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.
Probabilmente avete sentito che il CO2 sta riscaldando la Terra, ma come funziona? Assomiglia al vetro di una serra o a un pannello isolante? Be', non proprio. La risposta richiede un po' di meccanica quantistica. Ma niente paura, cominceremo con un arcobaleno. Se guardate attentamente la luce solare separata attraverso un prisma, vedrete delle striature scure dove le bande di colore mancano. Come mai? Prima di raggiungere i nostri occhi, gas differenti hanno assorbito quelle specifiche parti dello spettro. Per esempio, l'ossigeno ha catturato parte della luce rosso scuro, e il sodio ha catturato due bande di giallo. Ma come mai questi gas assorbono colori specifici della luce? È qui che entra in gioco il mondo dei quanti. Ogni atomo e molecola ha un dato numero di livelli possibili di energia per i suoi elettroni. Per innalzare gli elettroni da un livello basso a uno più alto, una molecola deve guadagnare una certa quantità di energia. Né di più, né di meno. Prende tale energia dalla luce, che conta più livelli di energia di quelli che possiamo immaginare. La luce consiste di minuscole particelle chiamate fotoni e la quantità di energia di ogni fotone corrisponde al suo colore. La luce rossa possiede meno energia e lunghezze d'onda più lunghe. La luce violetta possiede maggiore energia e lunghezze d'onda più corte. La luce solare offre tutti i fotoni dell'arcobaleno, perciò una molecola di gas può scegliere i fotoni con l'esatta quantità di energia necessaria per far passare la molecola al livello di energia successivo. Quando i due si incontrano, il fotone scompare e la molecola guadagna energia, e così si crea un piccolo buco nel nostro arcobaleno. Se un fotone porta troppa o troppo poca energia, la molecola non ha altra scelta che lasciarlo passare. Ecco perché il vetro è trasparente. Gli atomi del vetro non combaciano con nessuno dei livelli di energia della luce visibile, così i fotoni ci passano attraverso. Dunque, quali sono i fotoni preferiti dal diossido di carbonio? Dov'è la linea nera nel nostro arcobaleno che spiega il riscaldamento globale? Be', non è lì. Il diossido di carbonio non assorbe la luce direttamente dal Sole. L'assorbe da un corpo celeste completamente diverso. Uno che non sembra emettere luce per niente: la Terra. Se vi domandate perché il nostro pianeta non sembra brillare, è perché la Terra non emette luce visibile. Emette luce agli infrarossi. La luce che i nostri occhi percepiscono, compresi tutti i colori dell'arcobaleno, è solo una minima parte del più ampio spettro delle radiazioni elettromagnetiche, che comprende le onde radio, le microonde, gli infrarossi, gli ultravioletti, i raggi X, e i raggi Gamma. Può sembrare strano pensare a queste cose in termini di luce, ma non c'è alcuna differenza fondamentale tra la luce visibile e le altre radiazioni elettromagnetiche. È la stessa energia, ma a un livello inferiore o superiore. Di fatto, è un po' presuntuoso definire il termine luce visibile dalle nostre stesse limitazioni. Dopo tutto, la luce infrarossa è visibile ai serpenti, e quella ultravioletta è visibile agli uccelli. Se i nostri occhi fossero adatti a vedere la luce dei 1900 megahertz, allora un telefono cellulare sarebbe un raggio di luce, e una antenna di telefonia mobile sembrerebbe un'enorme lanterna. La Terra emette radiazioni infrarosse perché ogni oggetto con una temperatura sopra lo zero assoluto emette luce. Tale fenomeno è chiamato radiazione termica. Più caldo diventa un oggetto, più alta è la frequenza di luce che emette. Quando scaldate un pezzo di ferro, emetterà sempre più frequenze di luce infrarossa, e poi, alla temperatura di circa 450° C, la sua luce raggiungerà lo spettro visibile. All'inizio, sembrerà rosso acceso. E, con ancora più calore, passerà al bianco con tutte le frequenze della luce visibile. Questo è il principio con cui funzionano le lampadine tradizionali e del perché erano così dispendiose. Il 95 per cento della luce che emettono è invisibile ai nostri occhi. E viene sprecato in calore. Le radiazioni infrarosse della Terra si disperderebbero nello spazio se non ci fossero le molecole di gas serra nella nostra atmosfera. Come l'ossigeno preferisce i fotoni rosso scuro, così il CO2 e altri gas serra si combinano con i fotoni infrarossi. Forniscono la giusta quantità di energia per far sì che le molecole di gas passino al loro livello superiore. Poco dopo che una molecola di CO2 ha assorbito un fotone infrarosso, tornerà al suo livello di energia precedente, e spingerà fuori un fotone in direzione casuale. Parte di quella energia ritorna sulla superficie terrestre, provocando il riscaldamento. Più CO2 c'è nell'atmosfera, più è probabile che i fotoni infrarossi ritornino sulla Terra e cambino il nostro clima.