Da je ugljični dioksid staklenički plin, tj. da u značajnoj mjeri apsorbira infracrveno zračenje (tj. toplinu), poznato je još iz davne 1856. godine. Tad je američka znanstvenica Eunice Foote izvela zanimljiv fizikalni eksperiment. Foote je uzela dva staklena cilindra i postavila ih na osunčano mjesto. Jedan cilindar je ispunila s ugljičnim dioksidom, a drugi je ostavila ispunjen sa zrakom. Na njezino iznenađenje kao i na iznenađenje ostatka znanstvene zajednice, primijetila je da je cilindar ispunjen ugljičnim dioksidom postao prilično vruć, dok je onaj ispunjen zrakom imao očekivanu, uobičajenu temperaturu za osunčano mjesto. Kvantitativno, cilindar s CO2 se je nakon nekoliko minuta sunčanja zagrijao do 120°F, dok je onaj ispunjen zrakom istovremeno dosegao samo 100°F. Također, nakon odmicanja sa sunčanog mjesta, cilindar ispunjen ugljičnim dioksidom se je hladio mnogo sporije od kontrolnog.
Foote dalje kaže: “An atmosphere of that gas (CO2, op.a.) would give to our earth (sic.) a high temperature; and if as some suppose, at one period of its history the air had mixed with it a larger proportion than at present, in increased temperature from its own action as well as from increased weight must have necessarily resulted.“
Svega par godina nakon toga, irski znanstvenik John Tyndall objavljuje rad o istraživanju dinamike i pomicanja ledenjaka, u kojem eksperimentalno potvrđuje rezultate koje je dobila Foote i razmatra učinke vodene pare i CO2 na klimu Zemlje. Tyndall, 1861. godine kaže: “Now if, as the above experiments indicate, the chief influence be exercised by the aqueous vapour, every variation of this constituent must produce a change of climate. Similar remarks would apply to the carbonic acid diffused through the air; while an almost inappreciable admixture of any of the hydrocarbon vapours would produce great effects on the terrestrial rays and produce corresponding changes of climate.“
I premda je ugljični dioksid u atmosferi, još od druge polovice 19. stoljeća prepoznat kao staklenički plin, tj. plin koji zadržava dio izračene topline prema Svemiru i tako čini planet toplijim nego bi bio bez njega, do danas se nije znalo zbog čega on ima takva svojstva značajnije apsorpcije topline u usporedbi s ostalim plinovima u zraku. Nedavno objavljen rad autora Wordsworth, Seeley i Shine (2024), čini se da daje konačan odgovor na ovo pitanje. Rezultati njihovog istraživanja ukazuju na neočekivan učinak koji se javlja u molekuli ugljičnog dioksida, a koja se naziva Fermijeva rezonanca.
Da bi razumjeli Fermijevu rezonancu koja je inače kvantni efekt na atomskoj razini, zamislimo plesni podij gdje svaka molekula ima svoj party, plešući na svoj jedinstven način. Svaki ples pojedinačne molekule je zapravo drugačiji način na koji molekule mogu vibrirati. Sad zamislimo dvoje plesača (tj. dvije molekule) koji imaju vrlo slične pokrete jedno drugome i nek se u određenom trenutku međusobno približe. U svijetu molekula, to bi značilo da dvije bliske imaju isti energetski nivo. U tom slučaju se počinje događati nešto zanimljivo. Dvoje plesača koji su “uhvatili” isti ritam počinju utjecati jedno na drugo. Na plesnom podiju najčešće muškarac počinje “voditi” korake partnerice, dok u svijetu molekula jedna od te dvije molekule počinje vibrirati intenzivnije a druga manje, tj. jedna molekula svojom promjenom energetskog nivoa utječe na energiju one druge s kojom je u interakciji. Takav efekt se zove Fermijeva rezonanca, prema talijanskom znanstveniku koji ga je opisao.
No, kakve sad ovo veze ima s ugljičnim dioksidom i njegovom sposobnošću da jako upija toplinsko zračenje u infracrvenom spektru? Pa… pokazuje se da ima. Prema Wordsworth i sur., dva atoma kisika u molekuli CO2 se ponašaju kao dvije mase postavljene na dvostrukoj klackalici, prebacujući međusobno energiju na kaotičan način, što je zapravo rezultat miješanja njihove kvantne valne funkcije. Rezultat ovakve interakcije je kvantni skok iz višeg u niže energetsko stanje i obratno, što posljedično omogućuje molekuli da apsorbira širi spektar valnih duljina zračenja nego bi to bilo inače moguće.
Dvije su vrste molekularne vibracije bitne za daljnje razumijevanje. To su tzv. stretch mode, gdje atomi kisika vibriraju simetrično (linearno) oko atoma ugljika (približavaju se i udaljavaju) – “V1” mod na slici ispod, te bending mode, gdje je vibracija takva da se kut između atoma kisika i ugljika periodično mijenja (V2 na slici ispod). Iz analize proizlazi da je u slučaju molekule ugljičnog dioksida, potpuno koincidentno, stretching frekvencija točno dvostruka u odnosu na bending frekvenciju vibracije. Upravo ova činjenica da je jedna točno dvostrukog iznosa u odnosu na drugu, omogućuje molekuli ugljičnog dioksida pojavu Fermijeve rezonance i na taj način poprimi značajno veća svojstva apsorpcije energije na širokom spektru valnih duljina u infracrvenom području elektromagnetskog spektra nego bi to bilo inače moguće.
Koincidentan odnos stretching i bending frekvencije CO2 molekule upravo ju stoga čini mnogo boljim apsorberom topline u odnosu na ostale plinove iz atmosfere koji nemaju tako slučajno pogođen pravilan odnos, te stoga ne upijaju toplinsko zračenje niti približno efikasno kao CO2. Ovo zanimljivo otkriće može imati znatne impikacije na daljnje razumijevanje zračenja tvari i interakcije sa zračenjem, te klime na Zemlji ali i na drugim planetima.
