@ 2019.09.21 , 11:00

为什么量少的二氧化碳会对气候造成严重影响?

我经常被问到,空气中二氧化碳的浓度如此之低,仅占地球大气的0.041%,为什么它能对全球气候产生重要影响。另外值得一提的是,人类活动所排放的二氧化碳只占总数的32%。我研究大气中的气体对空气污染和气候变化的重要性,二氧化碳对气候产生强烈影响的关键是它能够吸收地球表面散发的热量,防止它逃逸到太空中。

19世纪50年代首次发现二氧化碳对气候的重要性的科学家也对其影响感到惊讶。英国的约翰·廷德尔和美国的尤妮斯·福特分别研究发现,二氧化碳、水蒸气和甲烷都能吸收热量,而其它的气体则不能。科学家们已经计算出,考虑那些到达地球表面的阳光总量,地球比应有的温度高出约33摄氏度。对于这种差异最好的解释是,大气层保留了热量来使地球变暖。廷德尔和福特指出,虽然氮气和氧气加起来占大气的99%,但它们基本上对地球的温度没有影响,因为它们不吸收热量。相反,他们发现:浓度小得多的二氧化碳通过吸收热量产生自然的温室效应,使地球维持适宜居住的温度。

地球不断地接收太阳的能量,并将其辐射回太空。为了使自己的温度保持不变,地球从太阳吸收的热量必须与它散发出的热量相平衡。由于太阳很热,它主要以紫外线和可见光的形式发出能量。地球要凉爽得多,所以它通过波长更长的红外线释放热量。二氧化碳和其它吸热气体具有分子结构,使它们能够吸收红外线。 分子中原子之间的键可以以特定的方式振动,当光子的能量与分子的频率相对应时,它就被吸收并将能量转移到分子上。大多数来自太阳的短波辐射通过大气层时不会被吸收,但是大部分的红外线都被大气中的吸热气体吸收了。 然后,它们会再释放这些热量,有些就被送到地球表面,使地球变得更加温暖。

在冷战期间,人们广泛研究了许多不同气体对红外线的吸收。这项工作是由美国空军领导的,他们当时正在开发热导导弹,需要了解如何探测空气中的热量。这项研究使科学家能够通过观测太阳系所有行星的红外特征来了解它们的气候和大气成分。例如,金星的温度约为470摄氏度,因为其厚厚的大气层含有96.5%的二氧化碳。

人们有时会问我:水蒸气能够吸收更多的红外辐射,而且和二氧化碳吸收的红外线的波长是相同的,为什么二氧化碳对气候这么重要?原因是地球的上层大气控制着逃逸到太空的热量。上层大气的密度要小得多,水蒸气的含量也少得多,这意味着二氧化碳对逃逸到太空的红外辐射的影响更大。

二氧化碳的影响可以从过去的气候变化中看出来。数据显示,在暖期,二氧化碳的浓度很高,约为0.028%。而在冰河时期,当时的地球温度比20世纪低4-7摄氏度,二氧化碳只占大气的0.018%。

大气中少量的二氧化碳会产生巨大的影响,这不足为奇。我们服用的药物只占我们身体质量的很小一部分,我们也期望它们会影响我们。如今,二氧化碳的含量比人类历史上任何时候都高。科学家们普遍认为,自19世纪80年代以来,地表平均温度已经上升了1摄氏度,而人类排放的二氧化碳和其它吸热气体极有可能是罪魁祸首。如果不采取行动控制排放,到2100年,二氧化碳可能会达到大气的0.1%,是工业革命前水平的三倍多,这将给地球的气候带来巨大的影响。

sciencealert


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