Neue Entdeckung erklärt, warum CO2 die Luft so effektiv erwärmt!

Kohlendioxid ist das Gas mit der größten Wirkung auf die globale Erwärmung, und das Geheimnis seines Erfolgs als Treibhausgas liegt in der besonderen Bewegung seiner Atome.

Kohlendioxid, Moleküle, Atome — Das Geheimnis des Erfolgs von Kohlendioxid als Treibhausgas liegt in der eigenartigen Bewegung seiner Atome.

Im Jahr 1856 machte eine fast vergessene amerikanische Wissenschaftlerin, Eunice Foote, eine überraschende Entdeckung. Mit einem einfachen Experiment wies sie die unglaubliche wärmeabsorbierende Kraft eines winzigen Moleküls nach: Kohlendioxid (CO2).

Seine Intuition war richtig: Er vermutete, dass eine Atmosphäre mit einer hohen CO2-Konzentration "die Temperatur unserer Erde erhöhen" würde und erklärte damit das Phänomen der globalen Erwärmung und lieferte eine wissenschaftliche Grundlage für frühere Fragen darüber, was unseren Planeten warm hält.

Die globale Erwärmung wird größtenteils durch Kohlendioxid (CO2) und andere Gase verursacht, die Infrarotstrahlung absorbieren und die Wärme in der Erdatmosphäre zurückhalten, ein Phänomen, das als Treibhauseffekt bekannt ist. Die Neugier auf CO2 ist mehr als berechtigt: Die derzeitigen Werte sind die höchsten der letzten 3 Millionen Jahre.

Heute, mehr als 160 Jahre später, gehen Wissenschaftler diesem Beweis weiter nach. Eine aktuelle Studie der Harvard University zeigt, warum CO₂ die Wärme so gut speichern kann. Den Wissenschaftlern zufolge liegt das Geheimnis in der Art und Weise, wie das dreiatomige Molekül schwingt, wenn es die Infrarotstrahlung der Sonne absorbiert, was sich mit quantenmechanischen Effekten erklären lässt. Insbesondere ein Phänomen namens ResonanzvonFermi.

CO2 und die Fermi-Resonanz: Warum speichert das Gas so viel Wärme?

Wenn das CO2-Molekül die Infrarotstrahlung der Sonne absorbiert, bewegt es sich nicht nur als starre Einheit, sondern schwingt auch auf bestimmte Weise. Die beiden Sauerstoffatome können sich voneinander entfernen, wodurch das Molekül gestreckt wird, oder das Kohlenstoffatom kann sich um die Hauptachse des Moleküls drehen, wodurch es gebogen wird.

Kohlendioxid, Molekül — Diagramm, das zeigt, wie CO2-Moleküle schwingen.

Wenn sich zwei dieser Schwingungen zufällig treffen, entsteht ein "Quantenbrummen", eine sogenannte Fermi-Resonanz. Dies veranlasst die Moleküle, stärker zu schwingen, wodurch der Bereich der Strahlung, die sie absorbieren können, erweitert wird. "Diese Erweiterung ist wirklich entscheidend für das Verständnis, warum Kohlendioxid ein wichtiges Treibhausgas ist", sagte Robin Wordsworth, Wissenschaftler an der Harvard University und Hauptautor der Studie.

Die Fermi-Resonanz spielt eine entscheidende Rolle bei der Fähigkeit von CO₂, die Wärme in der Erdatmosphäre zu halten. Indem die Intensität und Breite der CO₂-Absorptionsbanden zunimmt, erhöht sich auch die Menge an Infrarotstrahlung, die von diesem Gas absorbiert wird.

Die Fermi-Resonanz beschreibt, wie sich unterschiedliche Richtungen und Muster, in denen Moleküle schwingen, gegenseitig beeinflussen und zu stärkeren Schwingungen führen können. Dies ist vergleichbar damit, wie zwei Pendel, die durch einen gemeinsamen Faden verbunden sind, die Amplitude der Schwingung des jeweils anderen verstärken können.

Das Team liefert nicht nur eine einfache Erklärung dafür, wie CO2 die Erde erwärmt, sondern sagt, dass seine Gleichungen auch helfen können, das Erwärmungspotenzial von Treibhausgasen, die in der Atmosphäre anderer Planeten nachgewiesen wurden, schnell abzuschätzen.

Was Wordsworth und sein Team jedoch nicht erklären konnten, ist die Frage, warum CO₂ auf so einzigartige Weise schwingt - eine Frage, die ohne eine Theorie von allem niemals beantwortet werden könnte. "Es scheint keinen klaren Grund zu geben, warum diese Resonanz in CO₂ auftritt", sagt Wordsworth. "Wir könnten uns ein anderes Universum vorstellen, in dem es ein wenig anders wäre und Kohlendioxid vielleicht nicht die gleichen Auswirkungen hätte", fügte er hinzu.

Quellenhinweis:

Wordsworth, R.; Seeley, J.; Shine, K. Fermi Resonance and the Quantum Mechanical Basis of Global Warming. ArXiv, 2024.