Jak rezonans Fermiego wyjaśnia rolę dwutlenku węgla w globalnym ociepleniu

Efekt cieplarniany to zjawisko podwyższania się temperatury powietrza planety w wyniku obecności gazów cieplarnianych[1], do których – poza powszechnie znanym dwutlenkiem węgla – zaliczamy również metan, podtlenek azotu, wodorofluorowęglowodory, perfluorowęglowodory, heksafluorek siarki i trifluorek azotu. Ponieważ związki te mają różny potencjał tworzenia efektu cieplarnianego, ich wpływ jest zwykle przeliczany na ekwiwalent CO₂, aby porównania były miarodajne. Każdy z wymienionych gazów charakteryzuje się innym stopniem pochłaniania energii z promieniowania słonecznego. Jednak jeszcze do niedawna nie znano odpowiedzi, dlaczego jeden z gazów cieplarnianych ma tak silne zdolności do absorbcji ciepła.

Przeważająca część gazów znajdujących się w ziemskiej atmosferze, w tym azot i tlen, nie pochłania ani nie emituje promieniowania długofalowego – oznacza to, że jest dla niego przezroczysta. Na poniższym rysunku po stronie lewej pokazane są cząsteczki gazów niepochłaniających i nieemitujących promieniowania długofalowego (podczerwonego), po prawej cząsteczki gazów pochłaniających je i emitujących. Koncentracja gazu podana w ppm oznacza liczbę cząsteczek danego gazu na milion cząsteczek powietrza. Kolor czerwony to atomy tlenu, biały – wodoru, czarny – węgla, niebieski – azotu, jasnozielony – fluoru, ciemnozielony – chloru.

Nawet powierzchowna analiza grafiki pokazuje, że promieniowania długofalowego nie pochłaniają i nie emitują cząsteczki składające się z dwóch identycznych atomów oraz pojedyncze atomy. Co prawda cząsteczki składające się z dwóch różnych atomów (jak np. tlenek węgla CO lub chlorowodór HCl) mają widma pozwalające na absorpcję i emisję promieniowania długofalowego, to cząsteczki te ze względu na ich wysoką reaktywność i rozpuszczalność mają bardzo krótki czas życia w atmosferze i nie przyczyniają się w znaczącym stopniu do efektu cieplarnianego, stąd w wielu opracowaniach są pomijane. Oscylację cząsteczki mogą pobudzić drgania pola elektrycznego promieniowania elektromagnetycznego przy założeniu, że mają częstotliwość odpowiednią dla konkretnego zestawu atomów, aby energia została pochłonięta przez cząstkę. Mechanizm przekazywania energii jest dwustronny. Z jednej strony energia może być zaabsorbowana przez cząsteczkę (oscylator), a z drugiej może też zostać z niej wyemitowana w formie promieniowania. Cząsteczka pochłania i emituje energię w tych samych długościach fal. Informację o tym, jakie długości fali pochłania i emituje wybrany związek lub mieszanina, nazywamy widmem absorpcyjno-emisyjnym. W cząsteczkach mających dwa takie same atomy rozkład ładunków jest symetryczny, zmiany pola elektromagnetycznego nie wzbudzają więc niesymetrycznych drgań czy obrotów pola elektrycznego takiej cząsteczki. Energia kwantów promieniowania podczerwonego jest w tym przypadku zbyt mała, żeby wzbudzić drgania symetryczne, więc azot, tlen (i inne gazy składające się z dwóch takich samych atomów) nie pochłaniają promieniowania w tym zakresie, nie są więc gazami cieplarnianymi.

Promieniowanie podczerwone pochłaniają cząsteczki wieloatomowe niesymetryczne będące dipolami (cząsteczki wody), również nie będące dipolami (apolarne), np. molekuły CO₂, które mają kształt linii prostej z atomem węgla pośrodku i dwoma atomami tlenu na obu końcach. Obrót takiej cząsteczki lub rozciąganie symetryczne nie powodują zmiany ładunku, jednak rozciąganie asymetryczne i zginanie powodują polaryzację. W wyniku nakładania się na siebie wielu różnych rodzajów rotacji i drgań, cząsteczka gazu takiego jak np. CO₂ może mieć wiele możliwych stanów energetycznych. Cząsteczki mogą zmieniać swój stan energetyczny, absorbując bądź emitując fotony o energii odpowiadającej różnicy energii związanych z poszczególnymi stanami. Inaczej mówiąc, cząsteczki takie mają rozbudowane widma absorpcyjno-emisyjne i oddziałują z promieniowaniem w szerokim zakresie częstotliwości. Innymi słowy cząsteczki gazów cieplarnianych składają się z trzech i więcej atomów, bo tylko takie cząsteczki mają widma oscylacyjno-rotacyjne pozwalające na absorpcję i emisję promieniowania podczerwonego.

Powyższy mechanizm wyjaśnia jakie gazy pretendują do grupy „cieplarnianych”, ale nie tłumaczą, dlaczego największy wpływ ma CO₂. Jego udział w emisji wszystkich gazów cieplarnianych w 2021 roku szacowany był na około 80 proc. Ważna jest jednak nie tylko ilość szkodliwych związków w atmosferze, ale również ich żywotność. Przykładowo metan pochłania promieniowanie bardziej niż dwutlenek węgla, ale jest go zdecydowanie mniej. Dlatego przyjmuje się, że to CO₂ jest bardziej szkodliwe. Innymi słowy, przy ocenie szkodliwości pod uwagę brany jest również potencjał tworzenia efektu cieplarnianego.

Półtora wieku od „rozpracowania” CO₂

O tym, że dwutlenek węgla jest gazem cieplarnianym, który w znacznym stopniu pochłania promieniowanie podczerwone (czyli ciepło), wiadomo było już dawno – w 1856 roku pojawiły się pierwsze badania mówiące o tym zjawisku. Jednymi z ciekawszych w tamtym czasie były prace Eunice Newton Foote, która badała oddziaływanie promieniowania z różnymi gazami, dwutlenkiem węgla i parą wodną. W artykule Czynniki wpływające na ogrzewanie promieniami Słońca w The American Journal of Science and Arts przedstawiła ona popartą badaniami hipotezę o tym, że wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze podniósłby jej temperaturę. Dla poparcia swojej koncepcji zaproponowała prosty eksperyment. Foote użyła w nim dwóch szklanych cylindrów i umieściła je w nasłonecznionym miejscu. Napełniła jedną butlę dwutlenkiem węgla, a drugą pozostawiła wypełnioną powietrzem. Ku swemu zdziwieniu i zaskoczeniu reszty społeczności naukowej zauważyła, że cylinder wypełniony dwutlenkiem węgla nagrzał się dość mocno (do ok. 49 st. Celsjusza), natomiast ten wypełniony powietrzem osiągnął oczekiwaną, normalną temperaturę dla słonecznego miejsca (ok. 38 st. Celsjusza). Również po oddaleniu się od nasłonecznionego miejsca butla wypełniona dwutlenkiem węgla schładzała się znacznie wolniej niż kontrolna. Ten prosty eksperyment, całkiem bezpieczny, może przeprowadzić każdy z nas, do czego zachęcam. W przywołanym artykule Foote napisała:

„Atmosfera tego gazu (CO₂) nadałaby naszej Ziemi wysoką temperaturę i jeśli, jak przypuszczają niektórzy, w pewnym okresie swojej historii Ziemi ilość powietrza zmieszała się w większym stopniu niż obecnie, to musiało to nieuchronnie skutkować podwyższoną temperaturą, wynikającą z jej własnego działania, a także ze zwiększonego ciężaru“.

To była jedna z pierwszych, a może i pierwotna, udokumentowana hipoteza o efekcie cieplarnianym wywołanym przez wzrost CO₂ w atmosferze ziemskiej. Zaledwie kilka lat później irlandzki naukowiec John Tyndall publikuje pracę na temat badań dynamiki i ruchu lodowców, w której eksperymentalnie potwierdził wyniki uzyskane przez Foote’a i rozważał wpływ pary wodnej i dwutlenku węgla na klimat Ziemi. Tyndall w 1861 roku napisał:

„Now if, as the above experiments indicate, the chief influence be exercised by the aqueous vapour, every variation of this constituent must produce a change of climate. Similar remarks would apply to the carbonic acid diffused through the air; while an almost inappreciable admixture of any of the hydrocarbon vapours would produce great effects on the terrestrial rays and produce corresponding changes of climate“.

Jak pokazują powyższe przykłady, dwutlenek węgla w atmosferze uznawany jest już od drugiej połowy XIX wieku za gaz cieplarniany, czyli taki, który zatrzymuje część ciepła wypromieniowanego w stronę przestrzeni kosmicznej i tym samym sprawia, że na planecie jest cieplej niż byłoby bez niego. Jednak do dziś nie ma jasnego wytłumaczenia, dlaczego jego zdolności do absorpcji ciepła są znacznie większe w porównaniu do innych gazów w powietrzu. Opublikowana niedawno na łamach The Planetary Science Journal praca Wordswortha, Seeleya i Shine’a wydaje się dostarczać ostatecznej odpowiedzi na to pytanie. Wyniki ich badań wskazują na nieoczekiwany efekt zachodzący w cząsteczce dwutlenku węgla, zwany rezonansem Fermiego. W artykule autorzy pokazali, jak wymuszanie radiacyjne CO₂ można wyrazić poprzez opis podstawowych zasad kluczowych przejść wibracyjno-rotacyjnych cząsteczki.

Cząsteczki na huśtawce

Najpierw wyjaśnijmy pojęcie rezonansu Fermiego lub też inaczej sprzężenia Fermiego, które fizykom jest znane przynajmniej od kilku dziesięcioleci, a dotyczy pojawienia się w widmie oscylacyjnym dwóch leżących blisko siebie pasm zamiast jednego. Zjawisko występuje, gdy energie dwóch przejść oscylacyjnych (często przejścia podstawowego i nadtonu lub przejścia podstawowego i tonu złożonego) o takiej samej symetrii są do siebie zbliżone. Rezonans Fermiego może powstać tylko wtedy, gdy drgania normalne cząsteczek o tej samej symetrii mają prawie jednakowe energie i oscylatory mogą przekazywać między sobą energię (drgania są w tej samej cząsteczce lub w cząsteczkach w bliskim kontakcie ze sobą, na przykład związanych przez wiązanie wodorowe). Definicje z reguły nie są jasne dla większości odbiorców, dlatego spróbujmy zrozumieć rezonans Fermiego, który jest efektem kwantowym na poziomie atomowym, posługując się porównaniami z naszego życia. Wyobraźmy sobie parkiet taneczny, na którym każda cząsteczka ma swoją własną imprezę, tańcząc na swój własny, niepowtarzalny sposób. Każdy taniec pojedynczej cząsteczki to tak naprawdę inny sposób, w jaki cząsteczki mogą wibrować. Wyobraźmy sobie teraz dwóch tancerzy (czyli dwie cząsteczki), którzy wykonują bardzo podobne ruchy pozwalające im zbliżyć się do siebie w określonym momencie. W świecie cząsteczek oznaczałoby to, że dwie bliskie sobie cząsteczki mają ten sam poziom energii. Zaczyna się dziać coś ciekawego. Dwóch tancerzy, którzy „złapali” ten sam rytm, zaczyna na siebie wpływać. Na parkiecie mężczyzna zazwyczaj zaczyna „prowadzić” kroki partnerki, natomiast w świecie cząsteczek jedna z dwóch cząsteczek zaczyna wibrować intensywniej, a druga słabiej, czyli jedna cząsteczka zmieniając swój poziom energii wpływa na energię drugiej, z którą oddziałuje. Efekt taki nazywa się rezonansem Fermiego, od nazwiska włoskiego fizyka Enrico Fermiego, który w 1938 roku otrzymał Nagrodę Nobla za wytworzenie w reakcjach z neutronami nowych pierwiastków promieniotwórczych.

Ale co to ma wspólnego z dwutlenkiem węgla i jego zdolnością do silnej absorpcji promieniowania cieplnego w widmie podczerwonym? Okazuje się, że bardzo wiele. Według Wordswortha i jego zespołu dwa atomy tlenu w cząsteczce CO₂ zachowują się jak dwie masy umieszczone na podwójnej huśtawce, przekazując sobie energię w sposób chaotyczny, co w rzeczywistości jest wynikiem zmieszania się ich kwantowych funkcji falowych[2]. Efektem tej interakcji jest skok kwantowy z wyższego do niższego stanu energetycznego i odwrotnie. W konsekwencji cząsteczka może zaabsorbować szersze spektrum długości fal promieniowania niż byłoby to możliwe w innym przypadku.

Do dalszego zrozumienia niezbędne są dwa rodzaje wibracji molekularnych. Kiedy cząstka CO₂ pochłania promieniowanie podczerwone Słońca, podlega tzw. trybowi rozciągania, w którym atomy tlenu wibrują symetrycznie (liniowo) wokół atomów węgla (zbliżają się i oddalają, V1 na poniższym rysunku) oraz trybowi zginania, gdzie drgania są takie, że kąt pomiędzy atomami tlenu i węgla zmienia się okresowo (V2 na poniższym rysunku). W przypadku cząsteczki dwutlenku węgla zupełnie przypadkowo częstotliwość rozciągania jest dokładnie dwukrotnie większa od częstotliwości zginania drgań. To właśnie fakt, że jedna jest dokładnie dwukrotnie większa od drugiej, umożliwia pojawienie się cząsteczki dwutlenku węgla w rezonansie Fermiego i tym samym uzyskanie znacznie większych właściwości absorpcji energii w szerokim zakresie długości fal w obszarze podczerwieni widma elektromagnetycznego.

Zbieżna zależność pomiędzy częstotliwościami rozciągania i zginania cząsteczki CO₂ sprawia, że jest ona znacznie lepszym pochłaniaczem ciepła w porównaniu do innych gazów z atmosfery, które nie mają prawidłowej zależności. Rezonans Fermiego opisuje, jak różne kierunki i wzory wibracji cząsteczek mogą wpływać na siebie nawzajem i powodować, że wibrują bardziej. Przypomina to sytuację, w której dwa wahadła połączone wspólną struną mogą zwiększać amplitudę swoich wahań. Oprócz prostego wyjaśnienia, w jaki sposób CO₂ ogrzewa Ziemię, zespół badaczy twierdzi, że opracowane przez nich równania mogą pomóc naukowcom w szybkim oszacowaniu potencjału ocieplenia gazów cieplarnianych wykrytych w atmosferach innych planet, aby zrozumieć panujące tam niejednokrotnie dziwne typy klimatów. Godne uwagi jest to, że pozornie przypadkowy rezonans kwantowy w skądinąd zwykłej trójatomowej cząsteczce miał tak duży wpływ na klimat naszej planety w czasie geologicznym, a także pomoże określić przyszłe ocieplenie jej na skutek działalności człowieka

Drzwi na wpół otwarte

Jedna rzecz, której Wordsworth i jego zespół nie potrafili wyjaśnić, to dlaczego CO₂ wibruje w tak wyjątkowy sposób. Na to pytanie nie da się odpowiedzieć bez odkrycia świętego Graala fizyki, czyli teorii wszystkiego. Problemem jest również to, że ich obliczenia nie uwzględniają żadnego nakładania się CO₂ na inne zatrzymujące ciepło gazy cieplarniane, takie jak metan, ani radiacyjne działanie chmur, które również odbijają światło słoneczne, więc ich modele i analizy mogą wymagać dalszych poprawek. Natomiast zakładając prawdziwość hipotezy nie sposób się nie zgodzić z autorami, że:

„…można sobie wyobrazić, że przy niewielkich różnicach w strukturze kwantowej CO₂ rezonans może ulec zmianie lub zahamowaniu, a przeszła i przyszła ewolucja klimatu naszej planety byłaby zupełnie inna”.

Na obecnym etapie praca zespołu umożliwiła nowe spojrzenie na malutki, przezroczysty CO₂ – fatalną cząsteczkę, od której zależy nasze życie. Cząsteczkę, która jest odpowiedzialna za postępujące stopniowo zmiany klimatu i globalne ocieplenie. Nadmiar energii kumuluje się w naszym systemie klimatycznym, głównie w oceanach. To znacząco zaburza równowagę w obszarze wszystkich ekosystemów. Siedliska niektórych zwierząt przestają zapewniać im dogodne warunki do życia, co z kolei prowadzi do wymierania gatunków i ograniczenia ziemskiej bioróżnorodności. Globalne ocieplenie, będące następstwem spotęgowanego efektu cieplarnianego, znacząco zwiększa prawdopodobieństwo coraz częstszego występowania klęsk żywiołowych i nieurodzaju, ogranicza zasoby naturalne i doprowadza do wzmożonego rozprzestrzeniania się chorób typowych dla stref klimatycznych, w których występują gorące odmiany klimatu. To wszystko może z kolei pociągać za sobą kolejne konsekwencje w obszarach ekonomicznym, gospodarczym i społecznym. Wzrost temperatury oceanów prowadzi do wzrostu parowania wody, czego skutkiem jest m.in. wzrost zachmurzenia, występujące coraz częściej anomalie pogodowe, zaburzenia w obszarze cyrkulacji powietrza, topnienie lądolodów i wiecznej zmarzliny. Wśród skutków globalnego ocieplenia należy wymienić także coraz wyraźniejsze przesunięcie stref klimatycznych w kierunku bieguna. Zdaniem niektórych naukowców, granice rozdzielające poszczególne strefy klimatyczne do roku 2100 mogą ulec całkowitemu zatarciu, a temperatura może wzrosnąć o 4 st. Celsjusza. Tak niewinnie wyglądająca i tajemnicza cząsteczka CO₂ zaczyna coraz bardziej wpływać na ekosystem ziemski, czego doświadczamy z miesiąca na miesiąc. Dowodem jest tegoroczny „serial” rekordów temperatury miesięcy zimowych, którego końca nie widać.

[1] Gazy cieplarniane – gazy, które słabo lub wcale nie oddziałują z promieniowaniem słonecznym, ale pochłaniają promieniowanie podczerwone w zakresie długości fal emitowanych przez powierzchnię Ziemi (inaczej długofalowe promieniowanie ziemskie) (Popkiewicz i in. 2018). Więcej: https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/efekt-cieplarniany-dla-sredniozaawansowanych-2-gazy-cieplarniane-i-ich-cechy-410

[2] W mechanice klasycznej w dowolnej chwili możemy określić położenie oraz pęd cząstki. W mechanice kwantowej nie można tego uczynić. Jeżeli określi się położenie cząstki, to pęd jest nieoznaczony i na odwrót. Z tego wynika, że dokonując pomiaru położenia cząstki w jakiejś chwili, możemy jedynie określić prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w jakimś elemencie objętości. Aby określić prawdopodobieństwo, konieczna jest znajomość funkcji falowej 𝜓(𝑥,y,z,𝑡), której interpretację podał Born, jako fale prawdopodobieństwa, którą otrzymujemy z rozwiązania równania Schrodingera. Natomiast 𝜓*(𝑥,y,z𝑡) 𝜓(𝑥,y,z,𝑡) lub |𝜓(𝑥,y,z,𝑡)|^2 jest gęstością prawdopodobieństwa znalezienia cząstki w punkcie x, y, z w chwili t. Wyrażenie |𝜓(𝑥,y,z,𝑡)|^2dxdydz określa nam prawdopodobieństwo tego, że cząstka znajdzie się w elemencie objętości dV. Funkcję falową nazywana jest także funkcją stanu lub wektorem stanu. W ujęciu matematycznym funkcja falowa jest elementem przestrzeni Hilberta.

Zdjęcie główne: Terry Vlisidis | Unsplash.

---

PROF. DR HAB. INŻ. MARIUSZ JÓZEF FIGURSKI. Dyrektor Centrum Modelowania Meteorologicznego IMGW-PIB i profesor Politechniki Gdańskiej. Specjalista w zakresie geodezji satelitarnej, meteorologii GNSS, technologii satelitarnych, numerycznego modelowania pogody i klimatu, popularyzator nauki. Członek Państwowej Rady Ochrony Środowiska, Komitetu Badań Kosmicznych i Satelitarnych PAN. Autor nowej koncepcji prowadzenia badań w ramach otwartych zespołów naukowych „open team”.

Tagi: fizyka, gazy cieplarniane, globalne ocieplenie, zmiana klimatu Last modified: 5 kwietnia 2024