二氧化碳怎樣影響氣候？

軌道上的碳觀測衛(wèi)星從太空中精確測量地球上二氧化碳的水平。（圖片來源：NASA/JPL）

人們經(jīng)常問我，二氧化碳的濃度如此之小，僅占地球大氣的0.041%，它是如何對(duì)全球氣候產(chǎn)生重要的影響的？人類活動(dòng)只占其中的32%。

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我研究大氣氣體對(duì)空氣污染和氣候變化的重要性。二氧化碳對(duì)氣候產(chǎn)生巨大影響的關(guān)鍵在于它能夠吸收地球表面散發(fā)的熱量，并阻止其逃逸地球進(jìn)入太空。

早期溫室科學(xué) 本`文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳排0放_(tái)交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om

在19世紀(jì)50年代首次發(fā)現(xiàn)二氧化碳對(duì)氣候的重要性的科學(xué)家也驚訝于它的影響力。英國的John Tyndall和美國的Eunice Foote分別研究發(fā)現(xiàn)，二氧化碳、水蒸氣和甲烷都能吸收熱量，但更多的氣體則不能。

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考慮到達(dá)地球表面的陽光量，科學(xué)家已經(jīng)計(jì)算出，地球已經(jīng)比它應(yīng)有的溫度高出59華氏度（33攝氏度）。對(duì)這種差異最好的解釋是，大氣保留了熱量，使得地球變暖。

Tyndall和Foote研究表明，氮?dú)夂脱鯕猓灿?jì)占大氣的99%，由于它們不吸收熱量，它們對(duì)地球溫度基本沒有影響。相反，他們發(fā)現(xiàn)，大氣中濃度較小的氣體與維持溫度完全相關(guān)，這些氣體通過捕獲熱量創(chuàng)造了一個(gè)自然的溫室效應(yīng)，使地球適宜居住。

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以科學(xué)家查爾斯·大衛(wèi)·基林(Charles David Keeling)的名字命名的“基林曲線”(Keeling Curve)跟蹤了地球大氣中二氧化碳的累積，其單位是百萬分之一。 （圖片來源：斯克里普斯海洋研究所） 本+文+內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放（交—易^網(wǎng)-tan pai fang . com

大氣層中的毯子

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地球不斷地接收到來自太陽的能量并將它輻射回太空中去。為了使地球上的溫度保持恒定，它從太陽接收到的凈熱量必須和它散發(fā)出去的熱量相平衡。

由于太陽是熱的，它以短波輻射的形式散發(fā)能量，主要是紫外線和可見光。而地球冷得多，所以它以紅外輻射的形式釋放熱量，紅外輻射波長更長。 本+文+內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com

二氧化碳和其他吸熱氣體的分子結(jié)構(gòu)使他們能夠吸收紅外輻射。分子中原子間的鍵可以以特定的方式振動(dòng)，就像鋼琴鍵的音高一樣。當(dāng)光子的能量和分子的頻率相對(duì)應(yīng)時(shí)，它會(huì)被吸收并且將能量轉(zhuǎn)移到分子上。

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二氧化碳和其他吸熱氣體有三個(gè)或者更多的原子、以及和地球發(fā)出的紅外輻射相對(duì)應(yīng)的頻率。氧和氮分子中只有兩個(gè)原子，不會(huì)吸收紅外輻射。

大部分來自于太陽的短波輻射通過大氣層不會(huì)被吸收，但是大部分散發(fā)出去的紅外輻射則會(huì)被大氣層中的吸熱氣體吸收。這些吸熱氣體之后可以釋放或者重新輻射熱量，其中一些熱量回到地球表面，使地表比其他地方更溫暖。 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com

圖3：電磁波譜是所有類型的電磁輻射-能量進(jìn)行傳播的范圍。太陽比地球熱得多，所以它發(fā)出的輻射能量更高，波長更短。 （圖片來源：NASA）

傳熱研究 本文+內(nèi)-容-來-自；中^國_碳+排.放_(tái)交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om

冷戰(zhàn)期間，人們廣泛研究了不同氣體吸收紅外輻射的能力。這項(xiàng)工作是由美國空軍領(lǐng)導(dǎo)的，當(dāng)時(shí)他們正在研發(fā)熱追蹤導(dǎo)彈，需要了解如何探測大氣中的熱量。 本`文@內(nèi)-容-來-自；中^國_碳0排0放^交-易=網(wǎng) ta n pa i fa ng . co m

這項(xiàng)研究使科學(xué)家能夠通過觀察太陽系中所有行星的紅外信號(hào)來了解它們的氣候和大氣組成。例如，金星的溫度為870華氏度（470攝氏度），因?yàn)樗窈竦拇髿鈱又泻?6.5%的二氧化碳。

它還為天氣預(yù)報(bào)和氣候模型提供了信息，使它們能夠量化大氣中保留并返回地球表面的紅外輻射。 本+文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com

人們有時(shí)會(huì)問我，既然水蒸氣吸收了更多的紅外線輻射，而且水蒸氣和二氧化碳兩種氣體吸收的波長相同，那么為什么二氧化碳會(huì)對(duì)氣候如此重要。究其原因，地球上層大氣控制著逃逸到太空的輻射。上層大氣的密度要比地面低得多，含有的水蒸氣也要比地面附近少得多，這就意味著，二氧化碳的增加會(huì)顯著影響到有多少紅外輻射逸入太空。

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圖4：地球接收來自太陽的太陽能(黃色)，并通過反射一些入射光和輻射熱(紅色)將能量返回到太空。溫室氣體吸收了一部分熱量并將其返回地球表面。 （圖片來源：美國宇航局維基百科（NASA via Wikimedia））

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觀察溫室效應(yīng) 本+文`內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com

你有沒有注意到，盡管平均溫度是相同，但夜間的沙漠往往比森林要冷？由于沙漠上空的大氣沒有太多的水蒸氣，它們釋放出的輻射很容易逃逸到太空。在較潮濕的地區(qū)，地球表面的輻射被空氣中的水蒸氣捕獲。同樣，由于空氣中有更多的水蒸氣，多云的夜晚也比晴朗的夜晚更溫暖。

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二氧化碳的影響可以從過去的氣候變化中看出。過去100萬年的冰巖芯顯示，在溫暖期，二氧化碳濃度很高，約為0.028%。在冰河時(shí)代，地球溫度比20世紀(jì)低7到13華氏度(4到7攝氏度)，二氧化碳只占大氣的0.018%。 禸*嫆唻@洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ

盡管水蒸氣對(duì)自然溫室效應(yīng)更為重要，但二氧化碳的變化已經(jīng)推動(dòng)了過去的溫度變化。與此形成對(duì)比的是，大氣中的水蒸汽水平受溫度影響。隨著地球變暖，大氣層可以容納更多的水蒸氣，這就放大了最初的升溫過程，這個(gè)過程被稱為“水蒸氣反饋”。因此，二氧化碳的變化一直是過去氣候變化的控制因素。 內(nèi).容.來.自：中`國`碳#排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai f an g.com

小變化，大影響 本文@內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放-交易&*網(wǎng)-tan pai fang . com

大氣中少量的二氧化碳就能產(chǎn)生巨大的影響，這不足為奇。正如我們服用的藥物只占我們體重的一小部分，我們希望它們能影響我們。 本%文$內(nèi)-容-來-自；中_國_碳|排 放_(tái)交-易^網(wǎng)^t an pa i fang . c om

今天的二氧化碳水平比人類歷史上任何時(shí)候都要高?？茖W(xué)家們普遍認(rèn)為，自19世紀(jì)80年代以來，地球表面的平均溫度已經(jīng)上升了約2華氏度(1攝氏度)，而人為增加的二氧化碳和其他吸熱氣體極有可能是罪魁禍?zhǔn)住?/span>

如果不采取行動(dòng)控制排放，到2100年，二氧化碳可能達(dá)到大氣的0.1%，是工業(yè)革命前水平的三倍多。

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這將是一個(gè)比地球過去產(chǎn)生巨大后果的轉(zhuǎn)變更快速的變化。如果不采取行動(dòng)，這一小片大氣層就會(huì)造成大問題。 本`文@內(nèi)-容-來-自；中^國_碳0排0放^交-易=網(wǎng) ta n pa i fa ng . co m

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