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.
Вам, вероятно, доводилось слышать, что углекислый газ разогревает Землю — но как именно это работает? Как стекло в теплице, или как слой теплоизоляции? Не совсем. Ответ содержит немного квантовой механики. Но не беспокойтесь, мы начнём с радуги. Если взглянуть на солнечный свет, расщеплённый призмой, то на месте пропавших цветных полосок можно увидеть тёмные полосы. Куда же подевались цвета? Пока свет добирался до ваших глаз, разные газы поглотили некоторые части спектра. Например, кислород поглотил часть тёмно-красного света, а натрий — две полосы жёлтого. Но почему же эти газы поглощают свет определённого цвета? Вот тут нам пригодится квантовая механика. Каждый атом и молекула обладает заданным числом возможных энергетических уровней для своих электронов. Чтобы переместить электроны с основного уровня на уровень выше, молекуле нужно получить определённое количество энергии. Ни больше, ни меньше. Молекула получает эту энергию от света, который обладает таким количеством энергетических уровней, что и сосчитать невозможно. Свет состоит из крошечных частиц — фотонов. Количество энергии в каждом фотоне определяет его цвет. У красного цвета энергии меньше и волны длиннее. У пурпурного — энергии больше, а волны короче. Солнечный свет содержит фотоны всех цветов радуги, поэтому молекулы газа находят фотоны, несущие точный заряд энергии, необходимый им для сдвига электронов на следующий энергетический уровень. Когда молекула находит подходящий фотон, этот фотон исчезает, поскольку его энергия переходит к молекуле, а мы видим пробел в цветовом спектре. Если фотон несёт слишком много или мало энергии, молекуле остаётся только пропустить его. Именно поэтому стекло прозрачное. Атомы стекла не улавливают фотоны с энергетическими уровнями видимого светового спектра, поэтому фотоны проходят сквозь стекло. Итак, какие же фотоны предпочитает углекислый газ? Где та тёмная полоса в нашей радуге, объясняющая глобальное потепление? Её там нет. Углекислый газ не поглощает свет от Солнца. Он улавливает свет от совершенно другого небесного тела, которое вроде и не излучает никакого света — от Земли. Если вы не видели, чтобы Земля светилась, то это потому, что она не излучает видимый свет. Земля излучает инфракрасный свет. Свет, видимый нашему глазу, включая все цвета радуги — это лишь малая часть большего спектра электромагнитного излучения, который также содержит радиоволны, микроволновое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, рентгеновские и гамма-лучи. Кажется странной мысль о том, что всё это свет, но фундаментальной разницы между видимым светом и другим электромагнитным излучением нет. Это та же энергия, но на более высоком или низком уровне. На самом деле, довольно самонадеянно ограничивать видимый свет нашими возможностями. Змеи, например, видят инфракрасный свет, а птицы — ультрафиолетовый. Если бы наши глаза могли видеть свет с частотой 1900 МГц, то мобильный телефон стал бы фонариком, а вышка сотовой связи — огромным маяком. Земля испускает инфракрасное излучение, поскольку любой объект с температурой выше абсолютного нуля излучает свет. Это называют тепловым излучением. Чем горячее становится объект, тем выше частота излучаемого им света. Если нагреть железо, оно станет излучать всё более высокие частоты инфракрасного света, а затем, при температуре около 450 градусов Цельсия, излучаемый свет перейдёт в видимый нами спектр. Сначала железо будет раскалено докрасна, а с повышением температуры засияет белым, со всеми частотами видимого света. Так устроены традиционные электрические лампы, и именно поэтому они такие неэкономичные. 95% испускаемого ими света не видимо для наших глаз. Это тепловые потери. Инфракрасное излучение Земли улетело бы в космос, если бы не молекулы парникового газа в нашей атмосфере. Так же как кислород предпочитает фотоны тёмно-красного цвета, углекислый газ и прочие парниковые газы улавливают инфракрасные фотоны. Такие фотоны содержат количество энергии, необходимое для сдвига молекул газа на высшие энергетические уровни. Молекула углекислого газа, поглотив инфракрасный фотон, почти сразу возвращается к исходному энергетическому уровню и выбрасывает фотон в случайном направлении. Некоторая часть этой энергии возвращается на поверхность Земли, вызывая потепление. Чем больше углекислого газа в атмосфере, тем чаще инфракрасные фотоны будут возвращаться на Землю, изменяя наш климат.