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.
Você já deve ter ouvido dizer que o dióxido de carbono está aquecendo a Terra. Como isso funciona? É como o vidro de uma estufa ou como um cobertor? Não é bem assim. A resposta envolve um pouco de mecânica quântica, mas não se preocupe. Começaremos com um arco-íris. Se examinar atentamente a luz separada por um prisma, verá faixas escuras nas quais faltam cores. Para onde elas foram? Antes de chegar aos nossos olhos, vários gases absorveram essas partes específicas do espectro. Por exemplo, o oxigênio capturou parte da luz vermelha escura e o sódio reteve duas bandas de amarelo. Por que esses gases absorvem cores específicas de luz? É aqui que entramos no reino quântico. Todo átomo e molécula tem um conjunto de números de níveis de energia possíveis para seus elétrons. Para levar seus elétrons do estado normal para um nível mais elevado, a molécula precisa ganhar uma certa quantidade de energia. Nem mais, nem menos. Ela retira essa energia da luz, que é dotada de incontáveis níveis de energia. A luz consiste de minúsculas partículas chamadas fótons e a quantidade de energia de cada fóton corresponde à sua cor. A luz vermelha tem menor energia e comprimento de onda maior. A luz violeta tem maior energia e menor comprimento de onda. A luz do Sol oferece todos os fótons do arco-íris e assim uma molécula de gás pode escolher os fótons que contêm a quantidade exata de energia necessária para levar a molécula ao seu nível de energia seguinte. Quando há essa coincidência, o fóton desaparece quando a molécula ganha essa energia, e aparece uma pequena falha no arco-íris. Se um fóton contiver muita ou pouca energia, a molécula nada pode fazer e o deixa passar. É por isso que o vidro é transparente. Os átomos do vidro não têm afinidade com nenhum dos níveis de energia da luz visível e assim os fótons o atravessam. Quais fótons o dióxido de carbono prefere? Qual é a linha escura do arco-íriis que explica o aquecimento global? Ela não está ali. O dióxido de carbono não absorve luz diretamente do Sol. Ele absorve a luz de um corpo celeste totalmente diferente, um que parece não emitir luz alguma: a Terra. Se você se perguntar por que nosso planeta parece não brilhar, é porque a Terra não emite luz visível. Ela emite luz infravermelha. A luz que podemos ver, inclusive todas as cores do arco-íris, é só uma pequena parte de um espectro mais amplo da radiação eletromagnética. que inclui as ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, ultravioleta, raios-x e raios gama. Pode parecer estranho chamar essas coisas de luz, mas não há diferença fundamental entre a luz visível e as outras radiações eletromagnéticas. É a mesma energia, mas em um nível maior ou menor. Somos um pouco presunçosos por definir o termo "luz visível" em função de nossas limitações. Afinal, a luz infravermelha é visível para as serpentes, e a luz ultravioleta é visível para os pássaros. Se pudéssemos ver a luz de 1.900 megahertz, então um telefone celular seria uma lanterna e uma torre de telefone celular pareceria um enorme farol. A Terra emite luz infravermelha porque todo objeto com temperatura acima do zero absoluto emite luz. Isso é chamado de radiação térmica. Quanto mais quente um objeto, maior será a frequência da luz que ele emite. Quando se aquece um pedaço de ferro, ele emitirá cada vez mais frequências de luz infravermelha e, então, a cerca de 450 graus Celsius, sua luz alcançará o espectro visível. No começo, parecerá rubro. E com mais calor ainda, será um branco incandescente, que conterá todas as frequências da luz visível. As lâmpadas incandescestes foram projetadas para funcionar assim e, por isso, desperdiçam muita energia. 95% da luz que emitem é invisível para nós. É desperdiçada sob a forma de calor. A radiação infravermelha da Terra escaparia para o espaço se não existissem moléculas de gases de efeito estufa em nossa atmosfera. Assim como o gás oxigênio prefere fótons vermelhos escuros, o dióxido de carbono e outros gases com efeito estufa aproveitam fótons do infravermelho. Estes fornecem a quantidade de energia exata para que as moléculas do gás passem a um nível de energia maior. Assim que uma molécula de dióxido de carbono absorve um fóton infravermelho, ela voltará ao seu nível de energia anterior, e disparará um fóton em uma direção ao acaso. Uma parte dessa energia volta à superfície da Terra, provocando aquecimento. Quanto mais dióxido de carbono na atmosfera, maior a probabilidade de esses fótons voltarem à Terra e modificarem nosso clima.