Sebuah pertanyaan kunci adalah asal mula penskalaan logaritmik dari efek rumah kaca—kenaikan suhu 2 hingga 5 derajat yang diprediksi model akan terjadi setiap kali CO2 menggandakan. Salah satu teori berpendapat bahwa penskalaan berasal dari seberapa cepat suhu turun dengan ketinggian. Namun pada tahun 2022, sebuah tim peneliti menggunakan model sederhana untuk membuktikan bahwa penskalaan logaritmik berasal dari bentuk “spektrum” serapan karbon dioksida—bagaimana kemampuannya untuk menyerap cahaya bervariasi dengan panjang gelombang cahaya.
Ini kembali ke panjang gelombang yang sedikit lebih panjang atau lebih pendek dari 15 mikron. Detail pentingnya adalah bahwa karbon dioksida lebih buruk—tapi tidak terlalu buruk—dalam menyerap cahaya dengan panjang gelombang tersebut. Serapannya menurun di kedua sisi puncak dengan tingkat yang tepat untuk menimbulkan penskalaan logaritmik.
“Bentuk spektrum itu penting,” kata David Romps, seorang fisikawan iklim di University of California, Berkeley, yang menjadi penulis bersama makalah 2022. “Jika Anda mengubahnya, Anda tidak akan mendapatkan penskalaan logaritmik.”
Bentuk spektrum karbon yang tidak biasa—sebagian besar gas menyerap rentang panjang gelombang yang lebih sempit. “Pertanyaan yang ada di pikiran saya adalah: Mengapa bentuknya seperti ini?” kata Romps. “Tapi saya tidak bisa mengatakannya dengan pasti.”
Goyangan Konsekuen
Wordsworth dan rekan penulisnya Jacob Seeley dan Keith Shine beralih ke mekanika kuantum untuk menemukan jawabannya.
Cahaya terdiri dari paket-paket energi yang disebut foton. Molekul seperti CO2 hanya dapat menyerapnya ketika paket-paket tersebut memiliki jumlah energi yang tepat untuk mendorong molekul ke keadaan mekanik kuantum yang berbeda.
Karbondioksida biasanya berada dalam “keadaan dasar,” di mana tiga atomnya membentuk garis dengan atom karbon di tengah, equidistant dari yang lain. Molekul itu juga memiliki keadaan “terangsang,” di mana atom-atomnya bergetar atau berayun.
Sebuah foton cahaya 15 mikron mengandung energi yang tepat untuk membuat atom karbon berputar di sekitar titik tengah dalam gerakan seperti hula-hoop. Ilmuwan iklim telah lama menyalahkan keadaan hula-hoop ini atas efek rumah kaca, tetapi—seperti yang diantisipasi oleh Ångström—efeknya membutuhkan jumlah energi yang terlalu presisi, Wordsworth dan timnya temukan. Keadaan hula-hoop tidak bisa menjelaskan penurunan tingkat serapan yang relatif lambat untuk foton yang lebih jauh dari 15 mikron, sehingga itu tidak bisa menjelaskan perubahan iklim sendiri.
Kunci, mereka temukan, adalah jenis gerakan lain, di mana dua atom oksigen berulang kali bergerak ke arah dan menjauhi pusat karbon, seolah meregangkan dan mengompresi pegas yang menghubungkan mereka. Gerakan ini membutuhkan terlalu banyak energi untuk diinduksi oleh foton inframerah Bumi sendiri.
Tetapi para penulis menemukan bahwa energi gerakan meregangkan itu begitu dekat dengan dua kali lipat energi gerakan hula-hoop sehingga dua keadaan gerakan bercampur satu sama lain. Kombinasi khusus dari kedua gerakan ada, membutuhkan sedikit lebih atau kurang dari energi yang tepat dari gerakan hula-hoop.
Fenomena unik ini disebut resonansi Fermi setelah fisikawan terkenal Enrico Fermi, yang menurunkannya dalam sebuah makalah tahun 1931. Tetapi hubungannya dengan iklim Bumi baru pertama kali diketahui dalam sebuah makalah tahun lalu oleh Shine dan muridnya, dan makalah ini pada musim semi adalah yang pertama kali sepenuhnya mengungkapkannya.