Todos hemos aprendido que la tierra se está calentando debido a que el CO2 y las moléculas de CO absorben calor.

@Benjohn te ha dado la respuesta correcta. Aquí está mi opinión.

El último proveedor de calor de la tierra (excepto un pequeño porcentaje de calor del magma en el centro de la tierra) es el sol. Se vierte en la superficie alrededor de 1,2 kilovatios de energía por metro cuadrado (que, por cierto, es utilizado directamente por los paneles solares). La misma energía cae sobre la superficie de la luna, cuya superficie se quema durante el día y se congela por la radiación del cuerpo negro durante la noche.

La tierra tiene la suerte de tener una atmósfera gaseosa que mitiga los extremos de las posibles temperaturas que el suelo alcanzaría de otro modo. Un ejemplo de mitigación es lo que sucede en el fondo del mar. La mayor parte de la energía es recogida por el agua y el suelo se mantiene a una temperatura constante con pequeños cambios de día y de noche en los primeros metros de la superficie, dependiendo de la estación, irradiando con la radiación de cuerpo negro, pero el cuerpo de el agua tiene una capacidad calorífica tan grande que las variaciones son pequeñas.

La atmósfera de gas es una "manta" más temperamental, su capacidad calorífica depende de varios gases, llamados gases de efecto invernadero por la mala impresión de que los invernaderos agrícolas funcionan de esa manera (no lo hacen, funcionan inhibiendo el intercambio de calor por convección pero eso es otra historia, sobre la que no hay controversia).

El principal gas de efecto invernadero es el agua, H2O. Vale la pena contemplar esta figura :

Espectro de radiación solar sobre la atmósfera y en la superficie. Se producen rayos ultravioleta y rayos X extremos (a la izquierda del rango de longitud de onda que se muestra), pero comprenden cantidades muy pequeñas de la potencia de salida total del Sol.

Vemos que el H2O tiene el mayor espectro de absorción para las longitudes de onda infrarrojas (que son las longitudes de onda del calor) y luego viene el CO2. Los gases de efecto invernadero absorben tanto el infrarrojo entrante como el reflejado desde la superficie de la tierra, y como la mayoría de las longitudes de onda reflejadas están en el infrarrojo, actúan como una desaceleración de la radiación del cuerpo negro que finalmente abandonaría la tierra. Como una manta mantiene a una persona más caliente, los gases de efecto invernadero al jugar a la pelota con la radiación infrarroja (las longitudes de onda a las que realmente se transfiere el calor) mantienen la superficie de la tierra a una temperatura razonable para la vida, por suerte.

Sin embargo, ¿cómo se mantiene realmente el calor en esas moléculas? Cuando los fotones los calientan, su electrón se excita y pasa a un nivel de energía superior; sin embargo, sabemos que los átomos quieren permanecer en un estado de baja energía y rápidamente descienden a un estado de menor energía (corríjame si me equivoco aquí).

El calor se mantiene colectivamente cuando se mantiene, no es una cosa de un solo átomo, sino que emerge estadísticamente por la respuesta de millones de átomos que siguen excitando y desemocionando por colisiones y vibraciones, etc., como se describe en las otras respuestas.

Si eso está sucediendo, entonces, ¿cómo se puede mantener el calor en una molécula de monóxido de carbono o dióxido de carbono?

El calor no se mantiene en una molécula individual sino en el conjunto de gases, pero en cierto sentido el nivel de gases de efecto invernadero tiene una acción retardadora en la radiación de la tierra a la atmósfera, al reflejarse de un lado a otro con la superficie. Esto evita que la temperatura cerca de la superficie fluctúe enormemente entre el día y la noche (como en la luna), es un amortiguador similar al amortiguador del agua para el fondo del océano.

¿Es porque durante el día se calientan y permanecen calientes porque requieren más tiempo para llegar a un estado de menor energía?

No, es un fenómeno termodinámico colectivo emergente como dije. No hay necesidad de invocar átomos y mecánica cuántica al nivel del calor.

Ahora, volviendo a la figura, la razón por la que se ha puesto tanto énfasis en el CO2 antropogénico es por el modelado por computadora de la dinámica de la atmósfera. La atmósfera no es un fenómeno estático, tiene vientos, interactúa con la superficie del océano, tiene tormentas, etc. Los modelos asumen que los aumentos de CO2 actúan como un desencadenante para que la tierra y la atmósfera liberen más H2O, en un mecanismo de retroalimentación, y por lo tanto ser fundamental en contribuir al pequeño aumento de la temperatura desde mediados del siglo pasado, pero esta es otra historia.

El efecto invernadero se debe a dos mecanismos, ninguno de los cuales lo provocaría de forma independiente.

Mecanismo 1 – aislamiento

Los gases de efecto invernadero son opacos a la luz infrarroja. Absorben el infrarrojo y luego lo vuelven a irradiar. Para pasar a través de una capa de gas como esta, una unidad de energía infrarroja hace algo así como una caminata aleatoria. Entra en la capa, es absorbido por el gas y luego se vuelve a irradiar, ya sea hacia arriba o hacia abajo. Arriba, y escapa de la capa (hacia el espacio o de regreso a la Tierra). Abajo y continúa, más adentro de la capa, donde puede ser atrapada por otra molécula opaca y necesita hacer otra prueba arriba/abajo.

De esta forma, la capa de gas actúa como aislante. A medida que aumenta la densidad o el grosor de la capa, las unidades de energía infrarroja tardan más en llegar de un extremo al otro, porque necesitan realizar más pruebas para pasar a través de ellas. La energía infrarroja persistirá donde está por más tiempo, ya sea en la superficie de la Tierra o en el espacio.

Mecanismo 2 - "creación" de infrarrojos en la superficie

La capa aislante atmosférica solo atrapa infrarrojos. Es en gran parte transparente a la luz visible y ultravioleta, por lo que la luz visible brilla para llegar a la superficie de la Tierra.

Parte de la luz visible que llega a la Tierra se refleja como luz visible y se irradia sin obstáculos hacia el espacio. Sin embargo, gran parte es absorbida por la Tierra, calentándola.

Luego, la Tierra vuelve a irradiar la energía absorbida, pero no con el espectro original . En cambio, la energía radiada se encuentra principalmente en la porción infrarroja del espectro *.

Debido a que la capa atmosférica es un aislante infrarrojo, una unidad de luz infrarroja tiende a no escapar al espacio, sino que persiste en la superficie de la Tierra siendo reabsorbida y reemitida. Debo señalar: el calor, con una caminata aleatoria, eventualmente saldrá de la atmósfera. El aislamiento solo significa que se tarda más en escapar. Cuanto mejor sea el aislamiento, más tiempo persistirá cada unidad de calor en la superficie.

Resumen

La atmósfera es una manta aislante. Esto mantendría a la Tierra tan fría como caliente. Sin embargo, debido a que la manta solo funciona con energía infrarroja, la luz visible que brilla en la Tierra "atraviesa" la manta y "genera" calor en la superficie de la Tierra en el "interior" de la manta.

El aumento de CO2 (y otros gases opacos infrarrojos) en la atmósfera espesa la manta. Cuanto más gruesa es la manta, más tiempo persiste una unidad de calor en la superficie, lo que provoca un aumento de la temperatura.

Precaución

El mecanismo del efecto invernadero se especuló por primera vez en 1896 .

La ciencia climática moderna considera muchos más factores y mecanismos que este tipo de modelo extremadamente simplificado, pero no estoy familiarizado con ellos. Los negacionistas/escépticos frecuentemente aprovechan los posibles mecanismos de aproximación de primer orden para tratar de rechazar las hipótesis del cambio climático. Skeptical Science es una gran fuente para un análisis intensamente detallado de conceptos erróneos comunes.

* La razón por la que la Tierra irradia infrarrojos, mientras que la radiación del sol tiene un componente visible significativo, es que, si bien ambos pueden considerarse radiadores de cuerpo negro , la Tierra es mucho más fría que el sol, por lo que tiene un espectro dominado por baja frecuencia.

En la atmósfera, moléculas como el CO$_2$, CO, H$_2$oh, oh$_3$y CH$_4$absorben la luz infrarroja debido a las transiciones de energía vibratoria mientras que las moléculas diatómicas homonucleares como O$_2$, norte$_2$y H$_2$y los monoatómicos como He, Ne, etc. no.

Para absorber un fotón por transición del nivel cuántico vibratorio, debe haber una forma en que la molécula cambie el momento dipolar por vibración. Esta es la razón por la que los diatómicos monoatómicos y homonucleares no absorben la luz infrarroja en la atmósfera.

Las transiciones electrónicas desde el estado fundamental son de mayor energía y no están en el rango infrarrojo. Las transiciones electrónicas no son responsables de la absorción del calor irradiado desde la superficie de la Tierra, que se encuentra principalmente en el rango infrarrojo.

Las moléculas y los átomos en la atmósfera chocan constantemente. Estas colisiones distribuyen energía entre las moléculas y los átomos. La molécula que absorbe la luz infrarroja no "guarda" la energía para sí misma, sino que se transfiere rápidamente a las demás moléculas y átomos de la atmósfera.

Eche un vistazo a la página de Wikipedia "Efecto invernadero". En pocas palabras, comience con los fotones emitidos desde la superficie de la Tierra hacia el cielo. Las moléculas de CO2 absorben algunos de estos fotones. Cuando las moléculas vuelven a irradiar fotones, lo hacen de forma isotrópica, es decir, uniformemente en todas las direcciones. ¡ Esto significa que una gran fracción de la energía que originalmente se dirigía a Spaaaaaace! ahora está dirigido de regreso a la Tierra o quizás al resto de la atmósfera. El efecto neto es reducir la cantidad de energía extraída del sistema Tierra+atmósfera.

El dióxido de carbono tiene varias energías fuertemente resonantes donde la luz infrarroja se puede convertir en vibraciones y rotaciones de los átomos de carbono y oxígeno, además de sus excitaciones electrónicas. Esta energía mecánica se transfiere a otras moléculas atmosféricas durante las colisiones, donde se reparte entre grados de libertad de rotación, vibración y traslación. Los movimientos de traslación (las moléculas del gas se mueven con cierta velocidad) son lo que generalmente consideramos cuando hablamos de la temperatura de un gas, porque así es como un gas interactúa de manera más eficiente con su entorno.

El metano, con un carbono y cuatro hidrógenos, es mucho más eficiente para convertir la luz infrarroja en energía mecánica porque hay más formas de vibrar a cualquier energía dada.

Se debe principalmente al efecto invernadero.

La idea es que el equilibrio térmico se logra cuando la cantidad de calor que llega a la Tierra desde el Sol es igual a la cantidad de calor radiado por la Tierra.

Ahora, el calor del Sol viene en un amplio espectro de frecuencias, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. La atmósfera de la Tierra es transparente en gran parte. Una parte se absorbe en la atmósfera, pero la mayor parte calienta el suelo y los océanos.

Pero el calor que irradia la Tierra es en forma de radiación térmica, es decir, radiación infrarroja. Y aquí está el problema: el CO ₂ y otros gases GH son opacos a la radiación infrarroja, por lo que esta energía radiada no puede escapar al espacio, y el punto de equilibrio térmico sube por el termómetro.

Sí, las moléculas de CO ₂ en la atmósfera se calentarán y ellas mismas irradiarán en infrarrojo, y parte de esa energía eventualmente irá al espacio, pero será mucho menos de lo que escaparía si el CO ₂ no estuviera allí en un primer momento. lugar. Recuerda que la cantidad de energía radiada aumenta con la temperatura, y el CO ₂ de la atmósfera es bastante más frío que el suelo o el océano.

Si quieres sentir el Efecto Invernadero tú mismo, simplemente aparca tu coche durante unas horas bajo el sol de verano (el cristal es transparente a la luz pero opaco a los infrarrojos, como el CO ₂ ). Notarás que el interior del auto está mucho más caliente que la calle. El remedio habitual es colocar una superficie reflectante debajo de las ventanas, para que la energía del sol se refleje hacia el exterior como luz visible. O deje las ventanillas abiertas para que el aire caliente pueda salir del coche.

Las respuestas ya dadas son excelentes, sin embargo, falta algo que creo que debe explicarse. Si retrocedemos de la física detallada dada en las otras respuestas, tenemos esta imagen. La Tierra absorbe por unidad de tiempo algo de energía del Sol e irradiará esta energía de regreso al espacio. Si luego agregamos gases de efecto invernadero y esperamos hasta que la atmósfera se haya calmado y se alcance un nuevo equilibrio, entonces parece que nada ha cambiado. La Tierra aún absorbe la misma cantidad de radiación por unidad de tiempo y esa misma cantidad debe irradiarse de vuelta al espacio. Entonces, ¿cómo es que la temperatura en el suelo ha aumentado?

Como se explica en las otras respuestas, los gases de efecto invernadero absorberán y luego volverán a irradiar la radiación térmica. La radiación térmica emitida estará de acuerdo con la temperatura local en la atmósfera. Si observa los fotones que escapan al espacio y considera de dónde provienen, verá que cuantos más gases de efecto invernadero agregue, más arriba en la atmósfera provendrán estos fotones (en promedio y esto depende de la frecuencia de los fotones).

Entonces, mientras que la cantidad de radiación emitida al espacio permanece igual, esta radiación en promedio provendrá de más arriba en la atmósfera. Sin embargo, la radiación emitida es radiación térmica y, por lo tanto, depende de la temperatura local en la atmósfera y cuanto más subimos, más frío se vuelve. Esto significa entonces que en la nueva situación de equilibrio, la temperatura a nivel del suelo debe haber aumentado.