二氧化碳为何对气候的影响如此巨大？

撰文：Jason West

译者：曾欣欣

审校：黄薇

人们经常会问，二氧化碳的浓度仅占地球大气的0.041%，它如何对全球气候产生重要影响？此外，人类活动产生的二氧化碳也只占其中的32%。研究显示，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，并阻止其逃逸到太空中。

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，就对它的影响力感到惊讶。英国的John Tyndall和美国的Eunice Foote分别发现，二氧化碳、水蒸气和甲烷均能吸收热量，其他气体则不能。当考虑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有的温度高出33℃。对这种差异最好的解释是，大气保留了热量，使得地球变暖了。

Tyndall和Foote研究表明，大气中99%的气体是氮气和氧气，但它们并不吸收热量，对地球温度基本没有影响。而大气中浓度较小的气体与地球温度的维持密切相关。这些气体能通过捕获热量创造了一种自然的温室效应，使得地球宜于居住。

地球不断地接收到来自太阳的能量，并将它们辐射回太空。为了使温度保持恒定，地球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，它主要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，而红外线的波长也更长。

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。分子中原子间的键能以特定的方式振动。当光子的能量和分子震动的频率相对应时，能量会被吸收并转移到分子上。二氧化碳和其他吸热的气体中含有三个或者更多的原子，能与地球发出的红外辐射的频率相对应。而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在通过大气层时，不会被吸收，但是大部分从地球散发出去的红外辐射则会被大气层中的二氧化碳等气体吸收。随后，这些气体可以释放或者重新辐射热量，其中一些热量会地球表面，使地表变得更温暖。

科学家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470℃，因为它厚厚的大气层中含有96.5%的二氧化碳。此外，通过量化大气中保留并返回地球表面的红外辐射，科学家还能为天气预报和气候模型提供了信息。

人们有时会问，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能产生如此重要的影响呢？究其原因在于，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，其中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逃逸到太空中。

你有没有注意到，即使在夜间沙漠和森林的平均温度相同，但沙漠往往比森林要冷？这是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，地球表面辐射的热量会被空气中的水蒸气捕获。同样，由于空气中有更多的水蒸气，多云的夜晚也会比晴朗的夜晚更温暖。

从过去的气候变化中，我们可以看出二氧化碳的影响。100万年前的冰岩显示，在温暖期，地球上的二氧化碳浓度很高，约为0.028%。但在冰川时期，地球温度要比20世纪低4到7℃，而此时二氧化碳只占大气总量的0.018%。

尽管水蒸气对自然温室效应更为重要，但大气中二氧化碳的变化已经推动了过去温度的改变。而大气中的水蒸汽含量会受温度影响。随着地球变暖，大气层可以容纳更多的水蒸气，这会放大了初始的升温过程，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关键因素。

大气中少量的二氧化碳就能产生巨大的影响，这不足为奇。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1℃，而人为增加的二氧化碳和其他吸热气体极有可能是导致这一现象的主要原因。

如果人类还不采取行动控制二氧化碳的排放，到2100年，大气中的二氧化碳占比可能会达到0.1%，是工业革命前水平的三倍多。这种改变将给地球带来巨大的后果，且比地球以往的转变更加迅速。如果不采取行动，这一小片大气层就会造成大问题。

原文链接：https://phys.org/news/2019-09-carbon-dioxide-outsized-earth-climate.html