Вам, вероятно, доводилось слышать,
что углекислый газ разогревает Землю —
но как именно это работает?
Как стекло в теплице,
или как слой теплоизоляции?
Не совсем.
Ответ содержит немного квантовой механики.
Но не беспокойтесь,
мы начнём с радуги.
Если взглянуть на солнечный свет,
расщеплённый призмой,
то на месте пропавших цветных полосок можно увидеть тёмные полосы.
Куда же подевались цвета?
Пока свет добирался до ваших глаз,
разные газы поглотили
некоторые части спектра.
Например, кислород поглотил
часть тёмно-красного света,
а натрий — две полосы жёлтого.
Но почему же эти газы поглощают
свет определённого цвета?
Вот тут нам пригодится квантовая механика.
Каждый атом и молекула обладает заданным числом
возможных энергетических уровней для своих электронов.
Чтобы переместить электроны
с основного уровня на уровень выше,
молекуле нужно получить определённое количество энергии.
Ни больше, ни меньше.
Молекула получает эту энергию от света, который обладает
таким количеством энергетических уровней, что и сосчитать невозможно.
Свет состоит из крошечных частиц — фотонов.
Количество энергии в каждом фотоне
определяет его цвет.
У красного цвета энергии меньше и волны длиннее.
У пурпурного — энергии больше, а волны короче.
Солнечный свет содержит фотоны всех цветов радуги,
поэтому молекулы газа находят фотоны,
несущие точный заряд энергии,
необходимый им для сдвига электронов
на следующий энергетический уровень.
Когда молекула находит подходящий фотон,
этот фотон исчезает,
поскольку его энергия переходит к молекуле,
а мы видим пробел в цветовом спектре.
Если фотон несёт слишком много или мало энергии,
молекуле остаётся только
пропустить его.
Именно поэтому стекло прозрачное.
Атомы стекла не улавливают фотоны
с энергетическими уровнями видимого светового спектра,
поэтому фотоны проходят сквозь стекло.
Итак, какие же фотоны предпочитает углекислый газ?
Где та тёмная полоса в нашей радуге,
объясняющая глобальное потепление?
Её там нет.
Углекислый газ не поглощает
свет от Солнца.
Он улавливает свет от совершенно
другого небесного тела,
которое вроде и не излучает никакого света —
от Земли.
Если вы не видели,
чтобы Земля светилась,
то это потому, что она не излучает видимый свет.
Земля излучает инфракрасный свет.
Свет, видимый нашему глазу,
включая все цвета радуги —
это лишь малая часть большего спектра
электромагнитного излучения,
который также содержит радиоволны,
микроволновое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение,
рентгеновские и гамма-лучи.
Кажется странной мысль о том, что всё это свет,
но фундаментальной разницы
между видимым светом и другим электромагнитным излучением нет.
Это та же энергия,
но на более высоком или низком уровне.
На самом деле, довольно самонадеянно
ограничивать видимый свет нашими возможностями.
Змеи, например, видят инфракрасный свет,
а птицы — ультрафиолетовый.
Если бы наши глаза могли видеть свет
с частотой 1900 МГц,
то мобильный телефон стал бы фонариком,
а вышка сотовой связи —
огромным маяком.
Земля испускает инфракрасное излучение,
поскольку любой объект с температурой
выше абсолютного нуля излучает свет.
Это называют тепловым излучением.
Чем горячее становится объект,
тем выше частота излучаемого им света.
Если нагреть железо, оно станет излучать
всё более высокие частоты инфракрасного света,
а затем, при температуре около 450 градусов Цельсия,
излучаемый свет перейдёт в видимый нами спектр.
Сначала железо будет раскалено докрасна,
а с повышением температуры
засияет белым,
со всеми частотами видимого света.
Так устроены традиционные
электрические лампы,
и именно поэтому они такие неэкономичные.
95% испускаемого ими света не видимо для наших глаз.
Это тепловые потери.
Инфракрасное излучение Земли улетело бы в космос,
если бы не молекулы парникового газа
в нашей атмосфере.
Так же как кислород предпочитает фотоны тёмно-красного цвета,
углекислый газ и прочие парниковые газы
улавливают инфракрасные фотоны.
Такие фотоны содержат количество энергии, необходимое
для сдвига молекул газа на высшие энергетические уровни.
Молекула углекислого газа,
поглотив инфракрасный фотон,
почти сразу возвращается к исходному энергетическому уровню
и выбрасывает фотон в случайном направлении.
Некоторая часть этой энергии
возвращается на поверхность Земли,
вызывая потепление.
Чем больше углекислого газа в атмосфере,
тем чаще инфракрасные фотоны
будут возвращаться на Землю,
изменяя наш климат.