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.
Zapewne słyszeliście, że dwutlenek węgla ogrzewa Ziemię, ale jak to działa? Jak szklarnia czy też jak koc izotermiczny? Niezupełnie. Odpowiedź zawiera odrobinę mechaniki kwantowej, ale bez obaw, zaczniemy od tęczy. Przyglądając się światłu słonecznemu rozszczepionemu przez pryzmat, można zobaczyć luki, z których zniknęły pasma koloru. Gdzie się podziały? Przed dotarciem do naszych oczu różne gazy wchłonęły te części spektrum światła. Tlen, na przykład, przechwycił część ciemnoczerwonego światła, a sód - dwa pasma żółtego. Ale dlaczego te gazy wchłaniają różne kolory światła? Tu wkraczamy do sfery kwantowej. Każdy atom i cząsteczka ma określoną liczbę możliwych poziomów energetycznych dla swoich elektronów. Żeby przenieść elektrony z poziomu podstawowego na wyższy, cząsteczka musi uzyskać pewną ilość energii. Dokładnie określoną. Dostaje tę energię ze światła, które ma więcej poziomów energii, niż można policzyć. Światło składa się z małych cząsteczek zwanych fotonami, a ilość energii w każdym fotonie odpowiada jego kolorowi. Światło czerwone ma niższą energię i większe długości fal. Światło fioletowe ma wyższą energię i krótsze długości fal. Światło słoneczne zawiera wszystkie fotony tęczy, więc cząsteczka gazu może wybrać fotony, które niosą odpowiednią ilość energii potrzebnej cząsteczce do zmiany poziomu energii. Kiedy nastąpi takie sparowanie, foton znika, ponieważ cząsteczka zyskuje jego energię, i w tęczy powstaje drobna luka. Jeśli foton niesie za dużo lub za mało energii, cząsteczka musi mu pozwolić przelecieć obok. Dlatego właśnie szkło jest przezroczyste. Atomy w szkle nie pasują do poziomów energii widzialnego światła, więc fotony przez nie przelatują. Jakie fotony odpowiadają dwutlenkowi węgla? Gdzie jest ten czarny pasek w tęczy, który wyjaśnia globalne ocieplenie? Nie ma go tam. Dwutlenek węgla nie wchłania światła bezpośrednio od słońca. Wchłania światło od zupełnie innego ciała niebieskiego, takiego, które sprawia wrażenie, jakby w ogóle go nie emitowało: Ziemi. Może zastanawiacie się, dlaczego nasza planeta nie świeci się? Dlatego że Ziemia nie emituje światła widzialnego. Emituje światło podczerwone. Światło, które nasze oczy mogą zobaczyć, w tym wszystkie kolory tęczy, to tylko mała część większego spektrum promieniowania elektromagnetycznego, do którego zaliczają się fale radiowe, mikrofale, podczerwień, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma. Może to dziwne, że myślimy o nich jako o świetle, ale zasadniczo nie ma żadnej różnicy między światłem widzialnym a innym elektromagnetycznym promieniowaniem. To ta sama energia, tyle że na wyższym albo niższym poziomie. Właściwie to dosyć aroganckie, żeby definiować światło widzialne naszymi ograniczeniami. W końcu światło podczerwone jest widzialne dla węży, a światło ultrafioletowe - dla ptaków. Gdyby nasze oczy widziały światło o częstotliwości 1900 megaherców, to telefon komórkowy byłby latarką, a wieża telefonii komórkowej wyglądałaby jak wielka latarnia. Ziemia emituje światło podczerwone, ponieważ każdy przedmiot z temperaturą powyżej zera absolutnego emituje światło. Nazywa się to promieniowaniem cieplnym. Im gorętszy staje się obiekt, tym wyższa częstotliwość światła, które emituje. Gdyby podgrzać kawałek żelaza, to będzie on emitować coraz wyższą częstotliwość podczerwieni, aż przy temperaturze 450 stopni Celsjusza jego światło osiągnie spektrum światła widzialnego. Na początku będzie wyglądać na rozgrzany do czerwoności. Po dalszym ogrzewaniu zacznie świecić na biało, wszystkimi częstotliwościami światła widzialnego. Tak zaprojektowane są tradycyjne żarówki i dlatego też są takie nieekonomiczne. 95% światła, które emitują jest dla nas niewidoczne. Jest zmarnowane jako ciepło. Promieniowanie podczerwone Ziemi ulatywałoby w kosmos, gdyby w naszej atmosferze nie było cząsteczek gazów cieplarnianych. Tak jak tlen woli ciemnoczerwone fotony, dwutlenkowi węgla i innym gazom cieplarnianym pasują fotony podczerwone. Zapewniają odpowiednią ilość energii, żeby przenieść cząsteczki gazu na wyższe poziomy energii. Krótko po tym, jak cząsteczka dwutlenku węgla wchłonie podczerwony foton, wróci na swój poprzedni poziom energii i wyrzuci ten foton w losowym kierunku. Część tej energii wraca wtedy na powierzchnię Ziemi, ogrzewając ją. Im więcej dwutlenku węgla w atmosferze, tym bardziej prawdopodobne, że podczerwone fotony wylądują z powrotem na Ziemi i zmienią nasz klimat.