Robert Klatt
Es ist seit 1896 bekannt, dass CO₂ den Klimawandel verstärkt. Forscher haben nun entschlüsselt, welche quantenphysikalischen Prozesse dafür verantwortlich sind.
Cambridge (U.S.A.). Die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre hat seit 2004 um über zehn Prozent zugenommen und verstärkt den Klimawandel auf der Erde. Wie der Physiker Svante Arrhenius bereits 1896 festgestellt hat, steigt die Temperatur auf der Erde dadurch stetig an. Forscher der Harvard University um den Geophysiker Robin Wordsworth haben nun entschlüsselt, welche Quanteneigenschaften der CO₂-Moleküle dazu führen, dass sich die Atmosphäre erwärmt.
Wie die Wissenschaftler erklären, reflektiert die Erde einen Teil des einfallenden Sonnenlichts. Dieser Prozess gibt Wärme in Form von Infrarotstrahlung in den Weltraum ab. Die Wärmestrahlung verhält sich physikalisch wie sichtbares Licht, das als eine elektromagnetische Welle beschrieben werden kann, die sich durch den Raum schlängelt. Die Wärmestrahlung unterscheidet sich von sichtbaren und unsichtbaren Licht lediglich durch die Wellenlänge, die bei thermischer Infrarotstrahlung zwischen 8.000 und 15.000 Nanometern liegt.
Laut der Publikation im Fachmagazin The Planetary Science Journal haben die Forscher nun entdeckt, dass CO₂-Moleküle auf elektromagnetische Wellen in dem Frequenzbereich der Wärmestrahlung besonders gut absorbieren können. Bei diesem Prozess nehmen CO₂-Moleküle Energie aus der Wärmestrahlung auf, geben diese wieder ab und das nächstgelegene CO₂-Molekül nimmt die Wärme erneut auf. Es kommt dadurch zu einer Kettenreaktion, durch die die Wärme lange in der Atmosphäre verbleibt und nicht in den Weltraum abgestrahlt wird.
Die Wissenschaftler haben zudem entdeckt, dass CO₂-Moleküle nicht nur eine Wellenlänge gut absorbieren, sondern auch benachbarte Wellenlängen gut aufnehmen. Die meisten anderen Moleküle können hingegen nur Wellenlängen aus einem sehr kleinen Bereich absorbieren.
Eine Analyse von CO₂-Molekülen offenbart, dass diese eine große Bandbreite an Wellenlängen absorbieren können, weil die beiden Sauerstoffatome eine identische Distanz zum zentralen Kohlenstoffatom besitzen. Sie können deshalb die Energie der Wärmestrahlung in sogenannten Vibrations- und Rotationsquantenübergängen speichern, die durch Strahlung mit einer Wellenlänge von 15.000 Nanometern verursacht werden.
Die Vibrations- und Rotationsquantenübergänge sind jedoch nicht allein für das Absorptionsverhalten der Moleküle verantwortlich, weil sie lediglich in einem engen Wellenlängenbereich Wärme aufnehmen. Laut den Forschern um Wordsworth wird die übrige Wärme durch einen sogenannten Vibrationsquantenübergang absorbiert. Es handelt sich dabei um einen Prozess, bei dem Sauerstoffatome rhythmisch von der Mitte wegpulsieren.
Eigentlich reicht die Wärmestrahlung der Erde jedoch nicht aus, um den Vibrationsquantenübergang in den Molekülen auszulösen. Bei CO₂-Molekülen führt die Rotation der beiden Sauerstoffatome jedoch zu einer Verstärkung, die das Federn der Sauerstoffteilchen verstärken. Es kommt dadurch zu einer Vermischung der beiden parallel ablaufenden Prozesse, durch die die Moleküle eine große Bandbreite ab Wärmestrahlung effektiv aufnehmen können und dadurch die Temperatur in der Erdatmosphäre erhöhen.
The Planetary Science Journal, doi: 10.3847/PSJ/ad226d
