كان السؤال الرئيسي هو أصل القياس اللوغاريتمي لظاهرة الاحتباس الحراري – ارتفاع درجة الحرارة من 2 إلى 5 درجات الذي تتوقع النماذج حدوثه مقابل كل مضاعفة لثاني أكسيد الكربون2. تقول إحدى النظريات أن هذا التدرج يأتي من مدى سرعة انخفاض درجة الحرارة مع الارتفاع. لكن في عام 2022، استخدم فريق من الباحثين نموذجًا بسيطًا لإثبات أن المقياس اللوغاريتمي يأتي من شكل “لطيف” امتصاص ثاني أكسيد الكربون، وهو كيف تختلف قدرته على امتصاص الضوء باختلاف الطول الموجي للضوء.
يعود هذا إلى الأطوال الموجية التي تكون أطول أو أقصر قليلاً من 15 ميكرون. أحد التفاصيل الهامة هو أن ثاني أكسيد الكربون أسوأ – ولكن ليس أسوأ بكثير – في امتصاص الضوء بهذه الأطوال الموجية. وينخفض الامتصاص على جانبي الذروة بالمعدل المناسب تمامًا ليؤدي إلى القياس اللوغاريتمي.
وقال ديفيد رومبس، عالم فيزياء المناخ بجامعة كاليفورنيا، بيركلي، الذي شارك في تأليف ورقة بحثية لعام 2022: “إن شكل هذا الطيف ضروري”. “إذا قمت بتغييره، فلن تحصل على المقياس اللوغاريتمي.”
إن شكل طيف الكربون غير عادي، فمعظم الغازات تمتص نطاقًا أضيق بكثير من الأطوال الموجية. “السؤال الذي كان يدور في ذهني هو: لماذا يمتلك هذا الشكل؟” قال رومبس. “لكنني لم أتمكن من وضع إصبعي عليه.”
التذبذبات اللاحقة
تحول وردزورث وزملاؤه جاكوب سيلي وكيث شاين إلى ميكانيكا الكم للعثور على الإجابة.
يتكون الضوء من حزم من الطاقة تسمى الفوتونات. جزيئات مثل CO2 لا يمكن أن تمتصها إلا عندما تمتلك الحزم الكمية المناسبة تمامًا من الطاقة لرفع الجزيء إلى حالة ميكانيكية كمومية مختلفة.
عادة ما يتواجد ثاني أكسيد الكربون في “حالته الأرضية”، حيث تشكل ذراته الثلاث خطًا مع ذرة الكربون في المركز، على مسافة متساوية من الذرات الأخرى. وللجزيء حالات “مثارة” أيضًا، حيث تتموج ذراته أو تتأرجح.
يحتوي فوتون من ضوء 15 ميكرون على الطاقة الدقيقة المطلوبة لتجعل ذرة الكربون تدور حول النقطة المركزية في نوع من حركة الهولا هوب. ولطالما ألقى علماء المناخ باللوم على حالة الهولا هوب هذه في ظاهرة الاحتباس الحراري، ولكن – كما توقع أنجستروم – يتطلب التأثير كمية دقيقة للغاية من الطاقة، كما وجد وردزورث وفريقه. لا يمكن لحالة الهولا هوب أن تفسر الانخفاض البطيء نسبيًا في معدل امتصاص الفوتونات من 15 ميكرون، لذلك لا يمكنها تفسير تغير المناخ في حد ذاتها.
ووجدوا أن المفتاح هو نوع آخر من الحركة، حيث تتمايل ذرتا الأكسجين بشكل متكرر باتجاه مركز الكربون وبعيدًا عنه، كما لو أنهما يتمددان ويضغطان على زنبرك يربط بينهما. تستهلك هذه الحركة قدرًا كبيرًا من الطاقة بحيث لا يمكن إحداثها بواسطة فوتونات الأشعة تحت الحمراء للأرض بمفردها.
لكن الباحثين وجدوا أن طاقة حركة التمدد قريبة جدًا من ضعف طاقة حركة الهولا هوب، مما يؤدي إلى امتزاج حالتي الحركة مع بعضهما البعض. توجد مجموعات خاصة من الحركتين، تتطلب طاقة أكثر أو أقل بقليل من الطاقة الدقيقة لحركة الهولا هوب.
وتسمى هذه الظاهرة الفريدة رنين فيرمي نسبة إلى الفيزيائي الشهير إنريكو فيرمي، الذي اشتقها في ورقة بحثية عام 1931. لكن ارتباطها بمناخ الأرض لم يتم ذكره إلا للمرة الأولى في بحث أجراه شاين وطالبه العام الماضي، وكانت الورقة البحثية التي صدرت هذا الربيع هي الأولى التي تكشف ذلك بالكامل.
