二氧化碳浓度那么小，对气候的影响为何如此巨大？

研究表明，二氧化碳对气候产生巨大影响的关键在于，它能吸收地球表面散发的热量，防止热量逃逸到太空。

杰森·韦斯特

译者:曾欣欣

审校:黄伟

人们经常会问，二氧化碳的浓度仅占地球大气层的0.041%，它对全球气候有何重要影响？此外，人类活动产生的二氧化碳只有32%。研究表明，二氧化碳对气候产生巨大影响的关键在于，它能吸收地球表面散发的热量，防止热量逃逸到太空。

19世纪50年代，当科学家首次发现二氧化碳对气候的重要性时，他们对其影响感到惊讶。英国的约翰·丁达尔和美国的尤尼斯·福特发现二氧化碳、水蒸气和甲烷可以吸收热量，而其他气体则不能。当考虑到到达地球表面的太阳辐射量时，科学家计算出地球已经比它应该的温度高了33℃。对这种差异最好的解释是，大气保留热量并使地球变暖。

廷德尔和富特的研究表明，大气中99%的气体是氮气和氧气，但它们不吸热，对地球温度影响很小。大气中气体浓度的降低与地球温度的保持密切相关。这些气体可以通过吸收热量产生自然温室效应，使地球适于居住。

地球不断接收来自太阳的能量，并将其辐射回太空。为了保持温度不变，地球从太阳接收的净热量必须与其散发的热量相平衡。由于太阳很热，它主要以短波辐射的形式发射能量，主要是紫外线和可见光。地球要冷得多，所以它以红外辐射的形式释放热量，红外辐射的波长更长。

二氧化碳和其他吸热气体的分子结构使它们能够吸收红外辐射。分子中原子间的键可以以特定的方式振动。当光子能量对应于分子振动的频率时，能量将被吸收并传递给分子。二氧化碳和其他吸热气体含有三个或更多的原子，这相当于地球发出的红外线的频率。然而，氧和氮分子只有两个原子，不能吸收红外辐射。

大部分来自太阳的短波辐射在穿过大气层时不会被吸收，但大部分从地球发出的红外辐射会被大气中的二氧化碳等气体吸收。这些气体可以释放或重新辐射热量，其中一些会使地球表面变暖。

科学家通过观察太阳系所有行星的红外信号来了解它们的气候和大气成分。例如，金星的温度为470℃，因为它的大气层含有96.5%的二氧化碳。此外，科学家还可以通过量化留在大气中并返回地球表面的红外辐射，为天气预报和气候模型提供信息。

人们有时会问，既然水蒸气吸收更多的红外辐射，而且水蒸气和二氧化碳吸收的波长相同，为什么二氧化碳对气候会有如此重要的影响？原因是地球的高层大气控制着逃逸到太空的辐射。高层大气的密度比地面低得多，其中包含的水蒸气也比地面附近的少得多。这意味着二氧化碳的增加将显著影响多少红外辐射逃逸到太空。

你有没有注意到，尽管沙漠和森林的平均温度在晚上是一样的，但沙漠通常比森林冷？这是因为沙漠上空的大气中没有太多的水蒸气，它们释放的辐射很容易逸入太空。在潮湿地区，从地球表面辐射的热量会被空气中的水蒸气吸收。同样，由于空气中有更多的水蒸气，多云的夜晚将比晴朗的夜晚更温暖。

从过去的气候变化中，我们可以看到二氧化碳的影响。一百万年前冰冷的岩石表明，在温暖时期，地球上的二氧化碳浓度非常高，约为0.028%。然而，在冰河时期，地球温度比20世纪低4-7℃，而二氧化碳仅占大气总量的0.018%。

虽然水蒸气对自然温室效应更重要，但过去大气中二氧化碳的变化促进了温度的变化。大气中的水蒸气含量会受到温度的影响。随着地球变暖，大气可以容纳更多的水蒸气，这放大了最初的变暖过程，称为“水蒸气反馈”因此，二氧化碳的变化一直是过去气候变化的一个关键因素。

大气中少量的二氧化碳会产生巨大的影响，这并不奇怪。就像我们服用的药物只占我们体重的一小部分，但我们希望它们能影响我们的身体。今天的二氧化碳水平比人类历史上任何时候都高。科学家普遍认为，自19世纪80年代以来，地球表面的平均温度上升了约1℃，而人为增加的二氧化碳和其他吸热气体很可能是这一现象的主要原因。

如果人类不采取行动控制二氧化碳排放，到2100年，大气中二氧化碳的比例可能达到0.1%，是工业革命前水平的三倍多。这种变化会给地球带来巨大的后果，而且会比地球以前的变化更快。如果不采取行动，这一小块大气层将引起大问题。

原始链接:https://phys . org/news/2019-09-二氧化碳-超大-地球-气候. html

为什么二氧化碳对气候有如此大的影响？