RW Space

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.