Physicists Pinpoint the Quantum Origin of the Greenhouse Effect
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二氧化碳强大的吸热效应已被追溯到其量子结构的一个奇特之处。这一发现可能比任何计算机模型都能更好地解释气候变化。 文章《物理学家精确定位了温室效应的量子起源》最早出现在Quanta Magazine上</context> <raw_text>0 欢迎收听Quantascience播客。每一期节目,我们都会为您带来关于科学和数学发展的故事。我是苏珊·瓦莱特。二氧化碳强大的吸热效应已被追溯到其量子结构的一个奇特之处。这一发现可能比任何计算机模型都能更好地解释气候变化。接下来就是这个话题。

这是《为什么的快乐》的第三季,我仍然有很多疑问。比如,我们所说的时间是什么?利他主义为什么存在?珍娜·莱文在哪里?我在这里,我是天体物理学家兼联合主持人,随时准备应对任何挑战。没错,我带来了A级团队。所以请做好准备,准备好学习吧。我是珍娜·莱文。我是史蒂夫·斯特罗加茨。这是......量子杂志的播客,《为什么的快乐》。每隔周四都会发布新剧集。

1896年,瑞典物理学家斯万特·阿伦尼乌斯意识到二氧化碳(CO2)会捕获地球大气中的热量。这种现象现在被称为温室效应。

从那时起,越来越复杂的现代气候模型已经证实了阿伦尼乌斯的核心结论:每次大气中CO2浓度翻倍,地球温度就会上升2到5摄氏度。然而,CO2之所以如此运作的物理原因,直到最近才成为一个谜。

首先,在2022年,物理学家解决了一个关于温室效应对数标度起源的争论。这是指地球温度对CO2的任何翻倍都会以相同的幅度增加,无论原始数字是多少。

然后,在2024年春季,哈佛大学罗宾·沃兹沃思领导的一个团队弄清楚了为什么CO2分子如此擅长捕获热量。其动机是......

虽然气候变化的物理学没有问题,我们都知道它是真实的。自20世纪60年代以来,模型就展示了它的运作方式。因此,进行这种分析推导的想法并不是要取代这样的模型。而是能够向人们,特别是其他领域的人们解释一切是如何联系在一起的。令人惊讶的是,虽然所有部分都已到位,我认为至少从20世纪70年代开始,

没有人真正尝试过这样做。沃兹沃思和他的研究人员确定了该分子量子结构的一个奇怪特征,这解释了为什么它是一种如此强大的温室气体,以及为什么向天空排放更多碳会导致气候变化。这些发现发表在《行星科学杂志》上。

牛津大学的大气物理学家雷蒙德·皮埃尔·翁贝尔特没有参与这项研究,他称这是一篇非常好的论文。他说,这是对所有那些说全球变暖只是计算机模型的结果的人的一个很好的回答。相反,全球变暖与涉及CO2两种不同摆动方式的数字巧合有关。皮埃尔·翁贝尔特说,如果不是因为这个意外,很多事情都会不一样。

阿伦尼乌斯如何在量子力学甚至还没有被发现之前就理解温室效应的基本原理呢?它始于约瑟夫·傅里叶。他是法国数学家和物理学家,200年前他意识到地球的大气层使地球免受太空寒冷的侵袭。这一发现开启了气候科学领域。

然后,在1856年,美国人尤尼斯·富特观察到二氧化碳特别擅长吸收辐射。接下来,爱尔兰物理学家约翰·廷德尔测量了CO2吸收的红外光量。这显示了阿伦尼乌斯随后利用关于地球的基本知识量化的效应。

地球以红外光的形式辐射热量。温室效应的要点是,一些光线不会直接逃逸到太空,而是会撞击大气中的CO2分子。

一个分子吸收光线,然后重新发射。然后另一个分子也这样做。有时光线会返回地表。有时它会射向太空,使地球稍微凉爽一些,但只有在经过一条崎岖不平的路径到达大气层寒冷的上层之后才会这样。

阿伦尼乌斯使用与当今气候科学家使用的相同数学方法的粗略版本,得出结论,增加CO2会使地球表面变暖。这就像在你的墙壁上增加隔热层,以保持你的房子在冬天更暖和一样。来自你炉子的热量以相同的速率进入,但它逃逸的速度更慢。

然而,几年后,瑞典物理学家克努特·埃格斯特朗发表了一篇反驳文章。他认为CO2分子只吸收特定波长的红外辐射,即15微米。大气中已经存在足够的这种气体来捕获地球发射的100%的15微米光线。因此,增加CO2不会有任何作用。

加州大学伯克利分校的气候物理学家戴维·罗姆斯说。埃格斯特朗所说的话中有一部分是正确的,那就是在CO2强烈吸收的地方,当CO2浓度增加时,它对气候的影响是一阶的,没有影响。这个说法是正确的。这意味着有一些地方,CO2,无论是波长、波数还是频率,

CO2目前没有强烈吸收,但随着浓度的增加会变得强烈吸收。事实上,总有一些波数、波线、CO2的频率在等待着变得“强烈吸收”。

随着浓度的增加。因此,埃格斯特朗忽略的是CO2可以吸收略短于或长于15微米的波长,尽管吸收率较低。这种光在其到达太空的旅程中被捕获的次数较少。但如果二氧化碳的含量翻倍,捕获率就会发生变化。现在光线在逃逸之前必须躲避两倍的分子,并且它往往会在途中被吸收更多次。

它从大气层较高、较冷的层逃逸出来,因此热量的流出速度减慢到涓涓细流。正是对这些接近15微米波长的吸收增强,才导致了我们气候的变化。尽管存在错误,但埃格斯特朗的论文对阿伦尼乌斯的理论提出了足够的质疑,以至于对气候变化的讨论在半个世纪里或多或少地离开了主流。

即使在今天,气候变化共识的怀疑者有时也会引用埃格斯特朗错误的碳饱和论点。与早期相比,现代气候科学时代主要通过捕捉我们混乱、变化的大气层许多复杂和混沌方面的计算模型向前发展。对一些人来说,这使得结论难以理解。

纳德尔·吉万吉是美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的大气物理学家。在我的时间里,我和许多持怀疑态度的物理学家谈过话,包括普林斯顿大学的各位,他们其中一个反对意见是,哦,你们只是运行计算机模型,然后你们从这个黑盒计算中获取答案,你们并不深入理解它,而且,你们知道,我不确定为什么你们相信它。我觉得如果我们能够在黑板上再现计算机模型获得的相同数字的10-15%,

这只是向世界其他地方,向持怀疑态度的物理学家和工程师证明,我们了解我们的工作,并且模型是值得信赖的。所以我认为这就是你想要这种集中的分析理解的另一个原因。不能在黑板上向某人解释为什么我们会得到我们得到的数字,这有点令人不满意。

而无法做到这一点意味着我们并不真正理解哪些是关键变量。吉万吉和像他这样的人已经开始建立对CO2浓度对气候影响的更简单的理解。一个关键问题是温室效应对数标度的起源,即模型预测的每次CO2翻倍都会导致2到5摄氏度的温度上升。

一种理论认为,这种标度来自温度随高度下降的速度。但在2022年,一个研究小组使用一个简单的模型证明,对数标度来自二氧化碳吸收光谱的形状。这就是它的吸收光的能力如何随光的波长而变化。

这可以追溯到那些略长于或短于15微米的波长。一个关键细节是,二氧化碳在吸收这些波长的光方面较差,但并非差太多。吸收在15微米峰值的任一侧下降的速度恰好足以产生对数标度。

气候物理学家戴维·罗姆斯是2022年论文的共同作者。光谱的形状至关重要。如果你改变它,你就不会得到对数标度。碳光谱的形状是不寻常的。大多数气体吸收的波长范围要窄得多。我脑子里一直有的问题,也是要问人们的问题,为什么它会有波长?

这种形状。我不知道,我没有得到答案。沃兹沃思和他的合著者雅各布·西利和凯斯·谢恩转向量子力学来寻找答案。光是由称为光子的能量包组成的。像CO2这样的分子只能在能量包具有恰好足够的能量将分子提升到不同的量子力学状态时才能吸收它们。

二氧化碳通常处于其基态,其中三个原子形成一条线,碳原子位于中心,与其他原子等距。该分子也有激发态,其中其原子起伏或摆动。15微米光的能量包包含使碳原子围绕中心点旋转,进行一种呼啦圈运动所需的精确能量。

气候科学家长期以来一直将这种呼啦圈状态归咎于温室效应,但是,正如埃格斯特朗所预料的那样,这种效应需要非常精确的能量。这就是沃兹沃思和他的团队发现的。呼啦圈状态无法解释远离15微米的光子的吸收率相对缓慢的下降,因此它本身无法解释气候变化。

关键在于另一种运动,其中两个氧原子反复地向碳中心靠近和远离,就像拉伸和压缩连接它们的弹簧一样。这种运动需要太多的能量才能被地球的红外光子单独诱导。但作者发现,拉伸运动的能量非常接近呼啦圈运动能量的两倍,以至于这两种运动状态相互混合。

这两种运动的特殊组合存在,需要略多于或略少于呼啦圈运动的精确能量。这种独特的现象被称为费米共振,以著名的物理学家恩里科·费米命名,他在1931年的一篇论文中推导出了它。但它与地球气候的联系直到2023年谢恩和他的学生发表的一篇论文中才首次被发现。

而去年春季的论文首次完全揭示了这一点。以下是沃兹沃思的观点。当我们写下这个方程的项并看到一切都合在一起的时候,感觉非常不可思议,因为这个结果最终直接向我们展示了量子力学是如何与更大的图景联系起来的。当然,这不像

它改变了对气候变化的预测。它只是允许我们以不需要大型计算机模型参与的方式来解释事情。如果你像我一样喜欢做理论,能够做到这一点会让人感觉非常满意。沃兹沃思说,在某种程度上,计算帮助我们比任何计算机模型都能更好地理解气候变化。能够在一个我们不

可以从基本原理中展示一切来自哪里。伦敦帝国理工学院的大气物理学家兼名誉教授乔安娜·海格对此表示赞同。

海格说,这篇论文增加了气候变化论据的说服力。气候变化否认者会说诸如,“哦,二氧化碳在大气中的浓度只有万分之一。它怎么可能做任何事情呢?”所以你会想出这个辐射光谱来证明它可以。但是在这里......

现在将这与辐射强迫联系起来是基于基本的量子力学概念和已建立的物理学,因此否认者不能说CO2不会导致全球变暖。

因为它已经被很好地证实了它可以,并且通过这种关系也是如此。2024年,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的全球监测实验室报告称,大气中CO2的浓度已从工业化前的280ppm上升到2023年的创纪录高点419.3ppm,到目前为止已导致估计1摄氏度的变暖。

阿琳·桑塔纳帮助制作了这一集。我是苏珊·瓦莱特。有关此故事的更多信息,请阅读约瑟夫·豪利特的完整文章《物理学家精确定位了温室效应的量子起源》,网址为quantummagazine.org。在量子书籍《爱丽丝和鲍勃遇到火墙》中探索科学奥秘,该书由麻省理工学院出版社出版。现在可在amazon.com、barnesandnoble.com或您当地的书店购买。