Hiilidioksidimolekyylissä CO2 on 1 hiiliatomi ja 2 happiatomia. Molekyylin energia jakaantuu moneen osaan, joista kolme (värähtelyenergia, pyörimisenergia ja lämpöenergia) on syynä lämmitysvaikutukseen ja niitä käsitellään seuraavassa. Muita energiamuotoja ja niihin liittyviä muita ilmakehän aiheuttamia ilmiöitä käsitellään aivan lopuksi.
Kuva yllä (Alonso, Finn) kuvaa hiilidioksidimolekyylin sisäistä värahtelyä eli molekyylin atomien liikettä toistensa suhteen. Värähteleminen kullakin näistä kolmesta mahdollisesta värähtelytavasta vaatii erilaisen energian. Molekyyli saa tämän energian siihen osuvasta sähkömagneettisesta säteilystä. Kuvan kolme värähtelytilaa, järjestyksessä ylhäältä alas, vastaavat sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuksia 7,5 , 15 ja 4,3 mikrometriä (mikrometri = miljoonasosa metriä). Molekyyli alkaa värähdellä tilassa 2, jos siihen osuu säteilyä, jonka aallonpituus on 15 mikrometriä. Ensimmäisen osuman jälkeen se värähtelee hitaasti. Mutta se voi vastaanottaa lisää saman suuruisia säteilyannoksia eli säteilykvantteja ja alkaa värähdellä nopeammin ja nopeammin. Kukin värähtelytapa vaatii tietynsuuruisia säteilyannoksia eli nopeus nousee portaittain tarkasti määrätyin askelmin.
Tämä mikroskooppiselle fysiikalle ominainen piirre, ns. energian kvantittuminen eli paloittuminen, on modernin fysiikan perusta, jota käsitellään kvanttimekaniikka-nimisen fysiikan alueen sisällä. Energian kvantittuminen on eriskummallinen ja arkielämälle vieras asia. Kvanttimekaniikan teoria keksittiin ja kehitettiin vasta tällä vuosisadalla, erityisesti 1920-luvulla. Sen luomiseen tarvittiin vuosisadan nerokkaimmat fyysikot: Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger ja Paul Dirac. Vaikka kvanttimekaniikka on useimmille tuntematon teoria, moderni huipputekniikka, jota jokainen päivittäin hyödyntää, perustuu siihen. (Modernin fysiikan toinen tukipilari on Einsteinin suhteellisuusteorioissaan kehittämä gravitaatioteoria, joka antaa kuvan maailmankaikkeuden rakenteesta.)
Värähtelyn lisäksi molekyyli pyörii. Pyörimiseen vaadittava energiakvantti on hyvin pieni, luokkaa tuhannesosa värähtelyenergiakvanttiin verrattuna. On mahdollista, että molekyyliin osuu säteilyannos, joka muuttaa sekä värähtely-, että pyörimisnopeutta. Esimerkiksi värähtelyenergia voi nousta yhdellä pykälällä ja pyörimisenergia samanaikaisesti 100 pykälällä. Tai värähtelyenergia voi nousta yhdellä pykälällä ja pyörimisenergia samanaikaisesti laskea 100 pykälällä.
Kuva yllä (Houghton) näyttää maapallolta lähtevän säteilyn määrän eri aallonpituuksilla mitattuna satelliitilla ilmakehän ulkopuolella. Mikäli ilmakehässä ei olisi mitään säteilyn kanssa vuorovaikuttavaa ainetta, säteilykäyrän pinta olisi tasainen ja kellon muotoinen. Siinä havaitaan kuitenkin kuoppia, jotka johtuvat siitä, että eräät ilmakehän kaasut imevät itseensä tiettyjä aallonpituuksia. Tätä prosessia kutsutaan absorptioksi.
Noin 15 mikrometrin kohdalla nähdään syvä kuoppa, joka on hiilidioksidin aiheuttama. Se tarkoittaa, että kuopan osoittama määrä säteilyä on osunut hiilidioksidimolekyyleihin ja saanut nämä värähtelemään tilassa 2 sekä pyörimään ja siten estämään säteilyn karkaamisen avaruuteen - siis absorboinut säteilypaketteja eli säteilykvantteja, joita myös fotoneiksi kutsutaan.
Tarkemmin sanottuna kuopan osoittama määrä on absorboitunut molekyyleihin ja molekyylit ovat ne uudestaan säteilleet maahan. Molekyylin sisäiset liiketilat nimittäin eivät ole pysyviä vaan molekyyli hidastuu eli menettää energiaa säteilemällä sen pois. Noin puolet kuhunkin hiilidioksidimolekyyliin absorboidusta energiasta säteilee takaisin maahan. Lämmitysvaikutus johtuu tästä! Toinen puoli karkaa avaruuteen, mistä johtuen kuoppa ei voi kokonaan hävitä.
Kuvan kuopan 14-15 mikrometrin puolikas on aiheutunut värähtelyenergian noususta ja samanaikaisesta pyörimisenergian pienenemisestä. Puolikas 15-16 mikrometriä on syntynyt sekä värähtely- että pyörimisenergian kasvusta.
Vaikka kuoppa näyttää kuvassa yhtenäiseltä se on todellisuudessa kuin risuaita, jonka läpi osa säteilystä pääsee koska sallittujen pyörimisenergioiden väliin jää energioita, joita molekyylit eivät pysty absorboimaan.
Mikäli hiilidioksidimolekyylit olisivat paikoillaan eikä törmayksiä niiden välillä tai niiden ja muiden ilman molekyylien välillä tapahtuisi, niin lähes kaikki säteily pääsisi niiden ohi, sillä kunkin energiasiirtymän mahdollistaman säteilykvantin olisi oltava lähes tarkalleen rotaatio/vibraatio-siirtymän suuruinen (ei kuitenkaan aivan tarkalleen, kuten Heisenberg epätarkkuusrelaationsa keksiessään ymmärsi). Risuaidan risut siis olisivat erittäin kapeita.
Käytännössä hiilidioksidimolekyylit liikkuvat jatkuvasti varsin suurella nopeudella ympäriinsä eri suuntiin ja törmäilevät jatkuvasti toisiinsa ja muihin ilman molekyyleihin. Molekyylien satunnaista liikettä toistensa suhteen kutsutaan lämpöliikkeeksi. Mitä korkeampi lämpötila sen nopeammin molekyylit keskimäärin liikkuvat. Tätä liike-energiaa kutsutaan lämpöenergiaksi. Se ei ole kvantittunutta, kuten molekyylin sisäinen värähtely- ja pyorimisenergia vaan voi olla minkä suuruinen tahansa. Eri molekyylien energia vaihtelee valtavasti ja niiden keskinäiset törmäykset muuttavat sitä jatkuvasti. Lämpöenergia aiheutuu myöskin siitä sähkömagneettisesta säteilystä, jossa molekyylit kylpevät. Säteilyn energia siirtyy molekyyleihin sekä absorption että sironnan kautta. Sironnassa säteilyfotonin kanssa molekyylin sisäinen energia ei useimmiten muutu, vaan koko molekyyli saa lisää liike-energiaa ja säteilyn kulkusuunta muuttuu. Sekä auringosta että maasta tuleva säteily vaikuttavat ilmakehän kaasujen lämpötilaan.
Molekyylien keskinäisten törmäysten yhteydessä niiden energiatilat muuttuvat ja tuloksena on painelevenemäksi kutsuttu ilmiö, jossa molekyylit pystyvät absorboimaan huomattavan leveältä energia-alueelta omien lepoenergiatilojensa ympäriltä. Siten risuaidan risut ovatkin paksuja, ja niiden välistä mahtuu oleellisesti kapeampien energia-alueiden säteily.
Hiilidioksidin absorptioalueet levenevät lisäksi doppler-ilmiön vuoksi. Se on tuttu ilmiö autokilpailuista tai hälytysajoneuvon ohiajosta. Ambulanssin ohittaessa kuuntelijan sen ääni muuttuu korkeasta matalaksi. Kun ambulanssi tulee kohti, sen lähettämät ääniaallot puristuvat kasaan eli aallonpituus lyhenee. Lyhyempi aallonpituus tarkoittaa korkeampaa ääntä (korkeampaa taajuutta). Vastaavasti ambulanssin ajaessa poispäin sen lähettämät ääniaallot venyvät eli madaltuvat. Muut ambulanssin liikesuunnat tuottavat kuulijalle näiden ääripäiden välillä olevan äänenkorkeuden aistimuksen. Sähkömagneettiselle aaltoliikkeelle käy samoin kuin ääniaalloille eli doppler-ilmiön takia erittäin kovaa punaista valoa vasten ajettaessa sen väri voi muuttua vihreäksi (vihreän valon aallonpituus on punaista lyhyempi). Tätä voi yrittää kertoa sakkolapun kanssa lähestyvälle poliisille, mutta hän torjunee selityksen, vaikkei ehkä ymmärräkään miksi (auton nopeuden nimittäin pitäisi olla lähellä valon nopeutta). Molekyylin absorptiota tämä ilmiö muuttaa siten, että jos molekyyli on menossa säteilyn suuntaisesti se absorboi hieman lyhyemmän aallonpituuden säteilyä ja jos molekyyli on tulossa säteilyä kohti, se absorboi hieman pitemmän aallonpituuden säteilyä.
Paine- ja doppler-levenemät aiheuttavan sen, että hiilidioksidin energiatilat voivat mennä jopa päällekkäin tuottaen jatkuvan absorptiospektrin eli siis risuaidan risujen levenemisen niin paljon, että ne sulkevat välissään olevan raon. Näin on ilmakehässä käynyt kaikkein todennäköisimpien siirtymien osalta eli siis 15 mikrometrin vibraatiosiirtymän lähellä. Se tarkoittaa, että 15 mikrometrin lähialueella hiilidioksidin absorptio on jo täydellinen eli on saavutettu saturaatio. Hiilidioksidin lisääminen ei enää vaikuta maan kyseisellä aallonpituusalueella säteilemiin kvantteihin, koska ne kaikki jo absorboituvat nykyisellä pitoisuudella. Mutta kauempana aivan 15 mikrometrin kuopan keskikohdalta risuaita on edelleen avoin eikä koko kuopan alue muutu täysin tiiviiksi millään hiilidioksidipitoisuudella. Hiilidioksidin lisääminen siis aina lisää ko. kuopan alueella absorptiota, mutta sitä vähemmän, mitä suurempi alkupitoisuus on. Absorptiokyky kasvaa likimain logaritmisesti hiilidioksidipitoisuuden funktiona.
Tilanne on toinen kasvihuonekaasuilla, joita ilmakehässä on niin vähän, että absorptioalueen keskikohtakaan ei ole lähelläkään saturaatiota (esim. halogenoidut hiilivedyt). Niiden pitoisuuden kasvu lisää absorptiovaikutusta lineaarisesti. Välimuotona on metaani, jonka absorptioalueiden keskikohdat ovat lähellä saturaatiota, jolloin sen aiheuttama absorptiovaikutus kasvaa pitoisuuden neliöjuureen verrannollisesti.
Hiilidioksidin 15 mikrometrin absorptio on erittäin vahva, mikä tarkoittaa sitä, että molekyyli nopeuttaa suurella todennäköisyydellä värähtelyään tavalla 2, jos siihen osuu sopivan suuruinen säteilypaketti. Suurta absorptiotodennäköisyyttä voi kuvata myös siten, että molekyyli pystyy nappaamaan kauempaa ohi kulkevan sopivan suuruisen säteilykvantin. Se, että hiilidioksidilla on merkitystä, vaikka sen pitoisuus ilmakehässä (n. 0,04%) on hyvin pieni vesihöyryyn (jopa 2%) verrattuna johtuu siis siitä, että hiilidioksidilla sattuu olemaan mieluinen värähtelytila maan säteilyjakauman maksimin lähellä, jossa vesihöyryllä taas on heikko vaikutus.
Muiden kasvihuonekaasujen molekyylit vaikuttavat samalla tavoin kuin hiilidioksidi. Kullakin on omat tietyt aallonpituusalueensa, jossa ne absorboivat. Kaikki kaasut absorboivat joillakin aallonpituusalueilla. Kaasun tekee kasvihuonekaasuksi se, että se absorboi maasta lähtevän lämpösäteilyn alueella eli n. 5-25 mikrometriä. Ilmakehän yleisimmät kaasut typpi, happi ja argon eivät näin tee. Kuvassa yllä näkyy hiilidioksidin CO2 lisäksi vesihöyryn H20, metaanin CH4, typpioksiduulin N2O ja otsonin O3 absorbtioalueet. Kuvasta nähdään myös, että aallonpituuksilla 8-9 mikrometriä ja 10-13 mikrometriä eivät mitkään kaasut vaikuta voimakkaasti eli ilmakehä on niillä aallonpituuksilla läpinäkyvä.
Kerrataan vielä molekyylin energiamuodot ja lisätään ne, joita ei käsitelty. Energia jakaantuu yleensä kappaleen massasta ja nopeudesta riippuvaan liike-energiaan sekä kappaleen massasta ja sijainnista riippuvaan potentiaalienergiaan. Molekyylillä on sekä sisäistä että ulkoista energiaa, jotka aiheutuvat sähkömagneettisesta voimasta, painovoimasta eli gravitaatiosta sekä ydinvoimasta.
