كان السؤال الرئيسي هو أصل القياس اللوغاريتمي لتأثير الاحتباس الحراري – ارتفاع درجة الحرارة بمقدار درجتين إلى خمس درجات والذي تتوقع النماذج حدوثه مع كل مضاعفة لثاني أكسيد الكربون.2كانت إحدى النظريات تقول إن التغير في درجة الحرارة يأتي من سرعة انخفاض درجة الحرارة مع الارتفاع. ولكن في عام 2022، استخدم فريق من الباحثين نموذجًا بسيطًا لإثبات أن التغير في درجة الحرارة يأتي من شكل “طيف” امتصاص ثاني أكسيد الكربون – كيف تختلف قدرته على امتصاص الضوء باختلاف طول موجة الضوء.
يعود هذا إلى تلك الأطوال الموجية التي تكون أطول أو أقصر قليلاً من 15 ميكرون. وتتمثل إحدى التفاصيل المهمة في أن ثاني أكسيد الكربون أسوأ – ولكن ليس أسوأ كثيراً – في امتصاص الضوء بهذه الأطوال الموجية. ينخفض الامتصاص على جانبي الذروة بالمعدل الصحيح تمامًا لإحداث التدرج اللوغاريتمي.
وقال ديفيد رومبس، عالم الفيزياء المناخية بجامعة كاليفورنيا في بيركلي، والذي شارك في تأليف ورقة بحثية عام 2022: “شكل هذا الطيف ضروري. إذا قمت بتغييره، فلن تحصل على القياس اللوغاريتمي”.
إن شكل طيف الكربون غير عادي، فمعظم الغازات تمتص نطاقًا أضيق بكثير من الأطوال الموجية. يقول رومبس: “كان السؤال الذي يدور في ذهني هو: لماذا يتخذ هذا الشكل؟ لكنني لم أستطع تحديد السبب”.
التذبذبات الناتجة
اتجه وردزوورث وزملاؤه جاكوب سيلي وكيث شاين إلى ميكانيكا الكم للعثور على الإجابة.
يتكون الضوء من حزم من الطاقة تسمى الفوتونات. الجزيئات مثل ثاني أكسيد الكربون2 لا يمكن امتصاصها إلا عندما تحتوي الحزم على المقدار الصحيح تمامًا من الطاقة لرفع الجزيء إلى حالة ميكانيكية كمية مختلفة.
عادة ما يكون ثاني أكسيد الكربون في حالته الأساسية، حيث تشكل ذراته الثلاث خطًا مع ذرة الكربون في المنتصف، على مسافة متساوية من الذرات الأخرى. كما أن الجزيء له حالات “مثارة” أيضًا، حيث تتأرجح ذراته أو تتأرجح.
يحتوي فوتون الضوء الذي يبلغ طوله 15 ميكرون على الطاقة الدقيقة المطلوبة لجعل ذرة الكربون تدور حول نقطة المركز في نوع من حركة حلقة الهولا. لطالما ألقى علماء المناخ باللوم على حالة حلقة الهولا في ظاهرة الاحتباس الحراري، ولكن – كما توقع أنجستروم – فإن التأثير يتطلب كمية دقيقة للغاية من الطاقة، كما وجد وردزوورث وفريقه. لا يمكن لحالة حلقة الهولا أن تفسر الانخفاض البطيء نسبيًا في معدل الامتصاص للفوتونات الأبعد من 15 ميكرون، وبالتالي لا يمكنها تفسير تغير المناخ بمفردها.
وقد وجد الباحثون أن المفتاح يكمن في نوع آخر من الحركة، حيث تتحرك ذرتا الأكسجين بشكل متكرر نحو مركز الكربون ثم تبتعدان عنه، وكأنها تعمل على شد وضغط زنبرك يربط بينهما. وتتطلب هذه الحركة قدراً كبيراً من الطاقة لا يمكن إحداثه بواسطة فوتونات الأشعة تحت الحمراء على الأرض بمفردها.
ولكن وجد الباحثون أن طاقة حركة التمدد قريبة جدًا من ضعف طاقة حركة حلقة الهولا هوب، بحيث تمتزج حالتا الحركة مع بعضهما البعض. وتوجد تركيبات خاصة للحركتين، تتطلب طاقة أكبر أو أقل بقليل من طاقة حركة حلقة الهولا هوب بالضبط.
تُسمى هذه الظاهرة الفريدة رنين فيرمي نسبة إلى الفيزيائي الشهير إنريكو فيرمي، الذي استنتجها في ورقة بحثية عام 1931. لكن ارتباطها بمناخ الأرض لم يُثبت إلا للمرة الأولى في ورقة بحثية نشرها شاين وتلميذه العام الماضي، والورقة البحثية التي نُشرت هذا الربيع هي الأولى التي تكشف عن هذه الظاهرة بالكامل.
