Eine Schlüsselfrage war der Ursprung der logarithmischen Skala des Treibhauseffekts – der Temperaturerhöhung um 2 bis 5 Grad, die laut Modellen bei jeder Verdoppelung des CO-Ausstoßes eintreten wird2. Eine Theorie besagt, dass die logarithmische Skala auf die Geschwindigkeit zurückzuführen ist, mit der die Temperatur mit der Höhe sinkt. Doch im Jahr 2022 bewies ein Forscherteam mithilfe eines einfachen Modells, dass die logarithmische Skala von der Form des Absorptions-„Spektrums“ von Kohlendioxid herrührt – das heißt davon, wie seine Fähigkeit, Licht zu absorbieren, je nach Wellenlänge des Lichts variiert.
Dies bezieht sich auf Wellenlängen etwas über oder unter 15 Mikrometer. Ein wichtiges Detail ist, dass Kohlendioxid Licht dieser Wellenlängen weniger gut, aber nicht viel schlechter absorbiert. Die Absorption nimmt auf beiden Seiten des Peaks mit der idealen Geschwindigkeit ab, wodurch die logarithmische Skala entsteht.
„Die Form dieses Spektrums ist entscheidend“, sagte David Romps, Klimaphysiker an der University of California in Berkeley und Mitautor der Arbeit von 2022. „Wenn man es ändert, erhält man nicht die logarithmische Skala.“ »
Die Form des Kohlenstoffspektrums ist ungewöhnlich: Die meisten Gase absorbieren einen viel engeren Wellenlängenbereich. „Die Frage, die ich mir gestellt habe, war: Warum hat es diese Form? », erklärt Romps. „Aber ich konnte es nicht genau sagen. »
Bedeutende Reise
Wordsworth und seine Co-Autoren Jacob Seeley und Keith Shine wandten sich der Quantenmechanik zu, um die Antwort zu finden.
Licht besteht aus Energiepaketen, sogenannten Photonen. Moleküle wie CO2 kann sie nur dann absorbieren, wenn die Pakete genau die richtige Energiemenge enthalten, um das Molekül in einen anderen quantenmechanischen Zustand zu versetzen.
Kohlendioxid liegt normalerweise im „Grundzustand“ vor, in dem seine drei Atome eine Linie mit dem Kohlenstoffatom in der Mitte bilden, das von den anderen gleich weit entfernt ist. Das Molekül hat auch „angeregte“ Zustände, in denen sich seine Atome kräuseln oder schwanken.
Ein 15 Mikrometer großes Lichtphoton enthält genau die Energie, die erforderlich ist, um das Kohlenstoffatom in einer Art Hula-Hoop-Bewegung um den Mittelpunkt zu drehen. Klimatologen machen diesen Hula-Hoop-Zustand seit langem für den Treibhauseffekt verantwortlich, aber wie Ångström erwartet hatte, erfordert dieser Effekt eine zu präzise Energiemenge, stellten Wordsworth und sein Team fest. Der Hula-Hoop-Zustand kann den relativ langsamen Rückgang der Photonenabsorptionsrate über 15 Mikrometer hinaus nicht erklären, also kann er den Klimawandel allein nicht erklären.
Der Schlüssel liegt ihrer Meinung nach in einer anderen Art von Bewegung, bei der die beiden Sauerstoffatome wiederholt zum Kohlenstoffzentrum hin und von diesem weg schwingen, als ob sie eine Feder, die sie verbindet, dehnen und zusammendrücken würden. Diese Bewegung erfordert zu viel Energie, um allein durch die Infrarotphotonen der Erde induziert zu werden.
Die Autoren fanden jedoch heraus, dass die Energie der Dehnbewegung fast doppelt so hoch ist wie die der Hula-Hoop-Bewegung, dass sich die beiden Bewegungszustände vermischen. Es gibt spezielle Kombinationen der beiden Bewegungen, die etwas mehr oder weniger Energie erfordern als die Hula-Hoop-Bewegung.
Dieses einzigartige Phänomen wird Fermi-Resonanz genannt und ist nach dem berühmten Physiker Enrico Fermi benannt, der es 1931 in einer Arbeit beschrieb. Sein Zusammenhang mit dem Erdklima wurde jedoch erst im letzten Jahr von Shine und seinem Schüler sowie in der Arbeit dieses Frühjahrs festgestellt ist der Erste, der es völlig offenlegt.