How quantum mechanics explains global warming - Lieven Scheire

Переводчик: Pauline Hortman Редактор: Irina Zhandarova

You've probably heard that

Вам, вероятно, доводилось слышать,

carbon dioxide is warming the Earth,

что углекислый газ разогревает Землю —

but how does it work?

но как именно это работает?

Is it like the glass of a greenhouse

Как стекло в теплице,

or like an insulating blanket?

или как слой теплоизоляции?

Well, not entirely.

Не совсем.

The answer involves a bit

Ответ содержит немного квантовой механики.

of quantum mechanics, but don't worry,

Но не беспокойтесь,

we'll start with a rainbow.

мы начнём с радуги.

If you look closely at sunlight separated

Если взглянуть на солнечный свет,

through a prism,

расщеплённый призмой,

you'll see dark gaps where bands of color went missing.

то на месте пропавших цветных полосок можно увидеть тёмные полосы.

Where did they go?

Куда же подевались цвета?

Before reaching our eyes,

Пока свет добирался до ваших глаз,

different gases absorbed those

разные газы поглотили

specific parts of the spectrum.

некоторые части спектра.

For example, oxygen gas snatched up

Например, кислород поглотил

some of the dark red light,

часть тёмно-красного света,

and sodium grabbed two bands of yellow.

а натрий — две полосы жёлтого.

But why do these gases absorb

Но почему же эти газы поглощают

specific colors of light?

свет определённого цвета?

This is where we enter the quantum realm.

Вот тут нам пригодится квантовая механика.

Every atom and molecule has a set number

Каждый атом и молекула обладает заданным числом

of possible energy levels for its electrons.

возможных энергетических уровней для своих электронов.

To shift its electrons from the ground state

Чтобы переместить электроны

to a higher level,

с основного уровня на уровень выше,

a molecule needs to gain a certain amount of energy.

молекуле нужно получить определённое количество энергии.

No more, no less.

Ни больше, ни меньше.

It gets that energy from light,

Молекула получает эту энергию от света, который обладает

which comes in more energy levels than you could count.

таким количеством энергетических уровней, что и сосчитать невозможно.

Light consists of tiny particles called photons

Свет состоит из крошечных частиц — фотонов.

and the amount of energy in each photon

Количество энергии в каждом фотоне

corresponds to its color.

определяет его цвет.

Red light has lower energy and longer wavelengths.

У красного цвета энергии меньше и волны длиннее.

Purple light has higher energy and shorter wavelengths.

У пурпурного — энергии больше, а волны короче.

Sunlight offers all the photons of the rainbow,

Солнечный свет содержит фотоны всех цветов радуги,

so a gas molecule can choose

поэтому молекулы газа находят фотоны,

the photons that carry the exact amount of energy

несущие точный заряд энергии,

needed to shift the molecule to

необходимый им для сдвига электронов

its next energy level.

на следующий энергетический уровень.

When this match is made,

Когда молекула находит подходящий фотон,

the photon disappers as the molecule

этот фотон исчезает,

gains its energy,

поскольку его энергия переходит к молекуле,

and we get a small gap in our rainbow.

а мы видим пробел в цветовом спектре.

If a photon carries too much or too little energy,

Если фотон несёт слишком много или мало энергии,

the molecule has no choice but

молекуле остаётся только

to let it fly past.

пропустить его.

This is why glass is transparent.

Именно поэтому стекло прозрачное.

The atoms in glass do not pair well

Атомы стекла не улавливают фотоны

with any of the energy levels in visible light,

с энергетическими уровнями видимого светового спектра,

so the photons pass through.

поэтому фотоны проходят сквозь стекло.

So, which photons does carbon dioxide prefer?

Итак, какие же фотоны предпочитает углекислый газ?

Where is the black line in our rainbow

Где та тёмная полоса в нашей радуге,

that explains global warming?

объясняющая глобальное потепление?

Well, it's not there.

Её там нет.

Carbon dioxide doesn't absorb light directly

Углекислый газ не поглощает

from the Sun.

свет от Солнца.

It absorbs light from a totally

Он улавливает свет от совершенно

different celestial body.

другого небесного тела,

One that doesn't appear to be emitting light at all:

которое вроде и не излучает никакого света —

Earth.

от Земли.

If you're wondering why our planet

Если вы не видели,

doesn't seem to be glowing,

чтобы Земля светилась,

it's because the Earth doesn't emit visible light.

то это потому, что она не излучает видимый свет.

It emits infared light.

Земля излучает инфракрасный свет.

The light that our eyes can see,

Свет, видимый нашему глазу,

including all of the colors of the rainbow,

включая все цвета радуги —

is just a small part of the larger spectrum

это лишь малая часть большего спектра

of electromagnetic radiation,

электромагнитного излучения,

which includes radio waves, microwaves,

который также содержит радиоволны,

infrared, ultraviolet, x-rays,

микроволновое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение,

and gamma rays.

рентгеновские и гамма-лучи.

It may seem strange to think of these things as light,

Кажется странной мысль о том, что всё это свет,

but there is no fundamental difference

но фундаментальной разницы

between visible light and other electromagnetic radiation.

между видимым светом и другим электромагнитным излучением нет.

It's the same energy,

Это та же энергия,

but at a higher or lower level.

но на более высоком или низком уровне.

In fact, it's a bit presumptuous to define

На самом деле, довольно самонадеянно

the term visible light by our own limitations.

ограничивать видимый свет нашими возможностями.

After all, infrared light is visible to snakes,

Змеи, например, видят инфракрасный свет,

and ultraviolet light is visible to birds.

а птицы — ультрафиолетовый.

If our eyes were adapted to see light of

Если бы наши глаза могли видеть свет

1900 megahertz, then a mobile phone

с частотой 1900 МГц,

would be a flashlight,

то мобильный телефон стал бы фонариком,

and a cell phone tower

а вышка сотовой связи —

would look like a huge lantern.

огромным маяком.

Earth emits infrared radiation

Земля испускает инфракрасное излучение,

because every object with a temperature

поскольку любой объект с температурой

above absolute zero will emit light.

выше абсолютного нуля излучает свет.

This is called thermal radiation.

Это называют тепловым излучением.

The hotter an object gets,

Чем горячее становится объект,

the higher frequency the light it emits.

тем выше частота излучаемого им света.

When you heat a piece of iron,

Если нагреть железо, оно станет излучать

it will emit more and more frequencies of infrared light,

всё более высокие частоты инфракрасного света,

and then, at a temperature of around 450 degrees Celsius,

а затем, при температуре около 450 градусов Цельсия,

its light will reach the visible spectrum.

излучаемый свет перейдёт в видимый нами спектр.

At first, it will look red hot.

Сначала железо будет раскалено докрасна,

And with even more heat,

а с повышением температуры

it will glow white

засияет белым,

with all of the frequencies of visible light.

со всеми частотами видимого света.

This is how traditional light bulbs

Так устроены традиционные

were designed to work

электрические лампы,

and why they're so wasteful.

и именно поэтому они такие неэкономичные.

95% of the light they emit is invisible to our eyes.

95% испускаемого ими света не видимо для наших глаз.

It's wasted as heat.

Это тепловые потери.

Earth's infrared radiation would escape to space

Инфракрасное излучение Земли улетело бы в космос,

if there weren't greenhouse gas molecules

если бы не молекулы парникового газа

in our atmophere.

в нашей атмосфере.

Just as oxygen gas prefers the dark red photons,

Так же как кислород предпочитает фотоны тёмно-красного цвета,

carbon dioxide and other greenhouse gases

углекислый газ и прочие парниковые газы

match with infrared photons.

улавливают инфракрасные фотоны.

They provide the right amount of energy

Такие фотоны содержат количество энергии, необходимое

to shift the gas molecules into their higher energy level.

для сдвига молекул газа на высшие энергетические уровни.

Shortly after a carbon dioxide molecule

Молекула углекислого газа,

absorbs an infrared photon,

поглотив инфракрасный фотон,

it will fall back to its previous energy level,

почти сразу возвращается к исходному энергетическому уровню

and spit a photon back out in a random direction.

и выбрасывает фотон в случайном направлении.

Some of that energy then returns

Некоторая часть этой энергии

to Earth's surface,

возвращается на поверхность Земли,

causing warming.

вызывая потепление.

The more carbon dioxide in the atmosphere,

Чем больше углекислого газа в атмосфере,

the more likely that infrared photons

тем чаще инфракрасные фотоны

will land back on Earth

будут возвращаться на Землю,

and change our climate.

изменяя наш климат.