Versi asli dari cerita ini muncul di Majalah Quanta.
Pada tahun 1896, fisikawan Swedia Svante Arrhenius diwujudkan bahwa karbon dioksida (CO2) memerangkap panas di atmosfer Bumi—fenomena yang sekarang disebut efek rumah kaca. Sejak saat itu, model iklim modern yang semakin canggih telah memverifikasi kesimpulan utama Arrhenius: bahwa setiap kali CO2 konsentrasi di atmosfer berlipat ganda, suhu bumi akan naik antara 2 dan 5 derajat Celsius.
Namun, alasan fisik mengapa CO2 berperilaku seperti ini tetap menjadi misteri, sampai saat ini.
Pertama, pada tahun 2022, fisikawan mapan perselisihan mengenai asal usul “skala logaritmik” efek rumah kaca. Hal ini mengacu pada cara suhu Bumi meningkat dalam jumlah yang sama sebagai respons terhadap penggandaan CO2tidak peduli berapa pun angka mentahnya.
Kemudian, pada musim semi ini, sebuah tim yang dipimpin oleh Robin Wordsworth dari Universitas Harvard menemukan alasan mengapa CO2 molekul tersebut sangat pandai memerangkap panas sejak awal. Para peneliti mengidentifikasi keanehan struktur kuantum molekul tersebut yang menjelaskan mengapa molekul tersebut merupakan gas rumah kaca yang sangat kuat—dan mengapa memompa lebih banyak karbon ke langit mendorong perubahan iklim. Temuan tersebut muncul dalam Jurnal Sains Planet.
“Ini adalah makalah yang sangat bagus,” kata Raymond Pierre Humbert, seorang profesor di Universitas New York.seorang fisikawan atmosfer di Universitas Oxford yang tidak terlibat dalam penelitian tersebut. “Itu jawaban yang bagus bagi mereka yang mengatakan bahwa pemanasan global hanyalah sesuatu yang muncul dari model komputer yang tidak dapat dipahami.”
Sebaliknya, pemanasan global terkait dengan kebetulan numerik yang melibatkan dua cara berbeda CO2 bisa bergoyang.
“Jika bukan karena kecelakaan ini,” kata Pierrehumbert, “maka banyak hal akan berbeda.”
Kesimpulan Lama
Bagaimana Arrhenius dapat memahami dasar-dasar efek rumah kaca sebelum mekanika kuantum ditemukan? Dimulai dengan Joseph Fourier, seorang matematikawan dan fisikawan Prancis yang menyadari tepat 200 tahun yang lalu bahwa atmosfer Bumi melindungi planet ini dari dinginnya ruang angkasa, sebuah penemuan yang meluncurkan bidang ilmu iklim. Kemudian, pada tahun 1856, seorang Amerika, Eunice Foote, mengamati bahwa karbon dioksida sangat baik dalam menyerap radiasi. Selanjutnya, fisikawan Irlandia John Tyndall mengukur jumlah cahaya inframerah yang dipancarkan CO2 menyerap, menunjukkan efek yang kemudian diukur oleh Arrhenius menggunakan pengetahuan dasar tentang Bumi.
Robin Wordsworth, seorang ilmuwan iklim di Universitas Harvard, beralih ke mekanika kuantum untuk memahami spektrum penyerapan karbon dioksida.
Bumi memancarkan panas dalam bentuk cahaya inframerah. Inti dari efek rumah kaca adalah sebagian cahaya tersebut, alih-alih keluar langsung ke luar angkasa, justru mengenai CO2 molekul di atmosfer. Satu molekul menyerap cahaya, lalu memancarkannya kembali. Kemudian molekul lain melakukannya. Terkadang cahaya kembali turun ke permukaan. Terkadang cahaya naik ke luar angkasa, meninggalkan Bumi sedikit lebih dingin, tetapi hanya setelah melewati jalur bergerigi ke bagian atas atmosfer yang dingin.
Dengan menggunakan versi yang lebih kasar dari pendekatan matematika yang sama yang digunakan oleh para ilmuwan iklim saat ini, Arrhenius menyimpulkan bahwa menambahkan lebih banyak CO2 akan menyebabkan permukaan planet menjadi lebih hangat. Ini seperti menambahkan insulasi pada dinding Anda untuk menjaga rumah Anda tetap hangat di musim dingin—panas dari tungku pemanas Anda masuk pada tingkat yang sama, tetapi keluar lebih lambat.
Namun, beberapa tahun kemudian, fisikawan Swedia Knut Ångström menerbitkan sanggahan. Ia berpendapat bahwa CO2 molekul hanya menyerap panjang gelombang radiasi inframerah tertentu—15 mikron. Dan sudah ada cukup gas di atmosfer untuk memerangkap 100 persen dari cahaya 15 mikron yang dipancarkan Bumi, jadi menambahkan lebih banyak CO2 tidak akan melakukan apa pun.
Yang tidak diperhatikan oleh Ångström adalah bahwa CO2 dapat menyerap panjang gelombang yang sedikit lebih pendek atau lebih panjang dari 15 mikron, meskipun kurang mudah. Cahaya ini lebih jarang ditangkap selama perjalanannya ke luar angkasa.
Namun, laju penyerapan itu berubah jika jumlah karbon dioksida berlipat ganda. Sekarang cahaya harus menghindari molekul dua kali lebih banyak sebelum lolos, dan cenderung lebih sering diserap selama perjalanan. Cahaya lolos dari lapisan atmosfer yang lebih tinggi dan lebih dingin, sehingga aliran panas melambat hingga menetes. Peningkatan penyerapan panjang gelombang hampir 15 mikron inilah yang menyebabkan perubahan iklim.
Meskipun ada kesalahan, makalah Ångström menimbulkan cukup banyak keraguan terhadap teori Arrhenius di antara orang-orang sezamannya sehingga pembahasan tentang perubahan iklim kurang lebih tidak lagi menjadi topik utama selama setengah abad. Bahkan saat ini, para skeptis terhadap konsensus perubahan iklim terkadang mengutip argumen “saturasi” karbon yang keliru dari Ångström.
Kembali ke Dasar
Berbeda dengan masa-masa awal, era modern ilmu iklim telah bergerak maju sebagian besar melalui model komputasional yang menangkap banyak aspek rumit dan kacau dari atmosfer kita yang berantakan dan berubah-ubah. Bagi sebagian orang, hal ini membuat kesimpulan lebih sulit dipahami.
“Saya telah berbicara dengan banyak fisikawan skeptis, dan salah satu keberatan mereka adalah ‘Kalian hanya menjalankan model komputer, lalu kalian mengambil jawaban dari kalkulasi kotak hitam ini, dan kalian tidak memahaminya secara mendalam,’” kata Nadir Jeevanjeeseorang fisikawan atmosfer di National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). “Agak tidak memuaskan jika tidak dapat menjelaskan kepada seseorang di papan tulis mengapa kita memperoleh angka-angka tersebut.”
Jeevanjee dan orang lain seperti dia telah berusaha membangun pemahaman yang lebih sederhana tentang dampak CO2 konsentrasi pada iklim.
Ilmuwan Swedia Svante Arrhenius, pada tahun 1896, adalah orang pertama yang mengetahui seberapa sensitif suhu Bumi terhadap perubahan kadar karbon dioksida di atmosfer.
Pertanyaan kuncinya adalah asal mula skala logaritmik efek rumah kaca—kenaikan suhu sebesar 2 hingga 5 derajat yang diprediksi oleh model akan terjadi setiap kali CO2 berlipat ganda.2. Satu teori menyatakan bahwa penskalaan tersebut berasal dari seberapa cepat suhu turun seiring ketinggian. Namun pada tahun 2022, tim peneliti menggunakan model sederhana untuk membuktikan bahwa penskalaan logaritmik berasal dari bentuk “spektrum” penyerapan karbon dioksida—bagaimana kemampuannya menyerap cahaya bervariasi seiring panjang gelombang cahaya.
Ini kembali ke panjang gelombang yang sedikit lebih panjang atau lebih pendek dari 15 mikron. Detail penting adalah bahwa karbon dioksida lebih buruk—tetapi tidak terlalu buruk—dalam menyerap cahaya dengan panjang gelombang tersebut. Penyerapan menurun di kedua sisi puncak pada tingkat yang tepat untuk memunculkan skala logaritmik.
“Bentuk spektrum itu penting,” kata David Rompsseorang fisikawan iklim di Universitas California, Berkeley, yang turut menulis makalah tahun 2022. “Jika Anda mengubahnya, Anda tidak akan mendapatkan skala logaritmik.”
Bentuk spektrum karbon tidak biasa—sebagian besar gas menyerap rentang panjang gelombang yang jauh lebih sempit. “Pertanyaan yang ada di benak saya adalah: Mengapa bentuknya seperti ini?” kata Romps. “Tetapi saya tidak dapat menjelaskannya dengan tepat.”
Goyangan Konsekuensial
Wordsworth dan rekan penulisnya Jacob Seeley dan Keith Shine beralih ke mekanika kuantum untuk menemukan jawabannya.
Cahaya terbuat dari paket energi yang disebut foton. Molekul seperti CO2 dapat menyerapnya hanya jika paket tersebut memiliki jumlah energi yang tepat untuk meningkatkan molekul ke keadaan mekanika kuantum yang berbeda.
Karbon dioksida biasanya berada dalam “keadaan dasar”-nya, di mana ketiga atomnya membentuk garis dengan atom karbon di bagian tengah, berjarak sama dari atom lainnya. Molekul tersebut juga memiliki keadaan “tereksitasi”, di mana atom-atomnya bergelombang atau berayun-ayun.
Foton cahaya berukuran 15 mikron mengandung energi yang dibutuhkan untuk membuat atom karbon berputar di sekitar titik pusat dalam semacam gerakan hula-hoop. Ilmuwan iklim telah lama menyalahkan keadaan hula-hoop ini atas efek rumah kaca, tetapi—seperti yang diantisipasi Ångström—efeknya membutuhkan jumlah energi yang terlalu tepat, menurut temuan Wordsworth dan timnya. Keadaan hula-hoop tidak dapat menjelaskan penurunan yang relatif lambat dalam tingkat penyerapan foton yang lebih jauh dari 15 mikron, sehingga tidak dapat menjelaskan perubahan iklim dengan sendirinya.
Kuncinya, menurut mereka, adalah jenis gerakan lain, di mana dua atom oksigen berulang kali bergerak ke arah dan menjauh dari pusat karbon, seolah-olah meregangkan dan memampatkan pegas yang menghubungkannya. Gerakan ini membutuhkan terlalu banyak energi untuk diinduksi oleh foton inframerah Bumi sendiri.
Namun, penulis menemukan bahwa energi gerakan peregangan sangat mendekati dua kali lipat energi gerakan hula-hoop sehingga kedua kondisi gerakan tersebut bercampur satu sama lain. Ada kombinasi khusus dari kedua gerakan tersebut, yang membutuhkan energi yang sedikit lebih banyak atau lebih sedikit daripada energi gerakan hula-hoop.
Fenomena unik ini disebut resonansi Fermi, diambil dari nama fisikawan terkenal Enrico Fermi, yang menemukannya dalam sebuah makalah tahun 1931. Namun, hubungannya dengan iklim Bumi baru diketahui pertama kali pada tahun 1931. sebuah kertas tahun lalu oleh Shine dan mahasiswanya, dan makalah musim semi ini adalah yang pertama mengungkapnya secara lengkap.
“Saat kami menuliskan istilah persamaan ini dan melihat semuanya saling terkait, rasanya sungguh luar biasa,” kata Wordsworth. “Ini adalah hasil yang akhirnya menunjukkan kepada kita bagaimana mekanika kuantum secara langsung terkait dengan gambaran yang lebih besar.”
Dalam beberapa hal, katanya, perhitungan tersebut membantu kita memahami perubahan iklim lebih baik daripada model komputer mana pun. “Tampaknya menjadi hal yang sangat penting untuk dapat mengatakan di lapangan bahwa kita dapat menunjukkan prinsip-prinsip dasar dari mana semuanya berasal.”
Joanna Haighseorang fisikawan atmosfer dan profesor emeritus di Imperial College London, setuju, dengan mengatakan bahwa makalah tersebut menambahkan kekuatan retorika pada kasus perubahan iklim dengan menunjukkan bahwa hal itu “berdasarkan konsep mekanika kuantum fundamental dan fisika mapan.”
Pada bulan Januari ini, Laboratorium Pemantauan Global NOAA melaporkan bahwa konsentrasi CO2 di atmosfer telah meningkat dari tingkat pra-industri sebesar 280 bagian per juta ke rekor tertinggi 419,3 bagian per juta pada tahun 2023, yang memicu pemanasan sekitar 1 derajat Celsius sejauh ini.
Cerita asli dicetak ulang dengan izin dari Majalah QuantaBahasa Indonesia: sebuah publikasi independen yang diterbitkan oleh Yayasan Simons yang misinya adalah untuk meningkatkan pemahaman publik tentang sains dengan meliput perkembangan penelitian dan tren dalam matematika serta ilmu fisika dan ilmu hayati.
