溫室效應(yīng)的量子起源

二氧化碳強(qiáng)大的吸熱效應(yīng)可以追溯到其量子結(jié)構(gòu)的一個(gè)奇異特性。這一發(fā)現(xiàn)可能比任何計(jì)算機(jī)模型都能更好地解釋氣候變化。

1896年，瑞典物理學(xué)家斯萬特 · 阿累尼烏斯（Svante Arrhenius）意識(shí)到二氧化碳會(huì)在地球大氣層中積蓄熱量，這種現(xiàn)象現(xiàn)在被稱為溫室效應(yīng)。從那以后，越來越復(fù)雜的現(xiàn)代氣候模型證實(shí)了阿累尼烏斯的結(jié)論：每當(dāng)大氣中的二氧化碳濃度翻一番，地球的溫度就會(huì)上升2到5攝氏度。

然而，直到最近，二氧化碳這種加熱現(xiàn)象的物理原因仍然成謎。

首先，在2022年，物理學(xué)家解決了關(guān)于溫室效應(yīng)“對(duì)數(shù)比例”起源的爭議。這是指隨著二氧化碳濃度的加倍，地球溫度總會(huì)提升相同的溫度，和二氧化碳的初始濃度的數(shù)值無關(guān)。

之后，2024年春天，哈佛大學(xué)的羅賓 · 華茲華斯（Robin Wordsworth）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組首先發(fā)現(xiàn)了二氧化碳分子能夠很好地捕捉熱量的原因。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種分子的量子結(jié)構(gòu)有一個(gè)奇怪的特性，可以解釋為什么它是如此強(qiáng)大的溫室氣體，以及為什么向大氣中注入更多的碳會(huì)導(dǎo)致氣候變化。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《行星科學(xué)雜志》（Planetary Science Journal）上。

牛津大學(xué)的大氣物理學(xué)家雷蒙德 · 皮埃安貝爾（Raymond Pierrehumbert）并未參與這項(xiàng)工作，但他指出：“這是一篇非常好的論文。對(duì)于那些認(rèn)為全球變暖只是來自難以理解的計(jì)算機(jī)模型的人來說，這是一個(gè)很好的答案?！?/p>

實(shí)際上，全球變暖與二氧化碳的兩種不同擺動(dòng)方式的數(shù)值巧合有關(guān)。

“如果不是這個(gè)巧合，” 皮埃安貝爾說，“那么很多事情都會(huì)變得不同?！?/p>

舊的結(jié)論

在量子力學(xué)出現(xiàn)之前，阿累尼烏斯時(shí)代的人如何理解溫室效應(yīng)的基本原理？最開始，200年前的法國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家約瑟夫 · 傅立葉（Joseph Fourier）意識(shí)到，地球的大氣層使地球與太空的嚴(yán)寒隔絕，這一發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了氣候科學(xué)領(lǐng)域。之后，在1856年，美國人尤尼斯 · 富特（Eunice Foote）觀察到二氧化碳特別善于吸收輻射。接下來，愛爾蘭物理學(xué)家約翰 · 廷德爾（John Tyndall）測量了二氧化碳對(duì)紅外線的吸收值，對(duì)阿累尼烏斯的觀點(diǎn)給出了量化結(jié)果。

地球以紅外線的形式輻射熱量。溫室效應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)是，一些光并不是直接逃逸到太空，而是擊中大氣中的二氧化碳分子。一個(gè)分子吸收光子后再發(fā)光，然后另一個(gè)分子繼續(xù)這一過程。有時(shí)，光線也會(huì)向下照射回到地表。有時(shí)它會(huì)飛向太空，讓地球涼爽一點(diǎn)點(diǎn)，但也只會(huì)穿過一條鋸齒狀的路徑到達(dá)寒冷的大氣層上方。

阿累尼烏斯使用的數(shù)學(xué)方法與今天的氣候科學(xué)家采用的相同，只是更粗略一些。他得出結(jié)論：地球大氣中二氧化碳的增加會(huì)導(dǎo)致地球表面變得更熱。這就像在你的墻壁上加上隔熱材料，會(huì)讓你的房子在冬天更暖和——從壁爐里出來的熱量以同樣的速度擴(kuò)散，但流失得更慢。

然而，幾年后，瑞典物理學(xué)家克努特 · 昂斯特倫（Knut ?ngstr?m）發(fā)表了一篇反駁文章。他認(rèn)為二氧化碳分子只吸收15微米這一特定波長的紅外輻射。而且大氣中已經(jīng)有足夠的氣體來百分百捕獲地球發(fā)射的15微米輻射，所以增加更多的二氧化碳不會(huì)起到什么效果。

昂斯特倫忽略的一點(diǎn)是，二氧化碳可以吸收比15微米稍短或稍長波長的輻射，盡管效率不高。這種光在大氣旅行中被捕獲的次數(shù)不多。

但是，如果二氧化碳的量翻一番，捕獲率就會(huì)改變?，F(xiàn)在，光在逃逸之前有兩倍的分子需要躲避，而且在逃逸的過程中，光往往會(huì)被吸收更多次，然后才從更高、更冷的大氣層中逃逸出來，所以熱量的外流會(huì)變慢為涓涓細(xì)流。正是近15微米波長輻射的高吸收率導(dǎo)致了氣候的變化。

盡管有錯(cuò)誤，但昂斯特倫的論文還是讓同時(shí)代的人對(duì)阿累尼烏斯的理論產(chǎn)生了足夠的懷疑，使其關(guān)于氣候變化的觀點(diǎn)或多或少地退出了主流科研領(lǐng)域。即使在今天，對(duì)氣候變化的共識(shí)持懷疑態(tài)度的人有時(shí)也會(huì)引用昂斯特倫錯(cuò)誤的碳“飽和”觀點(diǎn)。

回到基礎(chǔ)

與早期研究不同的是，現(xiàn)代氣候科學(xué)的發(fā)展很大程度上是通過計(jì)算模型來實(shí)現(xiàn)的，這些模型捕捉到了混亂多變的大氣中許多復(fù)雜莫測的因素。對(duì)一些人來說，這使得結(jié)論更難理解。

美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的大氣物理學(xué)家納迪爾 · 吉萬吉（Nadir Jeevanjee）說：“我和很多持懷疑態(tài)度的物理學(xué)家談過，他們反對(duì)的原因之一是‘你們只是運(yùn)行計(jì)算機(jī)模型，然后從這個(gè)黑盒式的計(jì)算中得到答案，但你們并沒有深入理解它’?！薄安荒茉诤诎迳舷騽e人解釋為什么我們會(huì)得到這些數(shù)字，這總有些不完美?！?/p>

吉萬吉和其他像他一樣的人已經(jīng)開始試圖對(duì)二氧化碳濃度對(duì)氣候的影響建立一個(gè)更簡單的理解方式。

一個(gè)關(guān)鍵問題是溫室效應(yīng)對(duì)數(shù)比例的由來——模型預(yù)測二氧化碳濃度每翻一番，溫度就會(huì)上升2到5度。有一種理論認(rèn)為，溫度隨海拔下降的速度決定了比例的大小。但在2022年，一組研究人員使用了一個(gè)簡單的模型來證明對(duì)數(shù)比例來自二氧化碳吸收“光譜”的形狀，即二氧化碳吸收光的能力如何隨光的波長而變化。

這與近15微米波長的輻射有關(guān)。一個(gè)關(guān)鍵的細(xì)節(jié)是，二氧化碳在吸收這些波長的光方面表現(xiàn)得較差，但也沒有太差。吸收以恰到好處的速率在峰的兩側(cè)下降，從而產(chǎn)生對(duì)數(shù)比例。

“光譜的形狀至關(guān)重要?！奔又荽髮W(xué)伯克利分校的氣候物理學(xué)家大衛(wèi) · 羅姆普斯（David Romps）說。他是2022年那篇論文的合著者?！叭绻愀淖兞怂筒粫?huì)得到對(duì)數(shù)比例?！?/p>

碳光譜的形狀是不尋常的——大多數(shù)氣體吸收的波長范圍要窄得多?！拔夷X海里的問題是：為什么它的形狀是這樣的？”羅姆普斯說，“但我無從下手?！?/p>

重要的擺動(dòng)方式

華茲華斯和他的合著者雅各布 · 希利（Jacob Seeley）以及基思 · 希恩（Keith Shine）轉(zhuǎn)向量子力學(xué)以尋找答案。

光是由稱為光子的能量包構(gòu)成的。只有當(dāng)光包具有恰當(dāng)?shù)哪芰縼韺⒎肿犹嵘讲煌牧孔恿W(xué)狀態(tài)時(shí)，二氧化碳分子才能吸收它們。

二氧化碳通常處于“基態(tài)”，三個(gè)原子與中心的碳原子形成一條直線，彼此之間的距離相等。這種分子也有“激發(fā)”態(tài)，在激發(fā)態(tài)中，原子起伏或擺動(dòng)。

一個(gè)15微米輻射的光子包含了使碳原子以呼啦圈的方式圍繞中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)所需的精確能量。長期以來，氣候科學(xué)家一直將溫室效應(yīng)歸咎于這個(gè)呼啦圈狀態(tài)，但正如昂斯特倫所預(yù)期的那樣，華茲華斯和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這種效應(yīng)需要的能量太過于精確了。呼啦圈狀態(tài)不能解釋光子吸收率在15微米以外下降得相對(duì)緩慢，因此它本身無法解釋氣候的變化。

他們發(fā)現(xiàn)，另一種類型的運(yùn)動(dòng)是關(guān)鍵。兩個(gè)氧原子反復(fù)地朝向和遠(yuǎn)離碳中心擺動(dòng)，就像拉伸和壓縮連接它們的彈簧一樣。這種運(yùn)動(dòng)需要太多的能量，以至于無法被地球的紅外輻射光子誘發(fā)。

但是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，拉伸運(yùn)動(dòng)的能量幾乎是呼啦圈運(yùn)動(dòng)的兩倍，因此兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相互混合。這兩種運(yùn)動(dòng)存在特殊組合，需要略高于或低于呼啦圈運(yùn)動(dòng)的確切能量。

這種獨(dú)特的現(xiàn)象被稱為費(fèi)米共振，以著名物理學(xué)家恩里科 · 費(fèi)米（Enrico Fermi）的名字命名，他在1931年的一篇論文中推導(dǎo)出了這一結(jié)果。但是，希恩和他的學(xué)生在2023年的一篇論文中首次提出了它與地球氣候的聯(lián)系，而2024年春天的這篇論文是第一篇完全體現(xiàn)這一結(jié)果的論文。

華茲華斯說：“當(dāng)我們寫下這個(gè)方程的條件，看到所有的條件都存在時(shí)，感覺非常難以置信。這一結(jié)果最終向我們展示了量子力學(xué)是如何直接與更大的物理學(xué)圖景聯(lián)系在一起的?！?/p>

他說，在某些方面，這種理論計(jì)算比任何計(jì)算機(jī)模型都更有助于我們理解氣候變化。“在一個(gè)我們可以從基本原則中證明一切都來自何處的領(lǐng)域里，能夠得到結(jié)果是一件非常重要的事情?！?/p>

倫敦帝國理工學(xué)院的大氣物理學(xué)家、名譽(yù)教授喬安娜 · 黑格（Joanna Haigh）對(duì)此表示贊同。她說，這篇論文表明，氣候變化是一門“基于基本量子力學(xué)概念和已建立的物理學(xué)”的科學(xué)，為氣候科學(xué)增添了獨(dú)特的色彩。

2024年1月，美國國家海洋和大氣管理局的全球監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室報(bào)告說，大氣中的二氧化碳濃度已從工業(yè)化前的百萬分之280上升到2023年創(chuàng)紀(jì)錄的百萬分之419.3。據(jù)估計(jì)，到目前為止，這已導(dǎo)致1攝氏度的升溫。

資料來源 Quanta Magazine

本文作者約瑟夫 · 霍利特（Joseph Howlett）是哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)博士，現(xiàn)為多家雜志撰寫科學(xué)文章