Квантовый феномен объясняет огромное влияние крошечных молекул на глобальное потепление
В 1856 году Юнис Фут, почти забытая историей американская учёная, открыла необычайную способность крошечной прозрачной молекулы углекислого газа поглощать тепло.
Из простого эксперимента она сделала правильный вывод. что атмосфера, содержащая CO2, «придаст нашей Земле более высокую температуру» — это описывает движущую силу глобального потепления и обеспечивает молекулярный механизм для более ранних размышлений о том, что сохраняет тепло на нашей планете.
Теперь, более 160 лет спустя, ученые поняли, что за этой историей стоит нечто большее. Причина, по которой CO2 так хорошо удерживает тепло, по сути, сводится к тому, как вибрирует трехатомная молекула, поглощая инфракрасное излучение Солнца.
«Это замечательно. Планетолог из Гарвардского университета Робин Вордсворт и его коллеги пишут в своем новом препринте, что очевидно случайный квантовый резонанс в обычной трехатомной молекуле оказал такое большое влияние на климат нашей планеты в течение геологического времени, а также поможет определить его будущее потепление из-за человеческой деятельности».
При попадании входящих лучей света определенной длины молекулы CO2 не просто покачиваются как одна фиксированная единица, как вы могли бы ожидать. Скорее, молекулы CO2, состоящие из одного атома углерода, окруженного двумя атомами 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 ним, а может и не следовать, либо атом углерода может вращаться вокруг главной оси молекулы, изгибая ее.
Случайное совпадение двух из этих колебательных паттернов создает тип квантового шума в молекулах CO2, называемый резонансом Ферми. , что может заставить молекулы сильнее вибрировать.
В свою очередь, это расширяет диапазон излучения, поглощаемого CO2, как объяснил Вордсворт в интервью New Ученый Алекс Уилкинс. «Именно это расширение действительно имеет решающее значение для понимания того, почему углекислый газ является важным парниковым газом», — сказал он.
Вы можно представить себе резонанс Ферми как маятник, состоящий из двух гирь, соединенных на одной струне: покачиваясь, они увеличивают амплитуду движения друг друга.
Другие исследования недавно показали, что резонанс Ферми CO2 вносит около половины общего эффекта потепления, также известного как радиационное воздействие.
Но, начав с фундаментальных свойств CO2, Вордсворт и его коллеги описали взаимодействия между молекулами колебательные состояния и дополнительное тепло, которое оно впоследствии улавливает, используя ряд уравнений, сочетающих молекулярную спектроскопию (характеристики поглощения молекул) и физику климата.
«Этот результат дает дополнительные доказательства, если такие доказательства были необходимы, прочный фундамент физики глобального потепления и изменения климата», — пишут Вордсворт и его коллеги в своем препринте, который был опубликован arXiv перед рецензированием.
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 развить интуицию и обеспечить проверку реальности результатов сложных климатических моделей», — предполагают исследователи.
Однако их расчеты не включают любое совпадение CO2 с другими удерживающими тепло парниковыми газами, такими как метан, или радиационное воздействие облаков, которые также отражают солнечный свет, поэтому может потребоваться дополнительная настройка.
В нынешнем виде работа команды прививает новое понимание крошечного прозрачного CO2 – роковой молекулы, от которой зависит наша жизнь.
«Можно представить это с небольшими различиями в квантовой структуре CO 2, этот резонанс может быть изменен или подавлен, а прошлая и будущая эволюция климата нашей планеты будет совершенно разной», — заключают исследователи.
Исследование принято к публикации в журнале предстоящий выпуск Журнала планетарной науки. А пока вы можете прочитать препринтную версию на arXiv.org.
