Zapewne słyszeliście,
że dwutlenek węgla ogrzewa Ziemię,
ale jak to działa?
Jak szklarnia
czy też jak koc izotermiczny?
Niezupełnie.
Odpowiedź zawiera odrobinę
mechaniki kwantowej, ale bez obaw,
zaczniemy od tęczy.
Przyglądając się światłu słonecznemu
rozszczepionemu przez pryzmat,
można zobaczyć luki, z których zniknęły pasma koloru.
Gdzie się podziały?
Przed dotarciem do naszych oczu
różne gazy wchłonęły
te części spektrum światła.
Tlen, na przykład, przechwycił
część ciemnoczerwonego światła,
a sód - dwa pasma żółtego.
Ale dlaczego te gazy wchłaniają
różne kolory światła?
Tu wkraczamy do sfery kwantowej.
Każdy atom i cząsteczka ma określoną liczbę
możliwych poziomów energetycznych dla swoich elektronów.
Żeby przenieść elektrony
z poziomu podstawowego na wyższy,
cząsteczka musi uzyskać pewną ilość energii.
Dokładnie określoną.
Dostaje tę energię ze światła,
które ma więcej poziomów energii, niż można policzyć.
Światło składa się z małych cząsteczek zwanych fotonami,
a ilość energii w każdym fotonie
odpowiada jego kolorowi.
Światło czerwone ma niższą energię i większe długości fal.
Światło fioletowe ma wyższą energię i krótsze długości fal.
Światło słoneczne zawiera wszystkie fotony tęczy,
więc cząsteczka gazu może wybrać fotony,
które niosą odpowiednią ilość energii
potrzebnej cząsteczce
do zmiany poziomu energii.
Kiedy nastąpi takie sparowanie,
foton znika, ponieważ cząsteczka
zyskuje jego energię,
i w tęczy powstaje drobna luka.
Jeśli foton niesie za dużo lub za mało energii,
cząsteczka musi mu pozwolić
przelecieć obok.
Dlatego właśnie szkło jest przezroczyste.
Atomy w szkle nie pasują
do poziomów energii widzialnego światła,
więc fotony przez nie przelatują.
Jakie fotony odpowiadają dwutlenkowi węgla?
Gdzie jest ten czarny pasek w tęczy,
który wyjaśnia globalne ocieplenie?
Nie ma go tam.
Dwutlenek węgla nie wchłania światła
bezpośrednio od słońca.
Wchłania światło
od zupełnie innego ciała niebieskiego,
takiego, które sprawia wrażenie, jakby w ogóle go nie emitowało:
Ziemi.
Może zastanawiacie się, dlaczego nasza planeta
nie świeci się?
Dlatego że Ziemia nie emituje światła widzialnego.
Emituje światło podczerwone.
Światło, które nasze oczy mogą zobaczyć,
w tym wszystkie kolory tęczy,
to tylko mała część większego spektrum
promieniowania elektromagnetycznego,
do którego zaliczają się fale radiowe, mikrofale,
podczerwień, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie
i promieniowanie gamma.
Może to dziwne, że myślimy o nich jako o świetle,
ale zasadniczo nie ma żadnej różnicy
między światłem widzialnym a innym elektromagnetycznym promieniowaniem.
To ta sama energia,
tyle że na wyższym albo niższym poziomie.
Właściwie to dosyć aroganckie,
żeby definiować światło widzialne naszymi ograniczeniami.
W końcu światło podczerwone jest widzialne dla węży,
a światło ultrafioletowe - dla ptaków.
Gdyby nasze oczy widziały światło
o częstotliwości 1900 megaherców,
to telefon komórkowy byłby latarką,
a wieża telefonii komórkowej
wyglądałaby jak wielka latarnia.
Ziemia emituje światło podczerwone,
ponieważ każdy przedmiot z temperaturą
powyżej zera absolutnego emituje światło.
Nazywa się to promieniowaniem cieplnym.
Im gorętszy staje się obiekt,
tym wyższa częstotliwość światła, które emituje.
Gdyby podgrzać kawałek żelaza,
to będzie on emitować coraz wyższą częstotliwość podczerwieni,
aż przy temperaturze 450 stopni Celsjusza
jego światło osiągnie spektrum światła widzialnego.
Na początku będzie wyglądać na rozgrzany do czerwoności.
Po dalszym ogrzewaniu
zacznie świecić na biało,
wszystkimi częstotliwościami światła widzialnego.
Tak zaprojektowane są
tradycyjne żarówki
i dlatego też są takie nieekonomiczne.
95% światła, które emitują jest dla nas niewidoczne.
Jest zmarnowane jako ciepło.
Promieniowanie podczerwone Ziemi ulatywałoby w kosmos,
gdyby w naszej atmosferze
nie było cząsteczek gazów cieplarnianych.
Tak jak tlen woli ciemnoczerwone fotony,
dwutlenkowi węgla i innym gazom cieplarnianym
pasują fotony podczerwone.
Zapewniają odpowiednią ilość energii,
żeby przenieść cząsteczki gazu na wyższe poziomy energii.
Krótko po tym, jak cząsteczka dwutlenku węgla
wchłonie podczerwony foton,
wróci na swój poprzedni poziom energii
i wyrzuci ten foton w losowym kierunku.
Część tej energii wraca wtedy
na powierzchnię Ziemi,
ogrzewając ją.
Im więcej dwutlenku węgla w atmosferze,
tym bardziej prawdopodobne, że podczerwone fotony
wylądują z powrotem na Ziemi
i zmienią nasz klimat.