溫室效應的量子起源

二氧化碳強大的吸熱效應可以追溯到其量子結構的一個奇異特性。這一發現可能比任何計算機模型都能更好地解釋氣候變化。

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

然而，直到最近，二氧化碳這種加熱現象的物理原因仍然成謎。

首先，在2022年，物理學家解決了關于溫室效應“對數比例”起源的爭議。這是指隨著二氧化碳濃度的加倍，地球溫度總會提升相同的溫度，和二氧化碳的初始濃度的數值無關。

之后，2024年春天，哈佛大學的羅賓 · 華茲華斯（Robin Wordsworth）領導的一個研究小組首先發現了二氧化碳分子能夠很好地捕捉熱量的原因。研究人員發現，這種分子的量子結構有一個奇怪的特性，可以解釋為什么它是如此強大的溫室氣體，以及為什么向大氣中注入更多的碳會導致氣候變化。這一發現發表在《行星科學雜志》（Planetary Science Journal）上。

牛津大學的大氣物理學家雷蒙德 · 皮埃安貝爾（Raymond Pierrehumbert）并未參與這項工作，但他指出：“這是一篇非常好的論文。對于那些認為全球變暖只是來自難以理解的計算機模型的人來說，這是一個很好的答案。”

實際上，全球變暖與二氧化碳的兩種不同擺動方式的數值巧合有關。

“如果不是這個巧合，” 皮埃安貝爾說，“那么很多事情都會變得不同。”

舊的結論

在量子力學出現之前，阿累尼烏斯時代的人如何理解溫室效應的基本原理？最開始，200年前的法國數學家和物理學家約瑟夫 · 傅立葉（Joseph Fourier）意識到，地球的大氣層使地球與太空的嚴寒隔絕，這一發現開創了氣候科學領域。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，愛爾蘭物理學家約翰 · 廷德爾（John Tyndall）測量了二氧化碳對紅外線的吸收值，對阿累尼烏斯的觀點給出了量化結果。

地球以紅外線的形式輻射熱量。溫室效應的關鍵點是，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。一個分子吸收光子后再發光，然后另一個分子繼續這一過程。有時，光線也會向下照射回到地表。有時它會飛向太空，讓地球涼爽一點點，但也只會穿過一條鋸齒狀的路徑到達寒冷的大氣層上方。

阿累尼烏斯使用的數學方法與今天的氣候科學家采用的相同，只是更粗略一些。他得出結論：地球大氣中二氧化碳的增加會導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散，但流失得更慢。

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

昂斯特倫忽略的一點是，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不多。

但是，如果二氧化碳的量翻一番，捕獲率就會改變。現在，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，所以熱量的外流會變慢為涓涓細流。正是近15微米波長輻射的高吸收率導致了氣候的變化。

盡管有錯誤，但昂斯特倫的論文還是讓同時代的人對阿累尼烏斯的理論產生了足夠的懷疑，使其關于氣候變化的觀點或多或少地退出了主流科研領域。即使在今天，對氣候變化的共識持懷疑態度的人有時也會引用昂斯特倫錯誤的碳“飽和”觀點。

回到基礎

與早期研究不同的是，現代氣候科學的發展很大程度上是通過計算模型來實現的，這些模型捕捉到了混亂多變的大氣中許多復雜莫測的因素。對一些人來說，這使得結論更難理解。

美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的大氣物理學家納迪爾 · 吉萬吉（Nadir Jeevanjee）說：“我和很多持懷疑態度的物理學家談過，他們反對的原因之一是‘你們只是運行計算機模型，然后從這個黑盒式的計算中得到答案，但你們并沒有深入理解它’。”“不能在黑板上向別人解釋為什么我們會得到這些數字，這總有些不完美。”

吉萬吉和其他像他一樣的人已經開始試圖對二氧化碳濃度對氣候的影響建立一個更簡單的理解方式。

一個關鍵問題是溫室效應對數比例的由來——模型預測二氧化碳濃度每翻一番，溫度就會上升2到5度。有一種理論認為，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簡單的模型來證明對數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。一個關鍵的細節是，二氧化碳在吸收這些波長的光方面表現得較差，但也沒有太差。吸收以恰到好處的速率在峰的兩側下降，從而產生對數比例。

“光譜的形狀至關重要。”加州大學伯克利分校的氣候物理學家大衛 · 羅姆普斯（David Romps）說。他是2022年那篇論文的合著者。“如果你改變了它，就不會得到對數比例。”

碳光譜的形狀是不尋常的——大多數氣體吸收的波長范圍要窄得多。“我腦海里的問題是：為什么它的形狀是這樣的？”羅姆普斯說，“但我無從下手。”

重要的擺動方式

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）轉向量子力學以尋找答案。

光是由稱為光子的能量包構成的。只有當光包具有恰當的能量來將分子提升到不同的量子力學狀態時，二氧化碳分子才能吸收它們。

二氧化碳通常處于“基態”，三個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”態，在激發態中，原子起伏或擺動。

一個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旋轉所需的精確能量。長期以來，氣候科學家一直將溫室效應歸咎于這個呼啦圈狀態，但正如昂斯特倫所預期的那樣，華茲華斯和他的團隊發現，這種效應需要的能量太過于精確了。呼啦圈狀態不能解釋光子吸收率在15微米以外下降得相對緩慢，因此它本身無法解釋氣候的變化。

他們發現，另一種類型的運動是關鍵。兩個氧原子反復地朝向和遠離碳中心擺動，就像拉伸和壓縮連接它們的彈簧一樣。這種運動需要太多的能量，以至于無法被地球的紅外輻射光子誘發。

但是科學家發現，拉伸運動的能量幾乎是呼啦圈運動的兩倍，因此兩種運動狀態相互混合。這兩種運動存在特殊組合，需要略高于或低于呼啦圈運動的確切能量。

這種獨特的現象被稱為費米共振，以著名物理學家恩里科 · 費米（Enrico Fermi）的名字命名，他在1931年的一篇論文中推導出了這一結果。但是，希恩和他的學生在2023年的一篇論文中首次提出了它與地球氣候的聯系，而2024年春天的這篇論文是第一篇完全體現這一結果的論文。

華茲華斯說：“當我們寫下這個方程的條件，看到所有的條件都存在時，感覺非常難以置信。這一結果最終向我們展示了量子力學是如何直接與更大的物理學圖景聯系在一起的。”

他說，在某些方面，這種理論計算比任何計算機模型都更有助于我們理解氣候變化。“在一個我們可以從基本原則中證明一切都來自何處的領域里，能夠得到結果是一件非常重要的事情。”

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

2024年1月，美國國家海洋和大氣管理局的全球監測實驗室報告說，大氣中的二氧化碳濃度已從工業化前的百萬分之280上升到2023年創紀錄的百萬分之419.3。據估計，到目前為止，這已導致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）是哥倫比亞大學物理學博士，現為多家雜志撰寫科學文章