二氧化碳强大的吸热效应可以追溯到其量子结构的一个奇异特性。这一发现可能比任何计算机模型都能更好地解释气候变化。

一个数值上的巧合有助于二氧化碳分子以某种方式摆动，从而捕获比其他方式多得多的地球红外辐射

1896年，瑞典物理学家斯万特 · 阿累尼乌斯（Svante Arrhenius）意识到二氧化碳会在地球大气层中积蓄热量，这种现象现在被称为温室效应。从那以后，越来越复杂的现代气候模型证实了阿累尼乌斯的结论：每当大气中的二氧化碳浓度翻一番，地球的温度就会上升2到5摄氏度。

然而，直到最近，二氧化碳这种加热现象的物理原因仍然成谜。

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

之后，2024年春天，哈佛大学的罗宾 · 华兹华斯（Robin Wordsworth）领导的一个研究小组首先发现了二氧化碳分子能够很好地捕捉热量的原因。研究人员发现，这种分子的量子结构有一个奇怪的特性，可以解释为什么它是如此强大的温室气体，以及为什么向大气中注入更多的碳会导致气候变化。这一发现发表在《行星科学杂志》（Planetary Science Journal）上。

牛津大学的大气物理学家雷蒙德 · 皮埃安贝尔（Raymond Pierrehumbert）并未参与这项工作，但他指出：“这是一篇非常好的论文。对于那些认为全球变暖只是来自难以理解的计算机模型的人来说，这是一个很好的答案。”

实际上，全球变暖与二氧化碳的两种不同摆动方式的数值巧合有关。

“如果不是这个巧合，” 皮埃安贝尔说，“那么很多事情都会变得不同。”

哈佛大学的气候科学家罗宾·华兹华斯利用量子力学来了解二氧化碳的吸收光谱

旧的结论

在量子力学出现之前，阿累尼乌斯时代的人如何理解温室效应的基本原理？最开始，200年前的法国数学家和物理学家约瑟夫 · 傅立叶（Joseph Fourier）意识到，地球的大气层使地球与太空的严寒隔绝，这一发现开创了气候科学领域。之后，在1856年，美国人尤尼斯 · 富特（Eunice Foote）观察到二氧化碳特别善于吸收辐射。接下来，爱尔兰物理学家约翰 · 廷德尔（John Tyndall）测量了二氧化碳对红外线的吸收值，对阿累尼乌斯的观点给出了量化结果。

地球以红外线的形式辐射热量。温室效应的关键点是，一些光并不是直接逃逸到太空，而是击中大气中的二氧化碳分子。一个分子吸收光子后再发光，然后另一个分子继续这一过程。有时，光线也会向下照射回到地表。有时它会飞向太空，让地球凉爽一点点，但也只会穿过一条锯齿状的路径到达寒冷的大气层上方。

阿累尼乌斯使用的数学方法与今天的气候科学家采用的相同，只是更粗略一些。他得出结论：地球大气中二氧化碳的增加会导致地球表面变得更热。这就像在你的墙壁上加上隔热材料，会让你的房子在冬天更暖和——从壁炉里出来的热量以同样的速度扩散，但流失得更慢。

然而，几年后，瑞典物理学家克努特 · 昂斯特伦（Knut ?ngstr?m）发表了一篇反驳文章。他认为二氧化碳分子只吸收15微米这一特定波长的红外辐射。而且大气中已经有足够的气体来百分百捕获地球发射的15微米辐射，所以增加更多的二氧化碳不会起到什么效果。

昂斯特伦忽略的一点是，二氧化碳可以吸收比15微米稍短或稍长波长的辐射，尽管效率不高。这种光在大气旅行中被捕获的次数不多。

但是，如果二氧化碳的量翻一番，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，而且在逃逸的过程中，光往往会被吸收更多次，然后才从更高、更冷的大气层中逃逸出来，所以热量的外流会变慢为涓涓细流。正是近15微米波长辐射的高吸收率导致了气候的变化。

尽管有错误，但昂斯特伦的论文还是让同时代的人对阿累尼乌斯的理论产生了足够的怀疑，使其关于气候变化的观点或多或少地退出了主流科研领域。即使在今天，对气候变化的共识持怀疑态度的人有时也会引用昂斯特伦错误的碳“饱和”观点。

回到基础

与早期研究不同的是，现代气候科学的发展很大程度上是通过计算模型来实现的，这些模型捕捉到了混乱多变的大气中许多复杂莫测的因素。对一些人来说，这使得结论更难理解。

美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的大气物理学家纳迪尔 · 吉万吉（Nadir Jeevanjee）说：“我和很多持怀疑态度的物理学家谈过，他们反对的原因之一是‘你们只是运行计算机模型，然后从这个黑盒式的计算中得到答案，但你们并没有深入理解它’。”“不能在黑板上向别人解释为什么我们会得到这些数字，这总有些不完美。”

吉万吉和其他像他一样的人已经开始试图对二氧化碳浓度对气候的影响建立一个更简单的理解方式。

一个关键问题是温室效应对数比例的由来——模型预测二氧化碳浓度每翻一番，温度就会上升2到5度。有一种理论认为，温度随海拔下降的速度决定了比例的大小。但在2022年，一组研究人员使用了一个简单的模型来证明对数比例来自二氧化碳吸收“光谱”的形状，即二氧化碳吸收光的能力如何随光的波长而变化。

这与近15微米波长的辐射有关。一个关键的细节是，二氧化碳在吸收这些波长的光方面表现得较差，但也没有太差。吸收以恰到好处的速率在峰的两侧下降，从而产生对数比例。

1896年，瑞典科学家斯万特·阿累尼乌斯第一个发现地球温度与大气中二氧化碳浓度水平的关系

“光谱的形状至关重要。”加州大学伯克利分校的气候物理学家大卫 · 罗姆普斯（David Romps）说。他是2022年那篇论文的合著者。“如果你改变了它，就不会得到对数比例。”

碳光谱的形状是不寻常的——大多数气体吸收的波长范围要窄得多。“我脑海里的问题是：为什么它的形状是这样的？”罗姆普斯说，“但我无从下手。”

重要的摆动方式

华兹华斯和他的合著者雅各布 · 希利（Jacob Seeley）以及基思 · 希恩（Keith Shine）转向量子力学以寻找答案。

光是由称为光子的能量包构成的。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，二氧化碳分子才能吸收它们。

二氧化碳通常处于“基态”，三个原子与中心的碳原子形成一条直线，彼此之间的距离相等。这种分子也有“激发”态，在激发态中，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呼啦圈的方式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个呼啦圈状态，但正如昂斯特伦所预期的那样，华兹华斯和他的团队发现，这种效应需要的能量太过于精确了。呼啦圈状态不能解释光子吸收率在15微米以外下降得相对缓慢，因此它本身无法解释气候的变化。

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

但是科学家发现，拉伸运动的能量几乎是呼啦圈运动的两倍，因此两种运动状态相互混合。这两种运动存在特殊组合，需要略高于或低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这一结果。但是，希恩和他的学生在2023年的一篇论文中首次提出了它与地球气候的联系，而2024年春天的这篇论文是第一篇完全体现这一结果的论文。

华兹华斯说：“当我们写下这个方程的条件，看到所有的条件都存在时，感觉非常难以置信。这一结果最终向我们展示了量子力学是如何直接与更大的物理学图景联系在一起的。”

他说，在某些方面，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。“在一个我们可以从基本原则中证明一切都来自何处的领域里，能够得到结果是一件非常重要的事情。”

伦敦帝国理工学院的大气物理学家、名誉教授乔安娜 · 黑格（Joanna Haigh）对此表示赞同。她说，这篇论文表明，气候变化是一门“基于基本量子力学概念和已建立的物理学”的科学，为气候科学增添了独特的色彩。

2024年1月，美国国家海洋和大气管理局的全球监测实验室报告说，大气中的二氧化碳浓度已从工业化前的百万分之280上升到2023年创纪录的百万分之419.3。据估计，到目前为止，这已导致1摄氏度的升温。

资料来源 Quanta Magazine

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本文作者约瑟夫·霍利特（Joseph Howlett）是哥伦比亚大学物理学博士，现为多家杂志撰写科学文章