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温室效应背后的量子力学机制——费米共振

1896年，瑞典物理学家阿伦尼乌斯Svante Arrhenius意识到二氧化碳（CO2）会将热量困在地球大气层中——这种现象现在被称为温室效应。从那时起，日益复杂的现代气候模型验证了Arrhenius的中心结论：CO2在大气中的浓度每增加一倍，地球温度将上升2到5℃。

尽管如此，我们却并不了解其背后的机制。现有的气候模型，本质上是把现有的数据点连成一条曲线，然后分析该曲线的走势，并以此预测未来的气候。

不过近几年，物理学家开始有所斩获。

首先，在2022年，物理学家解决了关于温室效应“对数标度”起源的争议。这是指随着二氧化碳浓度的加倍，地球温度总是提升相同的温度，和二氧化碳的初始浓度的数值无关。

然后，今年春天，由哈佛大学的罗宾·华兹华斯（Robin Wordsworth）领导的团队第一次弄清楚了为什么 CO2分子容易捕获热量。研究结果发表在《行星科学杂志》（The Planetary Science Journal）上。

在量子力学创立前，Arrhenius时代的人又如何理解温室效应的呢？它始于法国数学家和物理学家傅立叶（Joseph Fourier），他在200年前就意识到地球的大气层可以使地球免受太空的严寒，这一发现开创了气候科学领域。然后，在1856年，美国人尤尼斯·富特（Eunice Foote）观察到二氧化碳特别擅长吸收辐射。接下来，爱尔兰物理学家约翰·廷德尔（John Tyndall）测量了CO2的红外光量吸收。

地球以红外光的形式辐射热量。温室效应的要点是，其中一些光子不是直接逃逸到太空，而是击中了二氧化碳大气中的分子。一个分子吸收光，再重新发射它。然后另一个分子继续这一过程。有时，光子会回到地表，有时则会射向太空，这让地球凉爽一点。

阿伦尼乌斯（Arrhenius）使用气候科学家今天采用的数学方法的原始简陋版得出结论，二氧化碳就像在墙壁上添加隔热材料。

然而，几年后，瑞典物理学家克努特·昂斯特伦（Knut Ångström）提出了反对意见。他认为，CO2分子只吸收特定波长的红外辐射——15微米。大气中已经有足够的气体来捕获地球发射的15微米辐射，因此增加了更多的二氧化碳，不会有任何影响。

昂斯特伦漏算了 CO2可以吸收略短或略长于15微米的波长。

如果二氧化碳的量增加一倍，那么捕获率就会改变。现在，光在逃逸之前有两倍的分子需要躲避，而且在逃逸过程中，它往往会被吸收更多次，然后才从更高、更冷的大气层中逸出，因此热量的流出减慢为涓涓细流。正是这些近15微米波长的辐射吸收的增强导致了我们不断变化的气候。

尽管有错误，但昂斯特伦的论文在他的同时代人中对阿伦尼乌斯的理论埋下了怀疑的种子，即使在今天，对气候变化共识持怀疑态度的人有时也会引用昂斯特伦的碳“饱和”论点。

一个关键的细节是，二氧化碳在吸收这些波长的光方面更糟——但不会更糟。吸收以恰到好处的速率在峰的两侧下降，从而产生对数标度。

碳光谱的形状是不寻常的——大多数气体吸收的波长范围都要窄得多。

华兹华斯和他的合著者雅各布·西利（Jacob Seeley）和基思·希恩（Keith Shine）转向量子力学来寻找答案。

光是光子的能量包。二氧化碳分子只有当光包具有恰当的能量来将分子提升到不同的量子力学状态时，才能吸收它们。

二氧化碳通常处于“基态”，其中它的三个原子与中心碳原子形成一条线，与其他原子等距。分子也具有“激发”状态，其中其原子起伏或摆动。

一个15微米辐射的光子包含了使碳原子以一种呼啦圈运动围绕中心点旋转所需的精确能量。长期以来，气候科学家一直将温室效应归咎于这种呼啦圈状态，但正如Ångström所预测的那样，这种效应需要过于精确的能量，而华兹华斯和他的团队发现。呼啦圈状态无法解释光子吸收15微米波长辐射进一步缓慢下降的原因，因此它本身无法解释气候变化。

他们发现，关键是另一种类型的运动，其中两个氧原子反复地朝向和远离碳中心，就像拉伸和压缩连接它们的弹簧一样，如视频。这种运动需要太多的能量，无法被地球的红外辐射光子所诱发。

但作者发现，拉伸运动的能量几乎是呼啦圈运动的两倍，以至于这两种运动状态相互混合。这两种运动存在特殊组合，需要略多或略小于呼啦圈运动的确切能量。

这种独特的现象被称为费米共振，以著名物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）的名字命名，他在1931年的一篇论文中推导出了它。但是，希恩和他的学生在去年的一篇论文中首次提出了它与地球气候的联系，而今年春天的这篇论文是第一篇完全揭露它的论文。

这种理论计算比任何计算机模型都更有助于我们理解气候变化。

今年1月，美国国家海洋和大气管理局 （NOAA） 的全球监测实验室报告称大气里的二氧化碳的浓度截至2023年，已从工业化前的百万分之280上升到创纪录的百万分之 419.3，迄今为止已经提高了全球约1摄氏度的均温。 http://t.cn/A68uCo4P