量子现象解释微小分子对全球变暖的巨大影响
1856年，一位几乎被历史遗忘的美国科学家尤尼斯·富特（Eunice Foote）发现了一种微小的透明分子 —— 二氧化碳 —— 吸收热量的非凡能力。
从一个简单的实验中，她正确地推断出含有二氧化碳的大气会“给我们的地球带来更高的温度” —— 这描述了全球变暖的驱动力，并为早期关于是什么让我们的星球保持温暖的思考提供了一种分子机制。
160多年后的今天，科学家们已经意识到其中的奥秘。二氧化碳如此善于吸收热量的原因，本质上归结为三原子分子在吸收太阳红外辐射时的振动方式。
哈佛大学行星科学家罗宾·华兹华斯（Robin Wordsworth）和他的同事在他们的新预印本中写道：“在一个普通的三原子分子中，一个明显偶然的量子共振，在地质时期对我们星球的气候产生了如此大的影响，这是值得注意的，而且还将有助于确定人类活动导致的未来变暖。”
当受到特定波长的入射光线照射时，二氧化碳分子不会像你想象的那样在一个固定的单位上下晃动。相反，二氧化碳分子（由一个碳原子和两个氧原子组成），以某种方式弯曲和伸展。
正如你在下面的图表中看到的，两个氧原子可以向外伸展，而中间的碳原子可能会也可能不会跟随，或者碳原子可以绕着分子的主轴旋转，使其弯曲。
其中两种振动模式的偶然排列，在CO2分子中产生了一种称为费米共振的量子嗡嗡声，这可以使分子振动得更多。
行星科学家罗宾·华兹华斯解释说，这反过来又扩大了二氧化碳吸收的辐射范围。他说：“对理解为什么二氧化碳是重要的温室气体来说，这种扩大是至关重要的。”
你可以把费米共振想象成由两个连接在同一根弦上的重物组成的钟摆：当它们摆动时，它们会努力提高彼此运动的幅度。
其他研究最近估计，二氧化碳的费米共振贡献了大约一半的总变暖效应，也就是所谓的辐射强迫。
但是，从二氧化碳的基本特性出发，华兹华斯和他的同事们用一系列混合了分子光谱学(分子的吸收模式)和气候物理学的方程，描述了分子振动状态和它随后捕获的额外热量之间的相互作用。
华兹华斯和他的同事在他们的预印本中写道：“如果需要这样的证据，这个结果为全球变暖和气候变化的物理基础提供了进一步的证据。”他们的预印本已在同行评审之前于14日发布。
除了提供二氧化碳如何使地球变暖的简单解释外，研究小组表示，他们的方程还可以帮助科学家快速估计在其他行星大气中检测到的不同温室气体混合物的变暖潜力，以了解它们的外来气候。
研究人员表示：“这可能是一种特别有用的方式，可以增强直觉，并为复杂气候模型的结果提供现实检验。”
然而，他们的计算不包括二氧化碳与其他吸热温室气体（如甲烷）或云的辐射效应（也反射阳光）的重叠，因此他们可能需要进一步调整。
就目前而言，研究小组的工作让人们对微小、透明的二氧化碳 —— 我们生命赖以生存的决定性分子 —— 有了新的认识。
研究人员总结说：“可以想象，二氧化碳的量子结构有微小的差异，这种共振可能会被改变或抑制，我们星球气候的过去和未来的演变将会非常不同。”
这项研究已被接受发表在即将出版的《行星科学杂志》上。在那之前，你可以在arXiv.org上阅读预印本。
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