Il potente effetto di intrappolamento del calore dell’anidride carbonica che causa il cambiamento climatico è stato ricondotto alla sua struttura quantistica.
Nel 1896, il fisico svedese Svante Arrhenius si rese conto che l’anidride carbonica (CO2) intrappola il calore nell’atmosfera terrestre, un fenomeno chiamato “effetto serra”. Da allora, modelli climatici moderni sempre più sofisticati hanno verificato la conclusione centrale di Arrhenius: ogni volta che la concentrazione di CO2 nell’atmosfera raddoppia, la temperatura della Terra aumenterà tra 2 e 5 gradi Celsius. Tuttavia, fino a poco tempo fa, la ragione fisica per cui la CO2 si comporta in questo modo era rimasta un mistero ma ora la fisica quantistica ha trovato la correlazione alla base del surriscaldamento globale che porta al cambiamento climatico. Già nel 2022, i fisici hanno risolto una disputa sull’origine della “scala logaritmica” dell’effetto serra, ovvero al modo in cui la temperatura della Terra aumenta della stessa quantità in risposta a qualsiasi raddoppio della CO2, indipendentemente dai numeri.
Questa primavera, un team guidato da Robin Wordsworth dell’Università di Harvard ha capito perché la molecola di CO2 è così brava a intrappolare il calore in primo luogo. I ricercatori hanno identificato una stranezza della struttura quantistica della molecola che spiega perché è un gas serra così potente e perché pompare più carbonio nel cielo determina il cambiamento climatico.
Una vecchia conclusione
Come poteva Arrhenius comprendere le basi dell’effetto serra prima ancora che la meccanica quantistica fosse scoperta? Tutto iniziò con Joseph Fourier, un matematico e fisico francese che realizzò esattamente 200 anni fa che l’atmosfera terrestre isola il pianeta dal freddo gelido dello spazio, una scoperta che diede il via al campo della scienza del clima. Nel 1856, un’americana, Eunice Foote, osservò che l’anidride carbonica è particolarmente adatta ad assorbire le radiazioni e infine il fisico irlandese John Tyndall misurò la quantità di luce infrarossa che la CO2 assorbe, mostrando l’effetto che Arrhenius quantificò poi usando le conoscenze di base sulla Terra.
La Terra irradia calore sotto forma di luce infrarossa. Il succo dell’effetto serra è che parte di quella luce, invece di sfuggire direttamente nello spazio, colpisce le molecole di CO2 nell’atmosfera. Una molecola assorbe la luce, poi la riemette. Poi un’altra lo fa. A volte la luce torna giù verso la superficie. A volte sale nello spazio, lasciando la Terra un po’ più fredda, ma solo dopo aver attraversato un percorso frastagliato verso le fredde zone superiori dell’atmosfera.
Utilizzando una versione più rozza dello stesso approccio matematico che gli scienziati del clima usano oggi, Arrhenius concluse che aggiungere più CO2 avrebbe causato un riscaldamento della superficie del pianeta. È come aggiungere isolamento alle pareti per mantenere la casa più calda in inverno: il calore della tua caldaia entra alla stessa velocità, ma esce più lentamente.
Pochi anni dopo, tuttavia, il fisico svedese Knut Ångström pubblicò una confutazione. Sosteneva che le molecole di CO2 assorbono solo una specifica lunghezza d’onda della radiazione infrarossa, 15 micron. E nell’atmosfera c’era già abbastanza gas da intrappolare il 100% della luce di 15 micron emessa dalla Terra, quindi aggiungere altra CO2 non avrebbe fatto nulla. Ma ciò che Ångström non ha notato è che la CO2 può assorbire lunghezze d’onda leggermente più corte o più lunghe di 15 micron, anche se meno facilmente. Questa luce viene catturata meno volte durante il suo tragitto verso lo spazio.
Ma quel tasso di cattura cambia se la quantità di anidride carbonica raddoppia. Ora la luce ha il doppio delle molecole da schivare prima di scappare e tende a essere assorbita più volte lungo il percorso. Sfugge da uno strato più alto e freddo dell’atmosfera, quindi il deflusso di calore rallenta fino a diventare un rivolo. È l’assorbimento accresciuto di queste lunghezze d’onda vicine ai 15 micron che è responsabile del nostro cambiamento climatico.
Ritorno alle origini
Nonostante l’errore, il documento di Ångström gettò abbastanza dubbi sulla teoria di Arrhenius tra i suoi contemporanei che la discussione sul cambiamento climatico abbandonò più o meno il mainstream per mezzo secolo. Ancora oggi, gli scettici del consenso sul cambiamento climatico citano talvolta l’erronea argomentazione di Ångström sulla “saturazione” del carbonio.
Contrariamente a quei primi giorni, l’era moderna della scienza del clima è andata avanti in gran parte attraverso modelli computazionali che catturano le numerose sfaccettature complesse e caotiche della nostra atmosfera disordinata e mutevole. Per alcuni, questo rende le conclusioni più difficili da comprendere. Dunque i ricercatori si sono prefissati di semplificare la comprensione dell’impatto della concentrazione di CO2 sul clima.
Una domanda chiave era l’origine della scala logaritmica dell’effetto serra, ovvero l’aumento di temperatura di 2-5 gradi che i modelli prevedono avverrà per ogni raddoppio della CO2. Una teoria sosteneva che la scala deriva dalla rapidità con cui la temperatura scende con l’altitudine. Ma nel 2022 un team di ricercatori ha utilizzato un modello semplice per dimostrare che la scala logaritmica deriva dalla forma dello “spettro” di assorbimento dell’anidride carbonica, ovvero da come la sua capacità di assorbire la luce varia con la lunghezza d’onda della luce.
Ciò risale a quelle lunghezze d’onda che sono leggermente più lunghe o più corte di 15 micron. Un dettaglio critico è che l’anidride carbonica è peggiore, ma non troppo peggiore, nell’assorbire la luce con quelle lunghezze d’onda. L’assorbimento diminuisce su entrambi i lati del picco alla giusta velocità per dare origine alla scala logaritmica. La forma di quello spettro risulta dunque essenziale: se lo modifichi, non ottieni la scala logaritmica.
Movimenti consequenziali
Wordsworth e i suoi coautori Jacob Seeley e Keith Shine si sono rivolti alla meccanica quantistica per trovare la risposta. La luce è composta da pacchetti di energia chiamati fotoni. Molecole come la CO2 possono assorbirli solo quando i pacchetti hanno esattamente la giusta quantità di energia per spingere la molecola verso un diverso stato meccanico quantistico. L’anidride carbonica di solito si trova nel suo “stato fondamentale”, dove i suoi tre atomi formano una linea con l’atomo di carbonio al centro, equidistante dagli altri. La molecola ha anche stati “eccitati”, in cui i suoi atomi ondeggiano o oscillano.
Un fotone di luce da 15 micron contiene l’energia esatta richiesta per far roteare l’atomo di carbonio attorno al punto centrale in una sorta di movimento a cerchio. Gli scienziati del clima hanno a lungo attribuito a questo stato a cerchio l’effetto serra, ma — come previsto da Ångström — l’effetto richiede una quantità di energia troppo precisa, hanno scoperto Wordsworth e il suo team. Lo stato a cerchio non può spiegare il declino relativamente lento del tasso di assorbimento per i fotoni oltre i 15 micron, quindi non può spiegare da solo il cambiamento climatico.
La chiave, hanno scoperto, è un altro tipo di movimento, in cui i due atomi di ossigeno si muovono ripetutamente verso e lontano dal centro del carbonio, come se allungassero e comprimessero una molla che li collega. Questo movimento richiede troppa energia per essere indotto dai fotoni infrarossi della Terra da soli. Ma gli autori hanno scoperto che l’energia del movimento di stretching è così vicina al doppio di quella del movimento dell’hula-hoop che i due stati di movimento si mescolano tra loro. Esistono combinazioni speciali dei due movimenti, che richiedono un po’ più o un po’ meno dell’energia esatta del movimento dell’hula-hoop.
Questo fenomeno unico è chiamato risonanza di Fermi, dal nome del famoso fisico Enrico Fermi, che lo dedusse in un articolo del 1931. Ma il suo collegamento con il clima della Terra è stato fatto per la prima volta solo in un articolo dell’anno scorso da Shine e dal suo studente, e l’articolo di questa primavera è il primo a svelarlo completamente. In un certo senso, ha detto, il calcolo ci aiuta a comprendere il cambiamento climatico meglio di qualsiasi modello informatico.
A gennaio, il Global Monitoring Laboratory della NOAA ha segnalato che la concentrazione di CO2 nell’atmosfera è aumentata dal livello preindustriale di 280 parti per milione al record di 419,3 parti per milione nel 2023, innescando finora un riscaldamento stimato di 1 grado Celsius. “Il momento in cui abbiamo scritto i termini di questa equazione e abbiamo visto che tutto combaciava, è stato piuttosto incredibile”, ha detto Wordsworth. “È un risultato che finalmente ci mostra quanto direttamente la meccanica quantistica si collega al quadro generale”.
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