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.
คุณอาจเคยได้ยินว่า คาร์บอนไดออกไซด์กำลังทำให้โลกอุ่นขึ้น แต่มันทำได้อย่างไรกัน มันเหมือนกับแก้วของเรือนกระจก หรือเหมือนผ้าห่มที่เป็นฉนวนหรือเปล่า ก็ไม่อย่างนั้นสักทีเดียว คำตอบนั้นเกี่ยวข้องกับ กลศาสตร์ควอนตัมนิดหน่อย แต่ไม่ต้องห่วง เราจะเริ่มจากรุ้ง ถ้าคุณพิจารณาดีๆ แสงอาทิตย์ที่ถูกแยก ผ่านแท่งปริซึม คุณจะเห็นช่องมืดที่แถบสีต่างๆ หายไป พวกมันหายไปไหน ก่อนที่จะมาถึงตาของเรา ก๊าซต่างๆ ดูดซับ บางส่วนของแถบสีเหล่านั้น ยกตัวอย่างเช่น ออกซิเจน ดูดซับ แสงสีแดงเข้มบางส่วน และโซเดียมจับสีเหลือง 2 เฉดสี แต่ทำไมก๊าซเหล่านี้ ถึงดูดซับ สีของแสงที่จำเพาะ นี่เป็นตอนที่เราจะเข้าสู่แดนควอนตัม ทุกอะตอมและโมเลกุลมีระดับพลังงานตายตัว ที่เป็นไปได้หลายระดับ สำหรับอิเล็กตรอนของมัน เพื่อที่จะย้ายอิเล็กตรอนของมันจากสถานะพื้น ไปยังระดับที่สูงกว่า โมเลกุลต้องการเพิ่มพลังงานในปริมาณหนึ่ง ไม่มากไม่น้อยไปกว่านั้น มันได้พลังงานจากแสง ซึ่งมาในหลากหลายระดับพลังงานมากกว่าที่คุณจะนับได้ แสงประกอบไปด้วยอนุภาคเล็กๆ ที่เรียกว่า โฟตอน และปริมาณของพลังงานในแต่ละโฟตอน เชื่อมโยงกับสีของมัน แสงสีแดงมีพลังงานต่ำ และช่วงคลื่นที่ยาวกว่า แสดงสีม่วงมีพลังงานที่สูงและมีช่วงคลื่นที่สั้นกว่า แสงแดดให้โฟตอนสำหรับทุกย่านสีของรุ้ง ดังนั้น โมเลกุลของก๊าซสามารถเลือก โฟตอนที่มีระดับพลังงานในปริมาณที่ต้องการ เพื่อที่จะย้ายโมเลกุลไปยัง อีกระดับพลังงาน เมื่อการจับคู่นี้เกิดขึ้นแล้ว โฟตอนหายไปเมื่อโมเลกุล ได้พลังงาน และเราก็จะเห็นแถบสีที่หายไปในรุ้ง ถ้าโฟตอนมีพลังงานมากหรือน้อยเกินไป โมเลกุลก็ไม่มีทางเลือก เว้นแต่ จะให้มันบินผ่านไป นั่นเป็นเหตุว่าทำไม แก้วจึงโปร่งใส อะตอมในแก้วไม่ได้เข้าคู่กันดีนัก กับพลังงานระดับใดๆ ในแสงสีที่เห็นได้ ดังนั้นโฟตอนจึงผ่านทะลุไป แล้ว โฟตอนไหนล่ะ ที่คาร์บอนไดออกไซด์ชอบ ตรงไหนที่เป็นเส้นดำในรุ้งของเรา ที่อธิบายปรากฏการณ์โลกร้อน มันไม่ได้อยู่ตรงนั้น คาร์บอนไดออกไซด์ ไม่ได้ดูดซับแสงโดยตรง จากดวงอาทิตย์ มันดูดซับแสงจาก สิ่งที่อยู่บนฟากฟ้าที่ต่างออกไปอย่างสิ้นเชิง สิ่งนั้นไม่เปล่งแสงใดๆ เลย มันคือ โลก ถ้าคุณสงสัยว่าทำไมโลกของเรา ถึงไม่เห็นจะเรืองแสง มันเป็นเพราะว่าโลกไม่ได้เปล่งแสงที่มองเห็นได้ มันเปล่งแสงอินฟราเรด (infared light) แสงที่ตาเราสามารถมองเห็นได้ ที่รวมถึงทุกสีของรุ้ง เป็นแค่ส่วนน้อยของแถบสีส่วนใหญ่ ของการปลดปล่อยแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งรวมถึงคลื่อนวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ แสงอินฟราเรด รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอ็กซ์ และรังสีแกมม่า มันอาจจะประหลาดที่จะคิดว่าสิ่งเหล่านี้เป็นแสง แต่มันไม่มีพื้นฐานใดที่ต่างกัน ระหว่างแสงที่เห็นได้และการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า มันเป็นพลังงานเดียวกัน แต่ที่ระดับที่สูงกว่าหรือต่ำกว่า ที่จริงแล้ว มันค่อนข้างจะอวดดีซักหน่อย ที่จะกำหนด คำว่าแสงที่เห็นด้วยตาเปล่า โดยข้อจำกัดของเรา อย่างไรก็ตาม งูมองเห็นแสงใต้แดงได้ และนกมองเห็นแสงเหนือม่วงได้ ถ้าตาของคุณถูกพัฒนาขึ้นมาเพื่อมองแสง ความถี่ 1900 เมกะเฮิร์ซ โทรศัพท์มือถือ ก็คงจะเป็นเหมือนไฟฉาก และหอส่งสัญญาณโทรศัพท์ ก็คงดูเหมือนโคมไฟขนาดใหญ่ โลกเปล่งรังสีอินฟราเรด เพราะทุกๆ วัตถุที่มีอุณหภูมิ สูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ จะเปล่งแสง มันเรียกว่า การปล่อยรังสีอุณหภูมิ วัตถุที่ร้อนกว่า เปล่งแสงที่มีความถึ่มากกว่า เมื่อคุณทำให้เหล็กกล้าร้อน มันจะเปล่งแสงที่มีความถึ่ของแสงใต้แดงมากกว่า และจากนั้น ที่อุณหภูมิประมาณ 450 องศาเซลเซียส แสงของมันจะไปถึงช่วงแถบสีที่มองเห็นได้ ตอนแรก มันจะดูเหมือนสีแดงร้อน และเมื่อได้รับความร้อนมากขึ้น มันจะเรืองแสงสีขาว ที่มีความถี่ทั้งหมดในช่วงที่มองเห็นได้ นี่เป็นแบบที่หลอดไฟดั้งเดิม ถูกออกแบบให้ทำงาน และทำไมพวกมันจึงสิ้นเปลืองนัก 95% ของแสงที่มันเปล่งออกมา มองเห็นไม่ได้ด้วยตาเปล่า มันสิ้นเปลืองไปในรูปความร้อน รังสีอินฟราเรดของโลกอาจหนีออกไปยังอวกาศ ถ้าไม่มีโมเลกุลก๊าซเรือนกระจก ในชั้นบรรยายกาศของเรา เช่นเดียวกับก๊าซออกซิเจนที่ชอบโฟตอนสีแดงเข้ม คาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซเรือนกระจกอื่นๆ เข้ากันได้กับโฟตอนใต้แดง พวกมันให้พลังงานในปริมาณที่กำลังดี เพื่อที่จะย้ายโมเลกุลของก๊าซไปยังระดับที่สูงขึ้น ไม่นานหลังจากโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์ ดูดซับโฟตอนใต้แดง มันจะตกกลับลงมายังระดับพลังงานก่อนหน้านั้น และปล่อยโฟตอนกลับออกมาในทิศทางอย่างสุ่ม พลังงานบางส่วนจะกลับไปสู่ พื้นผิวของโลก ทำให้เกิดความร้อนมากขึ้น ยิ่งมีคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศมากเท่าไร ยิ่งเป็นไปได้มากที่โฟตอนอินฟราเรด จะตกลงมาบนโลก และเปลี่ยนสภาวะอากาศของเรา