Вы когда-нибудь задумывались, почему углекислый газ (CO2) является таким мощным парниковым газом? Секрет заключается в его квантовой структуре. Это увлекательное открытие может стать ключом к лучшему пониманию изменения климата.

В этой статье мы поговорим о квантовых истоках теплоемкости CO2 и о том, как это влияет на климат Земли.

Квантовая сила CO₂

Уже больше века известно: углекислый газ удерживает тепло в атмосфере и нагревает планету. Об этом заговорил ещё в 1896 году шведский учёный Сванте Аррениус — именно он впервые предположил, что CO₂ накапливает тепло, создавая эффект парника. С тех пор гипотеза подтвердилась в многочисленных климатических моделях.

Но вот что оставалось в тени — почему именно углекислый газ справляется с этой задачей так хорошо? Чем он так особенен?

Ответ нашли в 2024 году — и не абы кто, а команда под руководством Робина Уордсворта из Гарварда. Исследователи обнаружили: особое квантовое устройство молекулы CO₂ делает её прирождённым “тепловым магнитом”. Результаты были опубликованы в Planetary Science Journal и вызвали настоящий фурор в научных кругах.

Атмосферный физик Рэймонд Пьерюмбер из Оксфорда отметил: «Для тех, кто думает, что глобальное потепление — просто математическая игра в симуляторах, это открытие даёт куда более наглядный ответ».

Как CO₂ удерживает тепло

Земля постоянно излучает тепло в космос — в виде инфракрасного света. Но атмосфера не отпускает всё тепло без боя. Некоторые газы, особенно CO₂, перехватывают инфракрасные фотоны — мельчайшие частицы света — и… начинают хитрую игру.

Молекулы углекислого газа впитывают фотоны, а потом переизлучают энергию в случайных направлениях. Часть этого тепла снова возвращается к поверхности Земли — как одеяло, которое не даёт остыть ночью.

Что особенно интересно: CO₂ умеет «вибрировать» двумя разными способами — и оба этих квантовых «танца» помогают ему втягивать и задерживать тепло. Эти вибрации и делают его одним из самых мощных парниковых газов на планете.

Квантовый скачок в науке

До появления квантовой физики всё это объясняли на уровне эмпирики — мол, CO₂ просто «поглощает ИК-излучение». Да, но как именно? И почему именно он?

Уордсворт и его команда первыми детально показали: дело в квантовой структуре молекулы. Оказалось, что CO₂ особенно эффективно поглощает инфракрасное излучение на длине волны примерно 15 микрон — это его «сладкое пятнышко» в спектре.

И вот что важно: чем больше CO₂ в атмосфере, тем больше таких молекул перехватывают инфракрасный свет. Удвоили концентрацию? Увеличили «ловушку тепла». Вот и потепление.

Магия спектра CO₂

Здесь начинается настоящая интрига.

Большинство газов «ловят» излучение на очень узком диапазоне длин волн. А вот CO₂ — как дирижёр с широким диапазоном — работает сразу с большой полосой спектра.

Из-за этой широкой зоны поглощения углекислый газ перехватывает всё больше и больше тепла. И даже когда атмосфера уже довольно насыщена CO₂, новые молекулы продолжают работать — не так эффективно, но всё ещё заметно. Это называют эффектом насыщения.

Физик Дэвид Ромпс из Калифорнийского университета в Беркли поясняет: именно форма спектра поглощения CO₂ объясняет так называемый логарифмический эффект. Каждый раз, когда концентрация удваивается, температура вырастает — не в два раза, конечно, но стабильно: примерно на 2–5°C.

Логарифмическая загадка — разгадана

Учёные долго ломали голову над странным феноменом: почему при удвоении CO₂ температура повышается на фиксированную величину, независимо от того, с какого уровня Вы начали?

Оказывается, всё дело в том, как молекула CO₂ поглощает инфракрасный свет. Самая высокая эффективность — в районе 15 микрон. Но чем дальше от этой длины волны, тем слабее становится поглощение.

Получается своеобразная «логарифмическая кривая» — с каждым удвоением концентрации прирост температуры всё меньше, но всё ещё значим. И именно это объясняет, почему даже небольшое увеличение CO₂ может иметь ощутимый эффект.

Вывод

Итак, квантовая структура CO₂ — не просто академическая находка. Это реальный ключ к пониманию климатических изменений.

Благодаря этой научной победе у нас есть шанс точнее прогнозировать будущее планеты и выработать более эффективные стратегии защиты климата.

Сложные проблемы требуют точных решений — и теперь мы на шаг ближе к ним.