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%，它是如何對全球氣候產(chǎn)生重要的影響的？人類活動只占其中的32%。

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我研究大氣氣體對空氣污染和氣候變化的重要性。二氧化碳對氣候產(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_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?，共計占大氣?9%，由于它們不吸收熱量，它們對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，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應(yīng)時，它會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或者更多的原子、以及和地球發(fā)出的紅外輻射相對應(yīng)的頻率。氧和氮分子中只有兩個原子，不會吸收紅外輻射。

大部分來自于太陽的短波輻射通過大氣層不會被吸收，但是大部分散發(fā)出去的紅外輻射則會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_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

人們有時會問我，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對氣候如此重要。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

盡管水蒸氣對自然溫室效應(yīng)更為重要，但二氧化碳的變化已經(jīng)推動了過去的溫度變化。與此形成對比的是，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_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，這一小片大氣層就會造成大問題。 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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