二氧化碳的含量沒有你想象的那樣小
我聽說二氧化碳占世界大氣的0.04% 。
不是0.4% 或4% ，而是0.04% ！ 如果只是這麼小的一部分，它怎麼會對全球變暖如此重要？
人們經常問我，二氧化碳的濃度只有地球大氣的0.041%，在這種情況下，它是如何對全球氣候產生重要影響的？而人類活動只占其中的32%。
我研究大氣層氣體對空氣汙染和氣候變化的重要性。二氧化碳對氣候產生巨大影響的關鍵是它具有吸收地球表面散發的熱量的能力，防止熱量散發到太空。
早期溫室科學
在19世紀50年代首次發現二氧化碳對氣候重要性的科學家也對其影響感到驚訝。英國的John Tyndall和美國的Eunice Foote分別研究發現，二氧化碳、水蒸氣和甲烷都能吸收熱量，而更多的大量氣體則不能。
科學家已經計算出，考慮到到達地球表面的陽光數量，地球溫度比正常溫度高59華氏度(33攝氏度)。對這種差異的最佳解釋是，大氣保留了熱量使地球變暖。
Tyndall和Foote的研究表明，大氣中占99%的氮和氧對地球溫度基本上沒有影響，因為它們不吸收熱量。相反，他們發現，更小濃度的氣體通過吸收熱量產生自然溫室效應，使地球保持適宜居住的溫度。
大氣層中的一張毯子
圖為大氣層 圖源：Google
地球不斷地接收來自太陽的能量並將其輻射回太空。為了使地球的溫度保持恒定，它從太陽接收到的淨熱量必須與它發出的熱量相平衡。
由於太陽很熱，它以短波輻射的形式釋放能量，主要是紫外線和可見光。地球要冷得多，所以它以紅外輻射的形式釋放熱量，而紅外輻射的波長更長。
二氧化碳和其他吸熱氣體分子的結構使它們能夠吸收紅外輻射。分子中原子間的鍵能以特定的方式振動，就像鋼琴琴弦的音高一樣。當光子的能量與分子的頻率相對應時，光子被吸收，其能量傳遞給分子。
二氧化碳和其他吸熱氣體有三個或更多的原子，它們的頻率與地球發出的紅外輻射相對應。氧和氮分子中只有兩個原子，它們不吸收紅外輻射。
圖為二氧化碳分子示意圖 圖源：Google
大多數來自太陽的短波輻射通過大氣層而不被吸收。但是大多數發出的紅外輻射都被大氣中的吸熱氣體吸收了。然後他們可以釋放紅外輻射，或重新輻射熱量，其中一些返回地球表面，使它比其他地方更溫暖。
圖為短波輻射shortwave radiation 圖源：Google
熱傳遞研究
冷戰期間，人們對多種氣體對紅外輻射的吸收進行了廣泛的研究。這項工作由美國空軍領導，他們當時正在研發熱追蹤導彈，需要了解如何探測空氣中的熱量。
這項研究使科學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溫度和大氣組成。例如，金星的溫度大約是華氏870度(470攝氏度)，因為它厚厚的大氣層中有96.5%是二氧化碳。
它還為天氣預報和氣候模型提供了信息，使它們能夠量化有多少紅外輻射保留在大氣中並返回到地球表面。
人們有時問我為什麼二氧化碳對氣候如此重要，因為水蒸氣吸收了更多的紅外輻射，而這兩種氣體吸收了幾個相同的波長。原因是地球的上層大氣控制著散發到太空的輻射。上層大氣的密度要比接近地面的大氣小得多，水蒸氣含量也少得多，這意味著增加更多的二氧化碳會顯著影響散發到太空中的紅外輻射的多少。
觀察溫室效應
你有沒有注意到，即使平均溫度一樣，沙漠晚上也比森林冷。由於沙漠上空的大氣中沒有多少水蒸氣，它們釋放出的輻射很容易就會逃逸到太空中。在較濕潤的地區，來自地表的輻射被空氣中的水蒸氣捕獲。同樣，多雲的夜晚比晴朗的夜晚更溫暖，因為有更多的水蒸氣存在。
從過去的氣候變化中可以看出二氧化碳的影響。過去數百萬年的冰芯表明，在溫暖時期，二氧化碳濃度很高，約為0.028%。在冰河時代，地球溫度比20世紀低7到13華氏度(4到7攝氏度)，二氧化碳只占大氣的0.018%。
盡管水蒸氣對自然溫室效應更為重要，但二氧化碳的變化已經推動了過去的溫度變化。相反，大氣中的水蒸氣含量對溫度有反應。隨著地球變暖，它的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，二氧化碳的變化是過去氣候變化的主要影響因素。
圖為水蒸氣反饋water vapor feedback 圖源：Google
小變化，大影響
大氣中少量的二氧化碳就能產生巨大的影響，這不足為奇。我們服用的藥物只占我們體重的一小部分，卻期望它們能對我們產生影響。
今天，二氧化碳的含量比人類歷史上任何時候都要高。科學家們普遍認為，自19世紀80年代以來，地球表面的平均溫度已經上升了約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首。
圖為工業排放二氧化碳 圖源：Google
如果不采取行動控制排放，到2100年，二氧化碳可能達到大氣的0.1%，是工業革命前的三倍多。這將是一個比地球過去產生的雕塑巨大影響的轉變更快的變化。如果不采取行動，這一小片大氣層將會造成大問題。
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3. Jason West-我和我家小星
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