Godine 1856., američka naučnica koju je historija gotovo zaboravila, Eunice Foote, otkrila je izvanrednu sposobnost male, prozirne molekule, ugljičnog dioksida, da apsorbira toplinu.
Iz jednostavnog eksperimenta ispravno je zaključila da bi atmosfera koja sadrži CO 2 "našoj Zemlji dala višu temperaturu" – opisujući pokretačku silu globalnog zagrijavanja i pružajući molekularni mehanizam ranijim razmišljanjima o tome što održava toplinu našeg planeta.
Sada, više od 160 godina kasnije, naučnici su shvatili da priča ima nešto više. Razlog zašto je CO2 tako dobar u zadržavanju topline u biti se svodi na način na koji molekula od tri atoma vibrira dok apsorbira infracrveno zračenje Sunca.
"Nevjerovatno je", pišu planetarni naučnik sa Univerziteta Harvard Robin Wordsworth i njegove kolege u svom novom preprintu, "da je očigledno slučajna kvantna rezonancija u inače običnoj molekuli od tri atoma imala tako velik utjecaj na klimu našeg planeta tokom geološkog vremena, i također će pomoći u određivanju njegovog budućeg zagrijavanja uslijed ljudske aktivnosti."
Kada ih pogode dolazne zrake svjetlosti na određenim valnim dužinama, molekule CO2 ne lelujaju samo kao jedna fiksna jedinica kao što biste očekivali. Umjesto toga, molekule CO 2 – koje se sastoje od jednog atoma ugljika okruženog dva kisikovima – savijaju se i istežu na određene načine.
Kao što možete vidjeti na donjem dijagramu, dva atoma kisika mogu se istegnuti prema van, a središnji atom ugljika može, ali i ne mora slijediti, ili se atom ugljika može okretati oko glavne osi molekule, savijajući je.
Slučajno poravnanje u dva od ovih vibracijskih uzoraka stvara vrstu kvantnog zujanja u molekulama CO2 koje se naziva Fermijeva rezonancija, što može potaknuti molekule da jače vibriraju.
Zauzvrat, ovo proširuje raspon zračenja koje apsorbira CO2, kao što je Wordsworth objasnio u intervjuu s Alexom Wilkinsom iz New Scientista. "To je proširenje ono što je stvarno ključno za razumijevanje zašto je ugljični dioksid važan staklenički plin", rekao je.
Fermijevu rezonanciju možete zamisliti kao njihalo sastavljeno od dva utega spojena na istu nit: dok se njišu, rade na povećanju amplitude kretanja jedan drugoga.
Druge su studije nedavno procijenile da Fermijeva rezonancija CO2 doprinosi otprilike polovici njegovog ukupnog učinka zagrijavanja, inače poznatog kao prisilno zračenje.
No, počevši od temeljnih svojstava CO2, Wordsworth i kolege opisali su interakcije između vibracijskih stanja molekule i dodatne topline koju naknadno hvata koristeći niz jednadžbi koje spajaju molekularnu spektroskopiju (apsorpcijske obrasce molekula) i klimatsku fiziku.
"Ovaj ishod pruža daljnje dokaze, ako su takvi dokazi potrebni, o čvrstim temeljima fizike globalnog zatopljenja i klimatskih promjena", pišu Wordsworth i kolege u svom pretisku, koji je objavljen na arXiv prije recenzije.
Osim pružanja jednostavnog objašnjenja kako CO2 zagrijava Zemlju, tim kaže da bi njihove jednadžbe mogle pomoći naučnicima u brzim procjenama potencijala zagrijavanja različitih mješavina stakleničkih plinova otkrivenih u atmosferama drugih planeta, kako bi razumjeli njihove strane klime.
"Ovo bi mogao biti osobito koristan način povećanja intuicije i pružanja provjere realnosti rezultata složenih klimatskih modela", predlažu istraživači.
Međutim, njihovi izračuni ne uključuju nikakvo preklapanje CO2 s drugim stakleničkim plinovima koji zadržavaju toplinu, kao što je metan ili radijacijske učinke oblaka, koji također reflektiraju sunčevu svjetlost, tako da će možda trebati dodatna podešavanja.
Kako sada stoji, rad tima usađuje novo uvažavanje malenog, prozirnog CO2 – kobne molekule o kojoj ovise naši životi.
"Može se zamisliti da bi s manjim razlikama u kvantnoj strukturi CO 2 ova rezonanca mogla biti promijenjena ili inhibirana, a prošla i buduća evolucija klime našeg planeta bile bi vrlo različite", zaključuju istraživači.
Studija je prihvaćena za objavljivanje u nadolazećem izdanju časopisa The Planetary Science Journal. Do tada, možete pročitati verziju preprinta na arXiv.org.
