Odpowiada Michalina Broda, konsultacja prof. Szymon Malinowski

Gazy cieplarniane to gazy w atmosferze, które pochłaniają promieniowanie długofalowe (podczerwone promieniowanie termiczne) emitowane przez Ziemię i same emitują promieniowanie w tym zakresie. To one są odpowiedzialne za to, że na Ziemi panuje temperatura odpowiednia dla życia. Bez obecności gazów cieplarnianych średnia temperatura na Ziemi byłaby około 30 stopni niższa. Jednak nadmierna emisja tych gazów spowodowana działalnością ludzką prowadzi do efektu cieplarnianego, który jest jedną z głównych przyczyn globalnego ocieplenia.

Praktycznie wszystkie gazy cieplarniane to gazy, których cząsteczki składają się z trzech lub więcej atomów. Poniższy rysunek ilustruje cząsteczki obecne w atmosferze, z podziałem na te, które absorbują promieniowanie długofalowe i na te, które nie pochłaniają tego rodzaju promieniowania:

By zrozumieć dlaczego gazy cieplarniane absorbują promieniowanie podczerwone, należy najpierw przypomnieć pokrótce budowę atomu. W szkole jesteśmy uczeni, że atom składa się z dodatnio naładowanego, masywnego jądra i ujemnie naładowanych elektronów, które znajdują się na konkretnych powłokach otaczających jądro. Ten model jest pewnym uproszczeniem, który nie uwzględnia dualnej, korpuskularno-falowej natury elektronów. Pomijając zawiłości mechaniki kwantowej, atom może być opisany jako koncentrujący praktycznie całą masę jądra, otoczonego rozmytą chmurą elektronów. 

Dodatnio naładowane jądra atomów się odpychają, jednak pewne wspólne ułożenie elektronów w atomach może skutkować korzystną konfiguracją energetyczną. W takiej sytuacji jądra atomowe utrzymują się w określonej odległości od siebie, tworząc cząsteczkę, co nazywamy wiązaniem chemicznym. To zjawisko można porównać do sprężyny, która łączy dwa jądra atomowe na swoich końcach, umożliwiając im pewną swobodę zbliżania się i oddalania od siebie. Takie ruchy nazywamy oscylacjami.

Oscylacje cząsteczki mogą być stymulowane przez drgania pola elektrycznego związanego z promieniowaniem elektromagnetycznym, o ile mają częstotliwość odpowiednią dla danego zestawu atomów. W ten sposób energia promieniowania może zostać pochłonięta przez cząsteczkę. Ważne jest, że ten proces jest dwukierunkowy – energia może być także emitowana z cząsteczki w postaci promieniowania. Cząsteczka pochłania i emituje energię o równych długościach fal. Informacje na temat długości fal, które cząsteczka pochłania i emituje, nazywane są widmem absorpcyjno-emisyjnym.

W cząsteczkach składających się z dwóch takich samych atomów (na przykład $N_2$ czy $O_2$) rozkład ładunków jest symetryczny. Energia kwantów promieniowania podczerwonego jest zbyt mała, żeby wzbudzić drgania symetryczne, więc azot, tlen (i inne gazy składające się z dwóch takich samych atomów) nie pochłaniają promieniowania w tym zakresie, nie są więc gazami cieplarnianymi.

Istnieją cząsteczki, które mają niesymetryczny rozkład ładunków – po jednej stronie cząsteczki przeważa ładunek dodatni, a po drugiej ujemny (jest to tzw. dipol elektryczny). Przykładowym dipolem jest molekuła wody (patrz obrazek niżej):

Promieniowanie elektromagnetyczne może oddziaływać z tą cząsteczką poprzez jej obracanie (rotacja), powodowanie oscylacji, zginanie, rozciąganie. Ten sam mechanizm występuje w mikrofalówce, gdy podgrzewamy jedzenie (cząsteczki wody w jedzeniu są pobudzane do drgań przez mikrofale, za sprawą czego rośnie temperatura).

Promieniowanie podczerwone może też być pochłaniane przez cząsteczki wieloatomowe niebędące dipolami (apolarne), np. molekuły $CO_2$.  Obrót takiej cząsteczki lub rozciąganie symetryczne nie powodują zmiany ładunku, jednak rozciąganie asymetryczne i zginanie powodują polaryzację.

Cząsteczki gazów, takich jak $H_2O$ czy $CO_2$, posiadają wiele różnych możliwych stanów energetycznych, wynikających z nakładania się na siebie różnych rodzajów rotacji i drgań. Dlatego gazy te oddziałują z promieniowaniem w szerokim zakresie częstotliwości, absorbując kwanty promieniowania. W efekcie są one zdolne do skutecznego pochłaniania promieniowania podczerwonego, a następnie emitowania go z powrotem w atmosferę, również w kierunku Ziemi, co podnosi temperaturę naszej planety.

Obrazki zawarte w tej wypowiedzi pochodzą z książki „Nauka o klimacie”, której autorami są A. E. Kardaś, Sz. Malinowski i M. Popkiewicz.