Er rétt að gróðurhúsaáhrif koltvíoxíðs hafi náð hámarki og valdi þess vegna ekki meiri hitaaukningu á jörðinni?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Er rétt að gróðurhúsaáhrif koltvíoxíðs hafi náð hámarki og valdi þess vegna ekki meiri hitaaukningu á jörðinni?
Spurningin í fullri lengd hljóðaði svona:

Er rétt að gróðurhúsaáhrif koltvíoxíðs hafi náð hámarki þannig að frekari viðbót í andrúmsloftinu valdi ekki meiri hitaaukningu á jörðinni?

Stutta svarið er nei. Þetta er hins vegar afar áhugaverð spurning sem kallar á smá sögulegan inngang auk skýringar sem á rætur sínar að rekja til skammtafræðilegra eiginleika koltvíoxíðsameindanna, CO₂.

Kenningin um að koltvíoxíð (CO₂, einnig nefnt koltvíildi) í andrúmsloftinu orsaki gróðurhúsaáhrif á jörðinni og að aukning þess geti leitt til vaxandi hita á yfirborði jarðar á rætur sínar að rekja allt til ársins 1896 þegar sænski eðlisefnafræðingurinn Svante Arrhenius (1859-1927)^[1] birti um það vísindagrein.^[2] Kenning hans, sem enn er í gildi, fólst í því að CO₂ sameindirnar gleypa hitageislun á innrauða litrófssviðinu sem stafar frá jörðinni. Þessi hitageislun er afleiðing af sólargeislun sem nær til yfirborðs jarðar (mynd 1). Í kjölfarið geisla sameindirnar frekari hitageislun í allar áttir, að hluta til aftur til jarðar, sem viðheldur hita á yfirborði jarðar. Ef styrkur gróðurhúsalofttegunda eykst í andrúmsloftinu þá aukast þessi áhrif.^[3]

Fáum árum eftir þessa opinberun benti sænski eðlisfræðingurinn Knut Ångström (1857-1910)^[4] hins vegar á að magn koltvíoxíðs í andrúmslofti væri þegar það mikið að það jafngilti nálægt 100% gleypni hitageislunar og að frekari aukning CO₂ í andrúmsloftinu ætti því ekki að valda meiri hitaaukningu á jörðu. Máli sínu til stuðning sýndi hann niðurstöður mælinga á gleypni hitageislunar frá jörðu af völdum CO₂ fyrir bylgjulengdina 15 μm, sem er einkennandi fyrir sameindina (sjá mynd 2). Þrátt fyrir þessar mótsagnir hafa mælingar annars vegar á magni CO₂ í andrúmslofti og hins vegar á hitabreytingum á yfirborði jarðar frá upphafi iðnbyltingar (um 1800) sýnt greinilega fylgni þarna á milli, sem bendir til þess að kenning Arrheniusar sé rétt.^[5]

Í ljós hefur komið að breytingin í hitastigi vex „ólínulega“ með styrk CO₂ þannig að við hverja tvöföldun í styrk CO₂ eykst hitinn á jörðu að jafnaði um 3 gráður Celsíus, sem jafngildir svonefndum logratengslum.^[6] Það var hins vegar ekki fyrr en vorið 2024, 128 árum frá birtingu kenningar Arrheniusar, að loks tókst að skýra í hverju þessar mótsagnir fólust.^[7] Í stuttu máli felst skýringin í sérkennilegum eiginleikum CO₂ sameindarinnar sem samræmast kenningum skammtafræðinnar og staðfestar hafa verið með nákvæmum litrófsgreiningum. Hér á eftir verður gerð lausleg grein fyrir í hverju þetta felst en nánari skýringar er að finna í viðeigandi tilvísunum.

Gróðurhúsaáhrif koltvíoxíðs háð skammtafræði sameindanna (CO₂)

Eitt af grundvallaratriðum skammtafræðinnar er að orku efniseinda, á borð við frumeindir (atóm) og sameindir, eru takmörk sett. Í stað þess að orka sé samfellt breytanleg (það er ekki takmörkum háð innan einhverra eðlilegra marka), eins og við eigum yfirleitt að venjast í okkar reynsluheimi fyrir miklu stærri hluti, þá komi hún fyrir í afmörkuðum skömmtum í heimi hinna smáu einda. Þetta liggur einmitt til grundvallar því að gleypni sameinda á borð við CO₂ á hitageislun takmarkast við ákveðnar bylgjulengdir og aðrar ekki.

Samkvæmt þessu er einfaldasta skýringin á því að CO₂ sameindir gleypa einungis 15 μm hitageislun (mynd 2) sú að orka þeirrar geislunar yfirfærist á CO₂ sameindir með þeim afleiðingum að titringsorka sameindanna eykst um samsvarandi orkuskammt. Þetta jafngildir orkutilfærslu sameindanna úr titringssnauðu orkuþrepi (skammtaþrepi) í titringsríkara orkuþrep (skammtaþrep) eins og sýnt er á mynd 3a, til vinstri. Titringur sameindarinnar er með þeim hætti að tengin milli C og O atómanna beygja upp og niður líkt og fugl sem blakar vængjum (beygjutitringur).

Mælingar á hitageislun við 15 μm bylgjulengd gefur þá mynd af gleypni sameindanna háð bylgjulengd eins og sést á mynd 3a, til hægri. Þessi skýring hefur lengst af legið til grundvallar gleypni CO₂ á hitageisluninni sem stafar frá yfirborði jarðar. Nýlega hefur hins vegar verið sýnt fram á að skýringin er ekki fullnægjandi.^{[8][9][10][11]}

Mynd 3b gefur nánari skýringu á gleypnilitrófi CO₂ sameindarinnar í nánd við 15 μm. Í stað þess að litrófið sé einn litrófstoppur vegna einnar orkutilfærslu eins og lýst var hér að ofan í tengslum við mynd 3a þá samanstendur það af fimm toppum sem eru tilkomnir vegna fimm tilfærslna milli mismunandi orkuþrepa. Sem fyrr er í grundvallaratriðum um að ræða tilfærslur milli orkuþrepa fyrir beygjutitring, en nú koma fleiri orkuþrep við sögu þar sem titringsorkan eykst eftir því sem ofar dregur á mynd 3b, sem jafngildir meiri hita. Auk þess verða efstu orkuástöndin fyrir áhrifum af nærliggjandi (í orku) titringsástöndum þar sem teygist á C=O tengjunum (teygjutitringur) þannig að titringur sameindanna ber keim af báðum titringsformunum og orka þrepanna breytist/hliðrast.

Hér er um að ræða annað mikilvægt grundvallaratriði skammtafræðinnar, sem segir að sama eindin geti fyrirfundist á fleiri en einu ólíku formi samtímis í einhverjum hlutföllum. Aftur er hér um að ræða fyrirbæri í andstöðu við okkar reynsluheim þar sem við eigum því að venjast að hlutir eða fyrirbæri sem við umgöngumst séu á einu ákveðnu formi. Þessu hefur verið líkt við kött innilokaðan í kassa við hættulegar aðstæður sem gæti samtímis verið lifandi og dauður, hinn frægi köttur Schrödingers.^[12] Afleiðingin af þessari „blöndun“ ástanda er að tilfærslur breytast, sem í senn leiðir til þess að litrófið samanstendur af toppum sem fram koma við mismunandi bylgjulengdir og eru misstórir, háð hitastigi, eins og sýnt er á mynd 3b til hægri.

Það er skemmst frá því að segja að áhrif þessara skammtafræðilegu eiginleika á hitageisla-gleypni CO₂ sameindanna eru með þeim hætti, þegar grannt er skoðað,^[13] að aukinn styrkur sameindanna í andrúmsloftinu veldur einmitt ólínulegri hitaaukningu í samræmi við lograhegðun eins og mælingar sýna og nefnt var hér ofar.

Í raun er þetta enn eitt dæmið um gagnsemi skammtafræðinnar^[14] til að skýra athuganir og mælingar sem framkvæmdar hafa verið. Sem slíkt rennir það sífellt styrkari stoðum undir réttmæti skammtafræðinnar sem einnar helstu kenningar um eðli efnisheimsins.

Tilvísanir:

1. ^ Svante Arrhenius. (2024, 12. apríl). Wikipedia. https://is.wikipedia.org/wiki/Svante_Arrhenius
2. ^ Arrhenius, S. (1896). XXXI. On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 41(251), 237–276. https://doi.org/10.1080/14786449608620846
3. ^ Ágúst Kvaran. (2024, 28. febrúar). Hvernig er hægt að sýna fram á að koltvíoxið valdi gróðurhúsaáhrifum á jörðinni? Vísindavefurinn. https://visindavefur.is/svar.php?id=29976
4. ^ Knut Ångström. (2025, 20. janúar). Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Knut_%C3%85ngstr%C3%B6m
5. ^ Ágúst Kvaran, 2024.
6. ^ Wordsworth, R., Seeley, J. T., & Shine, K. P. (2024). Fermi Resonance and the Quantum Mechanical Basis of Global Warming. The Planetary Science Journal, 5(3), 67. https://doi.org/10.3847/PSJ/ad226d
7. ^ Wordsworth o.fl, 2024.
8. ^ Wordsworth o.fl, 2024.
9. ^ Howlett, J. (2024, 7. ágúst). Physicists Pinpoint the Quantum Origin of the Greenhouse Effect. Quanta Magazine. https://www.quantamagazine.org/physicists-pinpoint-the-quantum-origin-of-the-greenhouse-effect-20240807/
10. ^ Romps, D. M., Seeley, J. T., & Edman, J. P. (2022). Why the Forcing from Carbon Dioxide Scales as the Logarithm of Its Concentration. Journal of Climate, 35(13), 4027-4047. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-21-0275.1
11. ^ Shine, K. P., & Perry, G. E. (2023). Radiative forcing due to carbon dioxide decomposed into its component vibrational bands. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 149(754), 1856-1866. https://doi.org/https://doi.org/10.1002/qj.4485
12. ^ Jakob Yngvason. (2011, 16. febrúar). Hver var Erwin Schrödinger og hvert var framlag hans til skammtafræðinnar? Vísindavefurinn. https://visindavefur.is/svar.php?id=58391
13. ^ Wordsworth o.fl, 2024.
14. ^ Rétt er vekja athygli á því að þegar þetta svar er skrifað er ári skammtafræðinngar fagnað: IYQ 2025. (2025, 7. mars). IYQ 2025. https://quantum2025.org

Myndir:

• Yfirlitsmynd: Sunlight rays falling on earth.jpg. Wikimedia Commons. Höfundur myndar: Aasish Giri. Birt undir CC BY-SA 4.0 leyfi. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sunlight_rays_falling_on_earth.jpg
• Mynd 1. Greenhouse-effect-t2.svg. Wikimedia Commons. CC BY-SA 4.0 leyfi. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Greenhouse-effect-t2.svg
• Mynd 2. Byggt á mynd ÁK í svari við spurningunni Geta mismunandi lofttegundir og vatnsgufa valdið gróðurhúsaáhrifum?
• Myndir 3a og 3b: Úr safni ÁK.

...