Cơ học lượng tử giải thích sự nóng lên toàn cầu như thế nào - Lieven Scheire

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.