Як квантова фізика пояснює глобальне потепління

Глобальне потепління — поступове підвищення температури поверхні Землі, що пов'язується з парниковим ефектом і призводить до зміни клімату у глобальних масштабах.

Увага: Через позицію правовласника щодо вмісту дане відео українською було видалене з Ютуб каналу "Цікава наука". Ви зможете знайти його на Толоці.

Вам, ймовірно, доводилося чути, що діоксид вуглецю, або вуглекислий газ, нагріває Землю.
Але, як саме це відбувається?
Чи можна порівняти це з парником, або з теплоізоляційним покриттям?
Не зовсім.
Відповідь містить трохи квантової фізики.
Але не турбуйтеся — це не складно.
Почнімо з веселки.
Якщо ви уважно поглянете на розкладене в спектр сонячне світло, то побачите темні проміжки, або смуги де відсутнє світло.
Куди ж воно поділося?
Перш ніж потрапити до ваших очей, різні гази поглинули світло певних ділянок спектру.
Наприклад, кисень поглинув окремі частинки червоної ділянки, а натрій — дві смуги в жовтій.
Але чому ці гази поглинають світло лише певного кольору?
Ось тут нам і потрібна квантова фізика.
Кожен атом і молекула має певну кількість можливих енергетичних рівнів для своїх електронів.
Щоб перемістити електрони з основного рівня на вищий, молекула повинна отримати цілком певну кількість енергії, не більше і не менше.
Вона отримує цю енергію від світла, яке переносить різні порції енергії, або кванти.
Світло — це по суті потік елементарних частинок — фотонів.
Величина енергії окремого фотона визначає його колір.
Червоне світло має меншу енергію і більшу довжину хвилі.
Фіолетове ж більшу енергію хвилю меншої довжини.
Сонячне світло — це потік фотонів усіх кольорів, тому для молекул газу в атмосфері знайдуться фотони, що переносять саме таку енергію, яка необхідна для переведення цих молекул на вищий енергетичний рівень.
Коли молекула поглинає такий фотон, він зникає, віддавши свою енергію, і ми бачимо невелику прогалину в нашому спектрі.
Якщо фотон несе забагато або замало енергії, молекула не зможе його поглинути, тож він пролітає повз.
Саме тому скло є прозорим.
Атоми скла не можуть поглинути фотони з енергіями, що відповідають видимому світлу, тому ці фотони й проходять крізь скло.
Отже, яким фотонам віддає перевагу діоксид вуглецю?
Де та темна смуга в нашій веселці, що пояснює глобальне потепління?
Власне, вона не у веселці.
Вуглекислий газ не поглинає світло безпосередньо від Сонця.
Він вловлює світло зовсім від іншого космічного об’єкта, який, начебто, не випромінює жодного світла.
Цей об’єкт — Земля.
Вас це може здивувати, адже Земля не світиться.
Так, вона не випромінює видимого світла, але випромінює інфрачервоне.
Світло, що сприймається нашим оком, включаючи всі кольори веселки, це лише мала частка спектру електромагнітного випромінювання, який також містить радіохвилі, мікрохвильове, інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське і гамма-випромінювання.
Це може здаватися дивним, але немає жодної принципової різниці між видимим світлом і рештою електромагнітного випромінювання.
Це та ж сама енергія, але більшої чи меншої величини.
Насправді це трохи самовпевнено — визначати видиме світло нашими власними обмеженнями.
Змії, наприклад, можуть бачити інфрачервоне випромінювання, а птахи — ультрафіолетове.
Якби наші очі були здатні сприймати світло з частотою 1900 мегагерц, то мобільний телефон був би ліхтариком, а вежа стільникового зв’язку величезним ліхтарем.
Земля випромінює в інфрачервоному діапазоні, тому що будь-який об’єкт з температурою вище абсолютного нуля обов’язково випромінює.
Це випромінювання називають тепловим.
Чим гарячіший стає об’єкт, тим вищою стає частота випромінюваного ним світла.
Якщо нагрівати залізо, воно випромінюватиме все більш високі частоти інфрачервоного світла.
А потім, при температурі приблизно 450 градусів за Цельсієм, випромінювання перейде у видиму частину спектру.
Спочатку розпечене залізо буде червоним, а з підвищенням температури білим, тобто з усіма частотами видимого світла.
Так працюють звичайні електричні лампи розжарення, саме тому вони такі неекономні.
95% їхнього випромінювання невидимі для наших очей.
Це фактично втрати у вигляді тепла.
Інфрачервоне випромінювання Землі покинуло б планету, якби не було молекул парникових газів у нашій атмосфері.
Подібно до кисню, що вибірково поглинає фотони червоного кольору, діоксид вуглецю та інші парникові гази уловлюють інфрачервоні фотони, адже енергія цих фотонів саме така, яка потрібна для переведення молекул цих газів на вищі енергетичні рівні.
Молекула діоксиду вуглецю, поглинувши інфрачервоний фотон, майже одразу повертається на основний енергетичний рівень, випромінюючи фотон у випадковому напрямку.
Деяка частина цієї енергії повертається на поверхню Землі, викликаючи потепління.
Чим більше вуглекислого газу в атмосфері, тим частіше інфрачервоні фотони повертатимуться на Землю, змінюючи наш клімат.