▲一个数值上的巧合使得二氧化碳分子以某种方式摆动，从而能比原本吸收更多的地球红外线辐射。
1896年，瑞典物理学家斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）意识到二氧化碳（CO2）会在地球大气层中吸收热量——这一现象如今被称为温室效应。从那时起，日益复杂的现代气候模型已经证实了阿伦尼乌斯的核心结论：每当大气中的二氧化碳浓度翻倍，地球的温度就会上升2至5摄氏度。
不过，直到最近，二氧化碳为何会有这种表现的物理原因一直是个谜。
在2022年，物理学家解决了关于温室效应“对数标度（logarithmic scaling）”起源的争议。这指的是无论原始数字如何，地球温度随着二氧化碳浓度的增加而增加相同的量。
温室效应的对数标度（logarithmic scaling of the greenhouse effect）：随着温室气体剂量的增加，空气温度的变化既不是线性的也不是指数的，而是以对数形式变化。
2024年春天，由哈佛大学的罗宾·沃兹沃思（Robin Wordsworth）领导的一个团队，率先理清了为什么二氧化碳分子如此擅长吸收热量。研究人员发现了该分子量子结构的一个奇怪特性，从而解释了为什么二氧化碳是如此强大的温室气体——以及为什么向空气中排放更多的碳会导致气候变化。研究结果发表于《行星科学杂志（The Planetary Science Journal）》
古老的结论
在量子力学被发现之前，阿伦尼乌斯如何能理解温室效应的基本原理呢？这可以追溯至法国数学家、物理学家约瑟夫・傅里叶（Joseph Fourier）。200 年前，傅里叶认识到大气层使地球与太空严寒隔绝，这一发现是气候科学领域的开端。1856 年美国人尤妮斯・富特（Eunice Foote）发现二氧化碳善于吸收辐射，1859 年爱尔兰物理学家约翰・廷德尔（John Tyndall）测量了二氧化碳吸收的红外辐射量，阿伦尼乌斯随后进一步量化了此效应。
▲斯万特·阿伦尼乌斯
地球以红外线的形式辐射热量。温室效应的作用体现在，部分红外光不是直接辐射到太空，而是撞击到大气中的二氧化碳分子。二氧化碳分子吸收红外光后重新向外辐射，有些返回地表，引起地球温度上升；有些发射到太空。
温室效应：所谓的温室效应，是指一些能够吸收长波辐射的气体，在吸收地表向高空发出的长波辐射之后，引起空间温度上升，其整个作用过程与温室中所发生的升温过程相似。这里所说的长波，指的是波长大于可见光的红外辐射；这些能吸收长波的气体，就叫做温室气体。
阿伦尼乌斯使用了与当今气候学家相同方法的更简略版本，研究得出了增加更多的二氧化碳会导致地球表面变暖的结论。这就像在冬天给墙壁加保温层以保持房屋温暖一样：炉子里的热量以相同的速度进入房间，但散发的速度却更慢。
而瑞典物理学家安德斯·埃格斯特朗（Knut Ångström）对此持反对意见。他认为二氧化碳只吸收特定15微米波长的红外线，且大气中已有足够气体吸收该波长光，增加二氧化碳没有作用。
但他忽略了，二氧化碳可吸收略短或略长于15微米波长红外光，只是吸收率较低。如果二氧化碳浓度翻倍，光逃逸前要避开更多分子，吸收率就会增加；此外，从变得更冷的大气层逃逸，热量流出也会变慢。因此，这种近15微米波长吸收率的增加会导致气候变化。
现代气候科学主要通过数值模式进行模拟，这让一些人觉得结论更加难以理解。于是，大气物理学家纳迪尔・吉万吉（Nadir Jeevanjee）等人开始研究二氧化碳浓度对气候影响更为简单的理解。解决这一问题的关键是温室效应对数标度产生的机制。
2022 年，有研究者使用简单模型证明对数标度产生的原因来自二氧化碳吸收 “光谱” 形状。这与略长或略短于 15 微米的波长有关，二氧化碳吸收这些波长光的吸收率稍低，使吸收在峰值两侧以恰当速率下降产生对数标度。这项研究的共同作者大卫・罗普斯（David Romps）认为光谱形状很关键，碳光谱形状不寻常，比大多数气体吸收的波长范围窄，他也在思考其形状为何如此。
▲大气二氧化碳吸收光谱
关键的摆动
沃兹沃思（Wordsworth）与共同作者雅各布·西利（Jacob Seeley）、基思·希恩（Keith Shine）决定转向量子力学寻找答案。
当受到特定波长的入射光线照射时，二氧化碳分子不会像你想象的那样在一个固定的单位上下晃动。相反，二氧化碳分子（由一个碳原子和两个氧原子组成），以某种方式弯曲和伸展。
正如下图，两个氧原子可以向外伸展，而中间的碳原子可能会也可能不会跟随，或者碳原子可以绕着分子的主轴旋转，使其弯曲。
15 微米光子所含的能量恰好足以使碳原子以呼啦圈运动的形式围绕中心点旋转。气候科学家长期以来一直将这种呼啦圈状态归咎于温室效应，但是，正如埃格斯特朗所预料的，沃兹沃思团队发现，这种效应需要的能量太精确了，呼啦圈状态无法解释远离15微米的光子吸收率相对缓慢的下降，因此它本身无法解释气候变化。
沃兹沃思团队发现，关键在于另一种运动类型，即两个氧原子反复朝着和远离碳中心摆动，就好像拉伸和压缩连接它们的弹簧。但这种类型所需的能量太大，以至于地球的红外线光子本身无法引发该运动。
但他们发现，拉伸运动的能量非常接近呼啦圈运动能量的两倍，以至于这两种运动状态相互混合。这两种运动（混合后形成）特殊的组合，所需的能量略多于或少于呼啦圈运动的确切能量。
这两种振动模式（组合）的偶然排列，在二氧化碳分子中产生了一种称为费米共振的量子嗡嗡声，这可以使分子振动得更多。
费米共振（fermi resonance）：费米共振是一种广泛存在于分子内和分子间的分子振动耦合和能量转移现象，以著名物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）的名字命名为费米共振。
我们可以把费米共振想象成由两个连接在同一根弦上的重物组成的钟摆：当它们摆动时，它们会努力提高彼此运动的幅度。
从二氧化碳的基本特性出发，华兹华斯和他的同事们用一系列混合了分子光谱学(分子的吸收模式)和气候物理学的方程，描述了分子振动状态和它随后吸收的额外热量之间的相互作用。
费米共振与地球气候的联系直到去年希恩（Shine）团队的一篇论文中才首次建立，而最新的这篇论文（）是第一次全面揭示了这一联系，即二氧化碳作为温室气体的有效性对对称伸缩模式 ν1 和弯曲模式 ν2 之间的费米共振的依赖性。
也就是说，一个在其他方面普通的三原子分子中明显偶然的量子共振，在地质时期对我们星球的气候产生了如此大的影响，并且也将有助于确定由于人类活动导致的未来变暖。
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