In 1896 ontdekte de Zweedse natuurkundige Svante Arrhenius realiseerde dat koolstofdioxide (CO₂) houdt warmte vast in de atmosfeer van de aarde – het fenomeen dat nu het broeikaseffect wordt genoemd. Sindsdien hebben steeds geavanceerdere moderne klimaatmodellen de centrale conclusie van Arrhenius bevestigd: dat elke keer dat de CO₂ concentratie in de atmosfeer verdubbelt, zal de temperatuur op aarde tussen de 2 en 5 graden Celsius stijgen.

Toch is de fysieke reden waarom CO₂ zich zo gedraagt, is tot voor kort een mysterie gebleven.

Ten eerste, in 2022, natuurkundigen verrekend een geschil over de oorsprong van de “logaritmische schaalvergroting” van het broeikaseffect. Dat verwijst naar de manier waarop de temperatuur op aarde met dezelfde hoeveelheid stijgt als reactie op een verdubbeling van de CO2-uitstoot₂, ongeacht de ruwe cijfers.

Vervolgens werd dit voorjaar een team onder leiding van Robin Wordsworth van Harvard University ontdekte waarom de CO₂ molecuul is in de eerste plaats zo goed in het vasthouden van warmte. De onderzoekers identificeerden een vreemde eigenaardigheid in de kwantumstructuur van het molecuul die verklaart waarom het zo'n krachtig broeikasgas is - en waarom het pompen van meer koolstof in de lucht de klimaatverandering veroorzaakt. De bevindingen verschenen in Het planetaire wetenschappelijke tijdschrift.

“Het is echt een mooi papier,” zei Raymond Pierrehumbert, een atmosferisch natuurkundige aan de Universiteit van Oxford die niet bij het werk betrokken was. “Het is een goed antwoord op al die mensen die zeggen dat de opwarming van de aarde alleen maar iets is dat voortkomt uit ondoordringbare computermodellen.”

Integendeel, de opwarming van de aarde is gekoppeld aan een numeriek toeval waarbij twee verschillende manieren betrokken zijn waarop CO2 plaatsvindt₂ kan wiebelen.

“Als dit ongeval er niet was geweest,” zei Pierrehumbert, “zouden veel dingen anders zijn.”

Een oude conclusie

Hoe kon Arrhenius de basisprincipes van het broeikaseffect begrijpen voordat de kwantummechanica zelfs maar ontdekt was? Het begon met Joseph Fourier, een Franse wiskundige en natuurkundige die precies 200 jaar geleden besefte dat de atmosfeer van de aarde de planeet isoleert tegen de vrieskou van de ruimte, een ontdekking die het veld van de klimaatwetenschap lanceerde. Vervolgens merkte een Amerikaan, Eunice Foote, in 1856 op dat kooldioxide bijzonder goed is in het absorberen van straling. Vervolgens mat de Ierse natuurkundige John Tyndall de hoeveelheid infrarood licht die COXNUMX uitstraalt₂ absorbeert, wat het effect laat zien dat Arrhenius vervolgens kwantificeerde met behulp van basiskennis over de aarde.

De aarde straalt warmte uit in de vorm van infrarood licht. De essentie van het broeikaseffect is dat een deel van dat licht, in plaats van rechtstreeks naar de ruimte te ontsnappen, CO2 treft₂ moleculen in de atmosfeer. Een molecuul absorbeert het licht en zendt het vervolgens opnieuw uit. Dan doet een ander dat. Soms gaat het licht terug naar het oppervlak. Soms gaat hij de ruimte in, waardoor de aarde een jota koeler wordt, maar pas nadat hij een grillig pad naar de koude bovenlagen van de atmosfeer heeft afgelegd.

Gebruikmakend van een ruwere versie van dezelfde wiskundige benadering die klimaatwetenschappers vandaag de dag gebruiken, concludeerde Arrhenius dat het toevoegen van meer CO₂ zou ervoor zorgen dat het aardoppervlak warmer wordt. Het is alsof je isolatie in je muren toevoegt om je huis in de winter warmer te houden: de warmte uit je oven komt met dezelfde snelheid binnen, maar ontsnapt langzamer.

Een paar jaar later publiceerde de Zweedse natuurkundige Knut Ångström echter een weerwoord. Hij betoogde dat CO₂ moleculen absorberen slechts een specifieke golflengte van infraroodstraling: 15 micron. En er was al genoeg gas in de atmosfeer om 100% van het 15 micron grote licht dat de aarde uitzendt op te vangen, dus er komt nog meer COXNUMX bij.₂ niets zou doen.

Wat Ångström miste was dat CO₂ kan golflengten iets korter of langer dan 15 micron absorberen, hoewel minder gemakkelijk. Dit licht wordt tijdens zijn reis naar de ruimte minder vaak opgevangen.

Maar die opvangsnelheid verandert als de hoeveelheid koolstofdioxide verdubbelt. Nu moet het licht twee keer zoveel moleculen ontwijken voordat het ontsnapt, en het wordt onderweg vaker geabsorbeerd. Het ontsnapt uit een hogere, koudere laag van de atmosfeer, waardoor de uitstroom van warmte vertraagt ​​tot een straaltje. Het is de verhoogde absorptie van deze golflengten van bijna 15 micron die verantwoordelijk is voor ons veranderende klimaat.

Ondanks de fout wierp het artikel van Ångström onder zijn tijdgenoten genoeg twijfel op aan de theorie van Arrhenius, namelijk dat de discussie over klimaatverandering een halve eeuw lang min of meer de mainstream had verlaten. Zelfs vandaag de dag citeren sceptici van de consensus over klimaatverandering soms het onjuiste argument van Ångström over koolstofverzadiging.

Back to Basics

In tegenstelling tot die begindagen is het moderne tijdperk van de klimaatwetenschap grotendeels vooruitgegaan door middel van computationele modellen die de vele complexe en chaotische facetten van onze rommelige, veranderende atmosfeer vastleggen. Voor sommigen maakt dit de conclusies moeilijker te begrijpen.

"Ik heb met veel sceptische natuurkundigen gesproken, en een van hun bezwaren is: 'Jullie draaien gewoon computermodellen, en dan nemen jullie de antwoorden uit deze black-box-berekening, en jullie begrijpen het niet diep'" gezegd Nadir Jeevanjee, een atmosferisch natuurkundige bij de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). “Het is een beetje onbevredigend om niet aan iemand op een schoolbord uit te kunnen leggen waarom we de cijfers krijgen die we krijgen.”

Jeevanjee en anderen zoals hij hebben geprobeerd een eenvoudiger begrip van de impact van CO2 op te bouwen₂ concentratie op het klimaat.

Een belangrijke vraag was de oorsprong van de logaritmische schaalvergroting van het broeikaseffect: de temperatuurstijging van 2 tot 5 graden die volgens modellen zal plaatsvinden bij elke verdubbeling van de COXNUMX-uitstoot.₂. Eén theorie stelde dat de schaalvergroting voortkomt uit hoe snel de temperatuur daalt met de hoogte. Maar in 2022 gebruikte een team van onderzoekers een eenvoudig model om te bewijzen dat de logaritmische schaling voortkomt uit de vorm van het absorptiespectrum van koolstofdioxide – hoe het vermogen om licht te absorberen varieert met de golflengte van het licht.

Dit gaat terug naar die golflengten die iets langer of korter zijn dan 15 micron. Een cruciaal detail is dat koolstofdioxide slechter is – maar niet veel slechter – in het absorberen van licht met die golflengten. De absorptie neemt aan weerszijden van de piek af met precies de juiste snelheid om aanleiding te geven tot de logaritmische schaling.

“De vorm van dat spectrum is essentieel”, zegt hij David Romps, een klimaatfysicus aan de Universiteit van Californië, Berkeley, die co-auteur was van het artikel uit 2022. "Als je het verandert, krijg je niet de logaritmische schaal."

De vorm van het koolstofspectrum is ongebruikelijk: de meeste gassen absorberen een veel kleiner golflengtebereik. “De vraag die ik in mijn achterhoofd had was: waarom heeft het deze vorm?” aldus Romps. “Maar ik kon er de vinger niet op leggen.”

Gevolgenige wiggles

Wordsworth en zijn co-auteurs Jacob Seeley en Keith Shine wendden zich tot de kwantummechanica om het antwoord te vinden.

Licht bestaat uit energiepakketjes die fotonen worden genoemd. Moleculen zoals CO₂ kan ze alleen absorberen als de pakketjes precies de juiste hoeveelheid energie hebben om het molecuul in een andere kwantummechanische toestand te brengen.

Koolstofdioxide bevindt zich gewoonlijk in zijn ‘grondtoestand’, waar de drie atomen een lijn vormen met het koolstofatoom in het midden, op gelijke afstand van de andere. Het molecuul heeft ook ‘opgewonden’ toestanden, waarin de atomen golven of rondzwaaien.

Een foton van 15 micron licht bevat precies de energie die nodig is om het koolstofatoom in een soort hoelahoepbeweging rond het middelpunt te laten wervelen. Klimaatwetenschappers hebben deze hoelahoepstaat lange tijd de schuld gegeven van het broeikaseffect, maar – zoals Ångström had verwacht – vereist het effect een te precieze hoeveelheid energie, ontdekten Wordsworth en zijn team. De hoelahoeptoestand kan de relatief langzame afname van de absorptiesnelheid van fotonen verder dan 15 micron niet verklaren, en kan dus ook de klimaatverandering op zichzelf niet verklaren.

De sleutel, zo ontdekten ze, is een ander soort beweging, waarbij de twee zuurstofatomen herhaaldelijk naar en van het koolstofcentrum bewegen, alsof ze een veer die ze verbindt, uitrekken en samendrukken. Deze beweging kost te veel energie om alleen door de infraroodfotonen van de aarde te worden veroorzaakt.

Maar de auteurs ontdekten dat de energie van de strekbeweging zo bijna het dubbele is van die van de hoelahoepbeweging, dat de twee bewegingstoestanden met elkaar vermengen. Er bestaan ​​speciale combinaties van de twee bewegingen, die iets meer of minder vereisen dan de exacte energie van de hoelahoepbeweging.

Dit unieke fenomeen wordt Fermi-resonantie genoemd, naar de beroemde natuurkundige Enrico Fermi, die het in 1931 in een artikel heeft afgeleid. Maar de verbinding met het klimaat op aarde werd pas voor het eerst gemaakt een krant vorig jaar door Shine en zijn student, en de krant dit voorjaar is de eerste die dit volledig blootlegt.

"Het moment waarop we de voorwaarden van deze vergelijking opschreven en zagen dat het allemaal bij elkaar klikte, voelde behoorlijk ongelooflijk", zei Wordsworth. “Het is een resultaat dat ons eindelijk laat zien hoe direct de kwantummechanica verband houdt met het grotere geheel.”

In sommige opzichten, zei hij, helpt de berekening ons de klimaatverandering beter te begrijpen dan welk computermodel dan ook. “Het lijkt gewoon een fundamenteel belangrijk iets om in een vakgebied te kunnen zeggen dat we vanuit basisprincipes kunnen laten zien waar alles vandaan komt.”

Joanna Haigh, een atmosferisch fysicus en emeritus professor aan het Imperial College London, was het daarmee eens en zei dat het artikel retorische kracht toevoegt aan de argumenten voor klimaatverandering door aan te tonen dat deze “gebaseerd is op fundamentele kwantummechanische concepten en gevestigde natuurkunde.”

In januari meldde het Global Monitoring Laboratory van NOAA dat de concentratie van CO₂ in de atmosfeer is gestegen van het pre-industriële niveau van 280 delen per miljoen naar een recordhoogte van 419.3 delen per miljoen in 2023, wat tot nu toe naar schatting een opwarming van 1 graad Celsius heeft veroorzaakt.