В 1856 году почти забытая в истории американская учёная Юнис Фут обнаружила необычайную способность крошечной прозрачной молекулы углекислого газа поглощать тепло. Из простого эксперимента она сделала правильный вывод, что атмосфера, содержащая CO 2, «придаст нашей Земле более высокую температуру», описывая движущую силу глобального потепления и обеспечивая молекулярный механизм для более ранних размышлений о том, что сохраняет нашу планету теплой.
Теперь, более 160 лет спустя, ученые поняли, что в этой истории есть нечто большее. Причина, по которой CO 2 так хорошо удерживает тепло, по сути, сводится к тому, как вибрирует трехатомная молекула, поглощая инфракрасное излучение Солнца.
«Примечательно, что очевидно случайный квантовый резонанс в обычной трехатомной молекуле оказал такое большое влияние на климат нашей планеты в течение геологического времени, и также поможет определить будущее потепление из-за деятельности человека», — пишут планетолог из Гарвардского университета Робин Вордсворт и его коллеги в своей статье, принятой к публикации в The Planetary Science Journal и пока доступном на arXiv.org.
При попадании входящих лучей света определенной длины молекулы CO 2 не просто колеблются как одна фиксированная единица, как можно было бы ожидать. Скорее, молекулы CO 2, состоящие из одного атома углерода и двух атомов кислорода, изгибаются и растягиваются определенным образом.
Как вы можете видеть на диаграмме ниже, два атома кислорода могут вытягиваться наружу, а центральный атом углерода может следовать за ними, а может и не следовать, или атом углерода может вращаться вокруг главной оси молекулы, изгибая ее.
Случайное совпадение двух из этих колебательных паттернов создает в молекулах CO 2 тип квантового шума, называемый резонансом Ферми, который может заставить молекулы вибрировать сильнее.
В свою очередь, это расширяет диапазон радиации, поглощаемой CO 2. «Именно это расширение действительно имеет решающее значение для понимания того, почему углекислый газ является важным парниковым газом», — пояснили ученые.
О резонансе Ферми можно думать как о маятнике, состоящем из двух гирь, подсоединенных к одной и той же струне: качаясь, они увеличивают амплитуду движения друг друга.
Другие исследования недавно подсчитали, что резонанс Ферми CO 2 составляет около половины его общего эффекта потепления, также известного как радиационное воздействие.
Но, начав с фундаментальных свойств CO 2, Вордсворт и его коллеги описали взаимодействие между колебательными состояниями молекулы и дополнительным теплом, которое она впоследствии улавливает, используя ряд уравнений, сочетающих молекулярную спектроскопию (характеристики поглощения молекул) и физику климата.
«Этот результат предоставляет дополнительные доказательства, если такие доказательства были необходимы, прочного фундамента физики глобального потепления и изменения климата», — пишут Вордсворт и его коллеги.
Помимо простого объяснения того, как CO 2 нагревает Землю, команда утверждает, что их уравнения могут также помочь ученым быстро оценить потенциал потепления различных смесей парниковых газов, обнаруженных в атмосферах других планет, чтобы понять их чужой климат. .
«Это может быть особенно полезным способом развития интуиции и проверки реальности результатов сложных климатических моделей», — предполагают исследователи.
Однако их расчеты не включают в себя какое-либо перекрытие CO 2 с другими парниковыми газами, удерживающими тепло, такими как метан, или радиационное воздействие облаков, которые также отражают солнечный свет, поэтому им, возможно, потребуется дополнительная корректировка.
В нынешнем виде работа команды прививает новое понимание крохотного прозрачного CO2 – роковой молекулы, от которой зависит наша жизнь.
«Можно представить, что при небольших различиях в квантовой структуре CO 2 этот резонанс может быть изменен или подавлен, и прошлая и будущая эволюция климата нашей планеты будет сильно отличаться», — заключают исследователи.
