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.
Karbondioksitin Dünya'yı ısıtttığını büyük olasılıkla duymuşsunuzdur; peki bu nasıl oluyor? Seraların dışındaki camlar gibi mi ya da yalıtımlı battaniyeler gibi mi? Aslında pek değil. Yanıt birazcık kuantum mekaniği ile ilgili ama endişelenmeyin; gökkuşağından başlayacağız. Prizmadan ayrılan güneş ışığına yakından bakarsanız, renk şeritlerinin olmadığı karanlık aralıklar görürsünüz. Renkler nerededir peki? Gözümüze ulaşmadan önce, tayfın bu belirli bölgeleri çeşitli gazlar tarafından soğurulmuş olur. Örneğin, oksijen gazı koyu kırmızı ışığın birazını kapmış olur. Sodyum ise iki sarı şerit yakalamıştır. Peki ama bu gazlar neden belirli renkte ışığı soğuruyorlar? İşte kuantum dünyasına bu noktada giriyoruz. Her atom ve molekülün elektronları bir dizi izinli enerji seviyeleri sayısına sahiptir. Elektronlarının taban durumundan daha yüksek bir seviyeye çıkması için, molekülün belli bir miktar enerji kazanması gerekir. Ne daha az, ne daha çok. Bu enerjiyi ışıktan alır, ki ışığın sayabileceğinizden çok daha fazla enerji seviyesi bulunur. Işık, foton adı verilen minik parçacıklardan oluşur ve her bir fotondaki enerji onun rengini belirler. Kırmızı ışık daha düşük enerjili ve uzun dalgaboyludur. Mor ışık daha yüksek enerjili ve kısa dalgaboyludur. Güneş ışığında, gökkuşağının tüm fotonları bulunur; dolayısıyla bir gaz molekülü, kendisini bir üst enerji seviyesine taşıyacak enerji miktarını tam olarak taşıyan fotonları seçebilir. Bu eşleşme gerçekleştiğinde, molekül enerji kazanırken foton kaybolur. Böylece gökkuşağımızda küçük bir aralık oluşur. Eğer bir foton çok fazla ya da çok az enerji taşıyorsa, molekül onun geçip gitmesine izin vermekten başka bir şey yapamaz. Camın şeffaf olma nedeni budur. Camdaki atomlar, görünür ışıkta bulunan enerji seviyelerinden hiçbiri ile eşleşme sağlayamadığından, fotonlar geçip gider. Peki karbondioksit hangi fotonları tercih eder? Küresel ısınmayı açıklayan siyah çizgi gökkuşağımızın neresinde? Aslında orada değil. Karbon dioksit Güneş'ten gelen ışığı doğrudan soğurmaz. Tamamen farklı bir göksel cisimden gelen ışığı soğurur. Hiç de ışık yayıyor gibi görünmeyen birinden: Dünya'dan. Gezegenimizin neden parıldamadığını merak ediyorsanız, nedeni Dünya'nın görünür ışık yaymamasıdır. Kızılötesi ışık yayar. Gözümüzün görebildiği ışık, gökkuşağındaki tüm renkler dahil, radyo dalgalarını, mikrodalgaları, kızılötesini, morötesini, x-ışınlarını ve gama ışınlarını da içeren elektromanyetik ışınımın geniş tayfının çok küçük bir bölümünü oluşturur. Bunları ışık olarak düşünmek garip gelebilir, ancak görünür ışıkla diğer elektromanyetik ışınımlar arasında temelde hiç bir fark yoktur. Hepsi aynı enerjidir, sadece seviyesi daha yüksek veya daha düşüktür. İşin aslı, görünür ışığı kendi sınırlarımıza göre adlandırışımız biraz küstahçadır. Sonuçta kızılötesi ışık yılanlar için görünürdür. Morötesi ışık da kuşlar için görünürdür. Eğer gözlerimiz 1900 megahertz ışığı görebilseydi, cep telefonunu fener olarak kullanabilirdik ve baz istasyonları bizim için dev fenerler gibi olurdu. Dünya kızılötesi ışınım yayar çünkü mutlak sıfırın üzerindeki herhangi bir sıcaklığa sahip olan tüm nesneler yayar. Buna "termal ışınım" adı verilir. Nesne ne kadar sıcaksa, yaydığı ışığın frekansı o kadar yüksek olur. Bir demir parçasını ısıttığınızda, giderek daha yüksek frekansta kızılötesi ışık yayar. Böylece, yaklaşık 450 derece civarında bir sıcaklıkta, ışığı görünür tayfa erişir. İlk önce ateş kızılı görünür. Daha fazla ısındıkça, görünür ışığın tüm frekanslarını yayarak beyaza dönmeye başlar. Geleneksel ampuller işte bu şekilde çalışmak için tasarlanmıştır ve bu büyük savurganlıktır. Yaydıkları ışığın %95'i gözlerimize görünmez. Isı olarak harcanır gider. Dünya'nın kızılötesi ışıması, eğer atmosferde sera etkisi yapan gaz molekülleri olmasaydı uzaya doğru kaçardı. Tıpkı oksijen gazının koyu kırmızı fotonları tercih etmesi gibi, karbon dioksit ve diğer sera gazları da kızılötesi fotonlarla eşleşir. Çünkü o fotonlar, bu gaz moleküllerinin enerji seviyelerini yükseltmelerini sağlayacak miktarda enerji taşır. Bir karbondioksit molekülü bir kızılötesi foton soğurduktan kısa süre sonra, eski enerji seviyesine tekrar düşerken rastgele doğrultuda bir foton salar. Bu enerjinin bir bölümü Dünya yüzeyine geri dönerek ısınmaya yol açar. Atmosferde ne kadar çok karbondioksit olursa, kızılötesi fotonların Dünya'ya geri gelme ve iklimimizi değiştirme olasılığı o kadar artar.