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二氧化碳怎样影响气候?

作者:环球科学
文长2152 - 时长6分

摘要:
二氧化碳的浓度仅占地球大气的0.041%,它是如何对全球气候产生重要的影响的?关键在于它能够吸收地球表面散发的热量,并阻止其逃逸地球进入太空。

轨道上的碳观测卫星从太空中精确测量地球上二氧化碳的水平。(图片来源:NASA/JPL)

人们经常问我,二氧化碳的浓度如此之小,仅占地球大气的0.041%,它是如何对全球气候产生重要的影响的?人类活动只占其中的32%。

我研究大气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巨大影响的关键在于它能够吸收地球表面散发的热量,并阻止其逃逸地球进入太空。

早期温室科学

在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惊讶于它的影响力。英国的John Tyndall和美国的Eunice Foote分别研究发现,二氧化碳、水蒸气和甲烷都能吸收热量,但更多的气体则不能。

考虑到达地球表面的阳光量,科学家已经计算出,地球已经比它应有的温度高出59华氏度(33摄氏度)。对这种差异最好的解释是,大气保留了热量,使得地球变暖。

Tyndall和Foote研究表明,氮气和氧气,共计占大气的99%,由于它们不吸收热量,它们对地球温度基本没有影响。相反,他们发现,大气中浓度较小的气体与维持温度完全相关,这些气体通过捕获热量创造了一个自然的温室效应,使地球适宜居住。


以科学家查尔斯·大卫·基林(Charles David Keeling)的名字命名的“基林曲线”(Keeling Curve)跟踪了地球大气中二氧化碳的累积,其单位是百万分之一。 (图片来源:斯克里普斯海洋研究所)

大气层中的毯子

地球不断地接收到来自太阳的能量并将它辐射回太空中去。为了使地球上的温度保持恒定,它从太阳接收到的净热量必须和它散发出去的热量相平衡。

由于太阳是热的,它以短波辐射的形式散发能量,主要是紫外线和可见光。而地球冷得多,所以它以红外辐射的形式释放热量,红外辐射波长更长。

二氧化碳和其他吸热气体的分子结构使他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,就像钢琴键的音高一样。当光子的能量和分子的频率相对应时,它会被吸收并且将能量转移到分子上。

二氧化碳和其他吸热气体有三个或者更多的原子、以及和地球发出的红外辐射相对应的频率。氧和氮分子中只有两个原子,不会吸收红外辐射。

大部分来自于太阳的短波辐射通过大气层不会被吸收,但是大部分散发出去的红外辐射则会被大气层中的吸热气体吸收。这些吸热气体之后可以释放或者重新辐射热量,其中一些热量回到地球表面,使地表比其他地方更温暖。


图3:电磁波谱是所有类型的电磁辐射-能量进行传播的范围。太阳比地球热得多,所以它发出的辐射能量更高,波长更短。 (图片来源:NASA)

传热研究

冷战期间,人们广泛研究了不同气体吸收红外辐射的能力。这项工作是由美国空军领导的,当时他们正在研发热追踪导弹,需要了解如何探测大气中的热量。

这项研究使科学家能够通过观察太阳系中所有行星的红外信号来了解它们的气候和大气组成。例如,金星的温度为870华氏度(470摄氏度),因为它厚厚的大气层中含有96.5%的二氧化碳。

它还为天气预报和气候模型提供了信息,使它们能够量化大气中保留并返回地球表面的红外辐射。

人们有时会问我,既然水蒸气吸收了更多的红外线辐射,而且水蒸气和二氧化碳两种气体吸收的波长相同,那么为什么二氧化碳会对气候如此重要。究其原因,地球上层大气控制着逃逸到太空的辐射。上层大气的密度要比地面低得多,含有的水蒸气也要比地面附近少得多,这就意味着,二氧化碳的增加会显著影响到有多少红外辐射逸入太空。


图4:地球接收来自太阳的太阳能(黄色),并通过反射一些入射光和辐射热(红色)将能量返回到太空。温室气体吸收了一部分热量并将其返回地球表面。 (图片来源:美国宇航局维基百科(NASA via Wikimedia))

观察温室效应

你有没有注意到,尽管平均温度是相同,但夜间的沙漠往往比森林要冷?由于沙漠上空的大气没有太多的水蒸气,它们释放出的辐射很容易逃逸到太空。在较潮湿的地区,地球表面的辐射被空气中的水蒸气捕获。同样,由于空气中有更多的水蒸气,多云的夜晚也比晴朗的夜晚更温暖。

二氧化碳的影响可以从过去的气候变化中看出。过去100万年的冰岩芯显示,在温暖期,二氧化碳浓度很高,约为0.028%。在冰河时代,地球温度比20世纪低7到13华氏度(4到7摄氏度),二氧化碳只占大气的0.018%。

尽管水蒸气对自然温室效应更为重要,但二氧化碳的变化已经推动了过去的温度变化。与此形成对比的是,大气中的水蒸汽水平受温度影响。随着地球变暖,大气层可以容纳更多的水蒸气,这就放大了最初的升温过程,这个过程被称为“水蒸气反馈”。因此,二氧化碳的变化一直是过去气候变化的控制因素。

小变化,大影响

大气中少量的二氧化碳就能产生巨大的影响,这不足为奇。正如我们服用的药物只占我们体重的一小部分,我们希望它们能影响我们。

今天的二氧化碳水平比人类历史上任何时候都要高。科学家们普遍认为,自19世纪80年代以来,地球表面的平均温度已经上升了约2华氏度(1摄氏度),而人为增加的二氧化碳和其他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,二氧化碳可能达到大气的0.1%,是工业革命前水平的三倍多。

这将是一个比地球过去产生巨大后果的转变更快速的变化。如果不采取行动,这一小片大气层就会造成大问题。


翻译:曾欣欣

作者:Jason West

来源:环球科学


本文未经许可谢绝转载;如需授权,请联系原作者。

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