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.
Probabil ai auzit că dioxidul de carbon încălzește Pământul, dar cum funcționează? E ca geamul unei sere sau ca o pătură izolatoare? Ei bine, nu în totalitate. Răspunsul implică puțină mecanică cuantică, dar nu îți face griji, vom începe cu un curcubeu. Dacă te uiți cu atenție la lumina ce trece printr-o prismă vei vedea zone negre în care benzile colorate lipsesc. Unde s-au dus? Până să ajungă la noi, diferite gaze au absorbit acele părți specifice din spectru. De exemplu, oxigenul a luat puțin din lumina roșie, iar sodiul s-a extins pe două benzi de galben. Dar de ce aceste gaze absorb culori specifice ale luminii? Aici intrăm pe tărâmul mecanicii cuantice. Fiecare atom sau moleculă are un număr de nivele de energie posibile pentru electronii săi Pentru a trece electronii de pe nivelul fundamental pe unul superior, o moleculă trebuie să câștige o anumită cantitate de energie. Nici mai mult, nici mai puțin. Își ia acea energie de la lumină, ce poate să aibă nenumărate nivele de energie. Lumina constă în particule mici numite fotoni, iar energia fiecărui foton corespunde culorii sale. Lumina roșie are energie mai mică și lungime de undă mai mare. Lumina violet are energie mai mare și lungime de undă mai mică. Lumina solară oferă toți fotonii curcubeului, deci o moleculă de gaz poate alege fotonii care poartă acea cantitate de energie necesară pentru a trece molecula pe nivelul de energie superior. Când potrivirea are loc fotonul dispare, în timp ce molecula îi preia energia, iar noi vom vedea o banda neagră în curcubeu. Dacă un foton are prea multă sau prea puțină energie, molecula nu are de ales decât să-l lase să treacă. De aceea sticla este transparentă. Atomii din sticlă nu se potrivesc cu nivelele de energie ale luminii vizibile, astfel că fotonii trec prin ei. Deci, ce fotoni preferă dioxidul de carbon? Unde este banda neagră din spectru ce explică încălzirea globală? Păi, nu este acolo. Dioxidul de carbon nu absoarbe lumina direct de la Soare. O absoarbe de la un alt corp ceresc. Unul care nu pare să emită lumină deloc: Pământul. Dacă te întrebi de ce planeta noastră nu pare că strălucește, este pentru că Pământul nu emite lumină vizibilă. Emite raze în infraroșu. Lumina pe care o putem vedea incluzând toate culorile curcubeului, e doar o mică parte dintr-un spectru mai larg al radiației electromagnetice, ce include undele radio, microundele, infraroșul, ultravioletele, razele X și razele gamma. Poate părea ciudat să le consideri tot lumină, dar nu e nicio diferență majoră între lumina vizibilă și alte radiații electromagnetice. E aceeași energie, dar pe un nivel superior sau inferior. De fapt, e arogant să definim termenul ca lumină vizibilă după limitările noastre. Până la urmă, IR este vizibilă șerpilor și UV e vizibilă păsărilor. Dacă ochii noștri s-ar fi adaptat să vadă lumina de 1900 MHz, atunci un telefon mobil ar fi o lanternă iar un turn de telefonie ar fi ca un felinar. Pământul emite IR pentru că orice obiect cu temperatura peste zero absolut emite lumină. Asta se numește radiație termică. Cu cât mai fierbinte devine obiectul, cu atât mai mare frecvența luminii emise. Când încălzești o bucată de fier, va emite din ce în ce mai multe frecvențe IR, și apoi, la o temperatură de aproximativ 450 C, lumina va ajunge vizibilă. La început, lumina va fi roșie. Apoi, cu și mai multă căldură, va străluci alb cu toate frecvențele luminii vizibile. Așa au fost becurile clasice proiectate să funcționeze și de ce sunt atât de ineficiente. 95% din lumina emisă este invizibilă ochilor noștri. E irosită sub formă de căldură. Radiația IR a Pământului s-ar disipa în spațiu dacă nu ar fi gaze cu efect de seră în atmosfera noastră. Așa cum oxigenul preferă fotonii roșii, dioxidul de carbon și alte gaze cu efect de seră se potrivesc cu fotonii IR. Aceștia oferă cantitatea de energie pentru a trece moleculele de gaz pe nivelul de energie superior. La scurt timp după ce o moleculă de dioxid de carbon absoarbe un foton în IR, va reveni la nivelul de energie inițial, și va emite un foton în direcție aleatorie. O parte din acea energie se va reîntoarce pe suprafața Pământului, înducând încălzire. Cu cât mai mult dioxid de carbon e în atmosferă, cu atât mai probabil acei fotoni IR vor reveni pe Pământ și ne vor modifica clima.