanya sebagian kecil dari spektrum radiasi elektromagnetik, yang termasuk gelombang radio, gelombang mikro, inframerah, ultraviolet, sinar-x, dan sinar gama. Mungkin agak aneh memikirkan kesemuanya sebagai cahaya, tetapi tidak ada perbedaan dasar antara cahaya kasatmata dan radiasi elektromagnetik lainnya. Energi yang sama, tetapi pada tingkat lebih tinggi atau lebih rendah. Bahkan, agak lancang untuk menjelaskan cahaya kasatmata dengan batasan kita sendiri. Cahaya inframerah dapat dilihat oleh ular, dan cahaya ultraviolet dapat dilihat oleh burung. Jika mata kita beradaptasi melihat cahaya 1900 megahertz, sebuah ponsel akan seperti senter, dan menara seluler akan terlihat seperti lentera raksasa. Bumi memancarkan radiasi inframerah karena setiap objek dengan suhu di atas nol mutlak memancarkan cahaya. Ini dinamakan radiasi termal. Makin panas objek tersebut, maka makin tinggi frekuensi cahaya yang ia pancarkan. Saat memanaskan sepotong besi, ia akan memancarkan makin banyak frekuensi cahaya inframerah, lalu, di suhu sekitar 450 derajat celsius, cahayanya akan mencapai spektrum yang kasatmata. Mulanya, ia akan tampak merah. Dan dengan panas lebih, ia akan berbinar putih dengan semua frekuensi cahaya kasatmata. Inilah cara bohlam lampu tradisional dirancang untuk berfungsi dan mengapa itu sangat boros. 95% dari cahaya yang dipancarkan tidak kasatmata oleh mata kita. Itu terbuang sebagai panas. Radiasi inframerah Bumi akan mencapai luar angkasa, jika bukan karena molekul gas rumah kaca di atmosfer kita. Seperti gas oksigen yang menyukai foton merah tua, karbon dioksida dan gas rumah kaca lainnya cocok dengan foton inframerah. Kesemuanya menyediakan jumlah energi yang tepat untuk mengalihkan molekul gas ke tingkat energi yang lebih tinggi. Tak lama setelah molekul karbon dioksida meresap foton inframerah, ia akan kembali ke tingkat energi sebelumnya, dan menyemburkan foton kembali ke arah yang acak. Sebagian dari energi itu kembali ke permukaan Bumi, menyebabkan pemanasan. Makin banyak karbon dioksida di atmosfer, besar kemungkinan foton inframerah akan kembali ke Bumi dan mengubah iklim kita.