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.
二酸化炭素が地球温暖化を 起こしているということを たぶん聞いたことがあるでしょう しかしどのような 仕掛けなのでしょうか? 温室のガラスのようなものでしょうか それとも 断熱毛布のようなものでしょうか いえ 必ずしもそうではないのです その答えを出すには 量子力学が必要ですが でも 心配無用です 虹から説明を始めましょう プリズムを通して 分光された太陽光を よく見ると 暗いギャップがあって 抜けている色があります その光は どうなったのでしょう? 私たちの目に到達する前に 光のスペクトルの中の 特定の部分を 様々なガスが 吸いとってしまったのです 例えば 酸素ガスが 暗褐色の一部を横取りし ナトリウムが黄色の帯 二本を 持っていってしまったのです しかし それらのガスは なぜ特定の色の光を 吸収するのでしょうか? ここで量子力学の出番です 原子や分子には それぞれの電子が持つことのできる 決まった数の エネルギー準位があります 電子を 基底準位から上の準位に シフトするために 分子はある一定量の エネルギーを獲得する必要があります 過不足は許されません そのエネルギーは 光から受け取ります 光のエネルギー準位は 数えきれないほどあります 光は光子と呼ばれる 微小の粒子であり 光子一つ一つに含まれる エネルギーは その色に対応します 赤色の光はエネルギーがより低く 波長はより長くなります 紫色の光はエネルギーがより高く 波長はより短くなります 太陽光は虹の光子すべてを 提供しており ガス分子は 一つ上のエネルギー準位に シフトするために必要となる エネルギーの 光子を選び出すことができます 光子を選び出すことができます その組み合わせが完成し 分子がエネルギーを受け取ると 光子は姿を消し 虹に細いギャップが現れるのです 虹に細いギャップが現れるのです もし光子の運ぶエネルギーの量が 多すぎたり 少なすぎると 分子は光子を通過させるしかありません ガラスが透明な理由は そこにあります ガラス中の原子は可視光に含まれる エネルギー準位のいずれとも 相性が悪く 光子は透過してしまうのです では 二酸化炭素が好むのは どの光子なのでしょうか? 地球温暖化に対応する黒いギャップは 虹のどこにあるでしょうか 実は ありません 二酸化炭素は太陽から直接 光を吸収するのではありません 二酸化炭素はまったく別の 天体から光を吸収します まったく発光してなさそうな 天体からです それは 地球です 地球が発光しているように 見えない理由は 可視光を放射してないからです 地球は赤外線を 放射しているのです 虹色全色を含む可視光線は 虹の全ての色ですが より広い電磁放射スペクトル全体の中では ほんの一部です 電磁放射は 電波 マイクロ波 赤外線 電磁放射は 電波 マイクロ波 赤外線 紫外線 X線 ガンマ線を含みます 紫外線 X線 ガンマ線を含みます それを光とみなすのは 奇妙かもしれないですが 可視光と他の電磁放射との間に 根本的な相違はありません エネルギーという意味では同じで 対応する準位が高いか低いかの違いだけです 実際には 光を見る能力に 限界のある私たちが 「可視光」を定義すること自体 いささか僭越なことです なぜなら 蛇には赤外線が見えますし 鳥は紫外線が見えるのですから 1900メガヘルツの光を肉眼で 見ることができるようになれば 1900メガヘルツの光を肉眼で 見ることができるようになれば 携帯電話は懐中電灯になるでしょうし 基地局の鉄塔は 巨大な街灯のように見えるでしょう 温度が絶対零度以上の あらゆる物体が発光するので 温度が絶対零度以上の あらゆる物体が発光するので 地球も赤外線を放射しています これを熱放射と呼びます 物体は温度が高くなればなるほど 高周波の光を放射します 鉄の塊を熱すると 赤外線の周波数を もっともっと放射し 摂氏450度に達すると 放射される光は 可視スペクトルに到達します 最初 鉄は 熱い赤色に見えます そして さらに熱すると 可視光の周波数をすべて カバーして 白く発光するようになります 従来の電球は このような仕組みで 設計されており 無駄が多い理由です 放射される光の95%は 目には見えない光で 熱として無駄になってしまいます 地球の放射する赤外線は 温室効果ガス分子が大気中にない場合 宇宙空間に飛び出していきます 酸素ガスが暗褐色の光子を 好むと同じように 二酸化炭素と 他の温室効果ガスは 赤外線光子に適合します 赤外線光子から 受け取るエネルギーで ガス分子を高いエネルギー準位に シフトすることができるのです 赤外線の光子を吸収した 二酸化炭素分子は 赤外線の光子を吸収した 二酸化炭素分子は すぐに最初の 低いエネルギー準位に戻り ランダムな方向に向けて 光子を放出します そのエネルギーの一部は 地表に戻り 温暖化の原因となります 大気中により多くの 二酸化炭素があると より多くの赤外線光子が地表に戻るため 気候に変化をもたらすのです