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.
Hẳn bạn đã từng nghe CO2 đang gây nóng lên Trái Đất nhưng bằng cách nào? Nó giống như tấm kính trong nhà kính hay như một tấm chăn bao trùm? Ồ, không hoàn toàn vậy. Câu trả lời cần một chút kiến thức về cơ học lượng tử, nhưng đừng lo lắng, chúng ta sẽ bắt đầu với 1 cầu vồng. Nếu bạn quan sát kỹ một tia sáng tách biệt qua một lăng kính, bạn sẽ thấy những đoạn tối mà một số dải màu thiếu sót. Vậy chúng đi đâu? Trước khi tới được mắt chúng ta, những khí khác đã hấp thụ những phần nhất định của quang phổ. Ví dụ, khí oxy đã "vồ lấy" một vài tia sáng màu đỏ thẫm, còn Natri thì "chộp" 2 dải ánh sáng vàng. Nhưng tại sao những khí này hấp thụ những màu nhất định của ánh sáng? Đây là lúc chúng ta bước vào lĩnh vực lượng tử Mỗi nguyên tử và phân tử có 1 số cố định về mức thế năng cho electron của nó. Để chuyển electron của nó từ mức cơ bản lên mức năng lượng cao hơn, 1 phân tử cần đạt 1 lượng năng lượng nhất định. Không hơn, không kém. Nó nhận năng lượng từ ánh sáng, cái mang đến nhiều mức năng lượng hơn bạn có thể đếm được. Ánh sáng bao gồm những phần tử vô cùng nhỏ gọi là photon và lượng năng lượng trong mỗi photon tương ứng với màu sắc của nó. Ánh sáng đỏ có năng lượng thấp hơn và bước sóng dài hơn. Màu đỏ tía thì có năng lượng cao hơn và bước sóng ngắn hơn. Ánh sáng mặt trời cung cấp tất cả photon của dải cầu vồng, vì vậy 1 phân tử khí có thể chọn những photon mang chính xác lượng năng lượng cần để chuyển phân tử lên mức năng lượng kế tiếp. Khi điều này xảy ra, photon biến mất trong khi phân tử nhận được năng lượng của nó, và chúng ta nhận được 1 đoạn khuyết nhỏ trong dải cầu vồng Nếu 1 photon mang quá nhiều hoặc quá ít năng lượng, phân tử không chọn được mà phải cho chúng xuyên qua. Đây là lý do tại sao thủy tinh trong suốt. Các nguyên tử trong thủy tinh không hợp với bất kỳ mức năng lượng nào trong ánh sáng nhìn thấy, vì thế photon xuyên qua được. Vậy, photon nào mà CO2 ưa thích? Dải ánh sáng tối trong cầu vồng giải thích sự nóng lên toàn cầu nằm ở đâu? Vâng, nó không có ở đó. CO2 không hấp thụ trực tiếp ánh sáng từ Mặt trời. Nó hấp thụ ánh sáng từ 1 vật thể hoàn toàn khác ngoài vũ trụ. Nó không xuất hiện để phát ra ánh sáng nào cả: Trái Đất. Nếu bạn băn khoăn tại sao hành tinh của chúng ta dường như không phát sáng, đó là bởi vì Trái Đất không phát ra ánh sáng nhìn thấy. Nó phát ánh sáng hồng ngoại. Ánh sáng mà mắt con người có thể thấy, bao gồm tất cả ánh sáng của dải cầu vồng, chỉ là 1 phần nhỏ của dải quang phổ lớn trong bức xạ sóng điện từ, chúng bao gồm sóng âm, sóng siêu âm, tia hồng ngoại, tia cực tím, tia X, và tia gamma. Nó có vẻ hơi lạ với suy nghĩ về những điều như ánh sáng nhưng không có sự khác biệt cơ bản nào giữa ánh sáng nhìn thấy và các bức xạ điện từ khác. Chúng cùng 1 loại năng lượng, nhưng chỉ là ở mức cao hơn hay thấp hơn mà thôi. Thực tế, có 1 chút quá tự tin khi định nghĩa thuật ngữ ánh sáng nhìn thấy bởi giới hạn của chính chúng ta. Thật ra, rắn nhìn thấy ánh sáng hồng ngoại, cũng như chim nhìn thấy tia cực tím. Nếu mắt bạn thích ứng để thấy ánh sáng 1900MHz, thì 1 chiếc điện thoại di động sẽ là 1 chiếc đèn nháy, và 1 trạm thu phát sóng di động sẽ giống như 1 chiếc đèn trời khổng lồ vậy. Trái Đất phát ra bức xạ hồng ngoại bởi vì mỗi vật thể có nhiệt độ trên độ 0 tuyệt đối đều phát ra ánh sáng. Đây được gọi là bức xạ nhiệt. Vật thể càng nóng, tần số ánh sáng nó phát ra càng lớn. Khi bạn nung nóng 1 mẩu sắt, nó sẽ phát xạ tia hồng ngoại có tần số càng lớn hơn, và rồi, ở nhiệt độ khoảng 450 độ C, ánh sáng của nó sẽ chạm vùng quang phổ nhìn thấy. Đầu tiên, nó sẽ trông như màu đỏ rực. Và càng nhiều nhiệt, nó sẽ sáng dần với tất cả tần số của ánh sáng nhìn thấy. Đây là nguyên lý đèn sợi đốt truyền thống được thiết kế để hoạt động và tại sao chúng quá lãng phí. 95% ánh sáng chúng phát ra không nhìn thấy bởi mắt ta. Nó đã lãng phí về nhiệt. Bức xạ hồng ngoại của Trái Đất sẽ thoát ra ngoài không gian nếu không có các phân tử khí nhà kính trong khí quyển. Như khí oxy ưa thích loại photon đỏ thẫm, CO2 và các khí nhà kính khác phù hợp với các photon hồng ngoại. Chúng cung cấp đúng lượng năng lượng để chuyển các phân tử khí lên mức năng lượng cao hơn. 1 thời gian ngắn sau khi 1 phân tử CO2 hấp thụ 1 photon hồng ngoại, nó sẽ rơi xuống mức năng lượng trước đó của nó, và sinh ra 1 photon trở lại theo hướng bất kỳ. Một số năng lượng đó quay trở lại bề mặt Trái Đất, gây nóng lên. Càng nhiều CO2 trong khí quyển, càng nhiều các photon hồng ngoại đó sẽ rơi trở lại Trái Đất và thay đổi khí hậu của chúng ta.