ربّما سمعتم أنّ
ثاني أكسيد الكربون يرفع درجة حرارة الأرض،
لكن كيف يحدث ذلك؟
أهو مثل زجاج الدفيئة،
أو مثل بطانية عازلة؟
حسنا، ليس تمامًا.
تشمل الإجابة القليل
من ميكانيكا الكم، لكن لا تقلقوا،
سوف نبدأ من قوس قزح.
إذا نظرتم عن قرب إلى ضوء الشمس المنقسم
من خلال موشور،
فسوف ترون فجوات معتمة تفتقد شرائط من الألوان.
أين ذهبت؟
قبل وصولها إلى أعينكم،
امتصت غازات مختلفة تلك
الأجزاء المحددة من ألوان الطيف.
على سبيل المثال، انتزع غازالأكسجين
بعض الضوء الأحمر الداكن،
كما انتزع الصوديوم شريطين من اللون الأصفر.
لكن لماذا تمتص هذه الغازات
ألوانًا محددة من الضوء؟
هنا ندخل المجال الكمومي.
لكلّ ذرة وجزيء عدد محدد
من مستويات الطاقة الممكنة لإلكتروناتها.
ومن أجل رفع طاقة الإلكترونات من المستوى الأدنى
إلى مستويات أعلى،
يحتاج الجزيء إلى اكتساب مقدار معيّن من الطاقة.
لا أكثر ولا أقل.
فيحصل على الطاقة من الضوء،
الذي يأتي بمستويات طاقة أكثر مما يمكن إحصاؤه.
يتكوّن الضوء من جُسيمات صغيرة تسمى الفوتونات
ومقدار الطاقة الموجودة في كلّ فوتون
يتوافق مع لونه.
فالضوء الأحمر منخفض الطاقة وموجته طويلة.
أمّا الضوء البنفسجي فهو عالي الطاقة وقصير الموجة.
يوفّر ضوء الشمس جميع فوتونات قوس قزح،
فيستطيع جزيء الغاز أن يختار
الفوتونات التي تحمل الكمية المناسبة من الطاقة
اللازمة لرفع الجزيء إلى
مستوى طاقته التالي.
وعندما يحدث هذا التطابق،
يختفي الفوتون بينما
يحصل الجزيء على طاقته،
ويصبح لدينا فراغ صغير في قوس قزح.
وإذا كان الفوتون يحمل كمّية أكثر أو أقل من الطاقة المطلوبة،
فلا يكون للجزيء خيار سوى
تركه يمر.
هذا هو سبب شفافية الزجاج.
إذ لا تقترن ذرات الزجاج جيدًا
مع أي من مستويات الطاقة الموجودة في الضوء المرئي،
فتمرّ الفوتونات من خلاله.
ما هي إذًا الفوتونات التي يفضّلها ثاني أكسيد الكربون؟
أين يوجد الخط الأسود في قوس قزح
الذي يفسّر الاحتباس الحراري العالمي؟
حسنٌ، إنّه غير موجود.
لا يمتص ثاني أكسيد الكربون الضوء مباشرةً
من الشمس.
بل يمتصّه من
جرم سماوي مختلف كليًّا.
جرمٌ لا يبدو أنّه ينبعث منه أيّ ضوء:
كوكب الأرض.
إن كنتم تتساءلون
لم لا يبدو أنّ كوكبنا يتوهّج،
ذلك لأنّ الأرض لا ينبعث منها ضوء مرئي.
بل ينبعث ضوء تحت الأحمر.
الضوء الذي يمكن لأعيننا رؤيته،
بما في ذلك جميع ألوان قوس قزح،
هو مجرّد جزء صغير من طيف أكبر
من الإشعاعات الكهرومغناطيسية،
التي تشمل أمواج الراديو، والأمواج الميكروية،
وتحت الحمراء، وفوق البنفسجية، والأشعة السينية،
وأشعة غاما.
ربما يبدو من الغريب التفكير في تلك الأشياء على أنّها ضوء،
إلاّ أنّه لا يوجد اختلاف جوهري
بين الضوء المرئي والإشعاعات الكهرومغناطيسية الأخرى.
فالطاقة هي ذاتها،
لكن في مستوى أعلى أو أدنى.
في الواقع، إنّ من الغطرسة تعريف
مصطلح الضوء المرئي بناءً على محدوديتنا.
ففي نهاية المطاف، الضوء دون الأحمر مرئي بالنسبة للأفاعي،
والضوء فوق البنفسجي مرئي بالنسبة للطيور.
ولو تكيّفت أعيننا على رؤية الضوء
بتردد 1900 ميغاهيرتز، فإنّ الهاتف الخلوي
سوف يصبح ضوء كشافا،
وسوف تبدو الأبراج الخلوية
مثل مصابيح ضخمة.
تنبعث من الأرض الأشعة تحت الحمراء
لأنّ الضوء ينبعث من كلّ جسمٍ له حرارة
فوق الصفر المطلق.
وهذا ما يسمى بالإشعاع الحراري.
كلما ارتفعت حرارة الجسم،
ارتفع تردد الضوء المنبعث منه.
عندما تقومون بتسخين قطعة من الحديد،
ينبعث منها المزيد من ترددات الضوء تحت الأحمر،
وعند بلوغها حوالي 450 درجة مئوية،
يصل ضوءها إلى الطيف المرئي.
تبدو في البداية ساخنة لدرجة الاحمرار.
وعند ازدياد التسخين،
تتوهج باللون الأبيض
فتنبعث منها جميع ترددات الضوء المرئي.
هذه هي الطريقة التي صُممت
لتعمل بها المصابيح التقليدية
وهي السبب في أنّها كثيرة الهدر.
فـ 95 بالمئة من الضوء الذي تصدره غير مرئي لأعيننا.
ويضيع على شكل حرارة.
تنطلق الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الأرض في الفضاء
إذا لم تتوفر جزيئات غاز الدفيئة
في غلافنا الجوي.
ومثلما يفضّل غاز الأكسجين الفوتونات الحمراء الداكنة،
فإنّ ثاني أكسيد الكربون وغازات الدفيئة الأخرى
تفضّل الفوتونات تحت الحمراء.
فهي توفّر كمية الطاقة المناسبة
لنقل جزيئات الغاز إلى مستوى طاقتها الأعلى.
وبعد وقت قصير من امتصاص جزيئات ثاني أكسيد الكربون
للفوتونات تحت الحمراء،
تعود إلى مستوى طاقتها السابق،
وتلفظ الفوتونات باتجاه عشوائي.
ثم يعود جزء من تلك الطاقة
إلى سطح الأرض،
ما يتسبب بارتفاع درجة الحرارة.
وكلّما ازداد ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي،
زاد احتمال أن تعود الفوتونات تحت الحمراء
وتحط على الأرض
فيتغير بذلك مناخنا.