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.
Provavelmente, já ouviram dizer que o dióxido de carbono está a aquecer a Terra. Mas, como é que isso funciona? É como o vidro duma estufa ou como um cobertor de isolamento? Bom, não propriamente. A resposta envolve um pouco de mecânica quântica, mas não se preocupem, vamos começar com um arco-íris. Se olharem com atenção para a luz solar separada através de um prisma, verão intervalos escuros onde faltam faixas de cor. Para onde é que elas foram? Antes de chegarem aos nossos olhos, partes específicas do espetro foram absorvidas por diversos gases. Por exemplo, o oxigénio confiscou parte da luz vermelho escuro. O sódio apoderou-se de duas faixas da amarela. Porque é que estes gases absorvem cores específicas de luz? É aqui que entramos no reino da mecânica quântica. Cada átomo e cada molécula tem um determinado número de níveis de energia possível para os seus eletrões. Para mudar esses eletrões do nível de base para um nível mais alto, uma molécula precisa de ganhar uma certa quantidade de energia. Nem mais, nem menos. Obtém essa energia da luz, o que se traduz em mais níveis de energia do que podemos contar. A luz é formada por partículas minúsculas, chamadas fotões e a quantidade de energia em cada fotão corresponde à sua cor. A luz vermelha tem energia mais baixa e um comprimento de onda maior. A luz violeta tem energia mais alta e um comprimento de onda menor. A luz solar oferece todos os fotões do arco-íris, por isso uma molécula de gás pode escolher os fotões que carregam a quantidade exata de energia de que a molécula necessita para passar ao nível de energia seguinte. Quando se dá esse encontro, o fotão desaparece enquanto a molécula ganha a energia dele e temos um pequeno intervalo no arco-íris. Se um fotão transporta demasiada energia ou energia a menos, a molécula não tem outra hipótese senão a de o deixar passar. É por isso que o vidro é transparente. Os átomos do vidro não emparelham bem com qualquer dos níveis de energia da luz visível, por isso todos os fotões passam por ele. Então, quais são os fotões que o dióxido de carbono prefere? Onde está a linha preta no arco-íris que explica o aquecimento global? Bom, isso não aparece. O dióxido de carbono não absorve a luz diretamente do Sol. Absorve a luz a partir de um corpo celeste totalmente diferente, um corpo que parece não emitir nenhuma luz: a Terra. Se não percebem porque é que a Terra parece que não brilha é porque a Terra não emite luz visível. Emite luz infravermelha. A luz que os nossos olhos veem, incluindo todas as cores do arco-íris, são só uma pequena parte do espetro maior das radiações eletromagnéticas que incluem as ondas rádio, as micro-ondas, os infravermelhos, os ultravioletas, os raios X e os raios gama. Pode parecer estranho pensar nestas coisas como luz, mas não há diferença fundamental entre a luz visível e as outras radiações eletromagnéticas. É a mesma energia, mas a um nível mais alto ou mais baixo. Com efeito, é um pouco presunçoso definir o termo luz visível segundo as nossas limitações. Afinal, as cobras conseguem ver as luzes infravermelhas e as aves conseguem ver a luz ultravioleta, Se os nossos olhos estivessem adaptados para ver a luz de 1900 megahertz, um telemóvel seria uma lanterna e uma torre de telemóveis pareceria um enorme farol. A Terra emite radiações infravermelhos porque todos os objetos com uma temperatura, acima do zero absoluto, emitem luz. Chamamos-lhe radiações térmicas. Quanto mais quente estiver um objeto, maior é a frequência da luz que emite. Quando aquecemos um pedaço de ferro, ele emitirá frequências cada vez maiores de luz infravermelha e depois, a uma temperatura aproximada de 450º Celsius, essa luz atingirá o espetro visível. A princípio, parecerá vermelho em brasa. Com mais calor ainda, começará a parecer branca com todas as frequências da luz visível. É assim que foram concebidas as lâmpadas elétricas tradicionais e é por isso que são tão perdulárias. 95% da luz que emitem é invisível aos nossos olhos. É desperdiçada enquanto calor. As radiações infravermelhas da Terra escapar-se-iam para o espaço se não houvesse gases com efeito de estufa na nossa atmosfera. Tal como o oxigénio prefere os fotões de vermelho escuro, o dióxido de carbono e outros gases com efeito de estufa emparelham com fotões infravermelhos que fornecem a quantidade exata de energia para mudar as moléculas desses gases para um nível de energia mais alta. Pouco depois de uma molécula de dióxido de carbono absorver um fotão infravermelho, cairá para o nível de energia anterior, e devolve um fotão numa direção qualquer. Alguma dessa energia regressa à superfície da Terra, causando o aquecimento. Quanto mais dióxido de carbono exista na atmosfera, mais provável é que os fotões infravermelhos regressem à Terra e alterem o nosso clima.