二氧化碳的含量没有你想象的那样小
我听说二氧化碳占世界大气的0.04% 。不是0.4% 或4% ，而是0.04% ！如果只是这么小的一部分，它怎么会对全球变暖如此重要？
人们经常问我，二氧化碳的浓度只有地球大气的0.041%，在这种情况下，它是如何对全球气候产生重要影响的？而人类活动只占其中的32%。
我研究大气层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是它具有吸收地球表面散发的热量的能力，防止热量散发到太空。
早期温室科学
在19世纪50年代首次发现二氧化碳对气候重要性的科学家也对其影响感到惊讶。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，而更多的大量气体则不能。
科学家已经计算出，考虑到到达地球表面的阳光数量，地球温度比正常温度高59华氏度(33摄氏度)。对这种差异的最佳解释是，大气保留了热量使地球变暖。
Tyndall和Foote的研究表明，大气中占99%的氮和氧对地球温度基本上没有影响，因为它们不吸收热量。相反，他们发现，更小浓度的气体通过吸收热量产生自然温室效应，使地球保持适宜居住的温度。
大气层中的一张毯子
图为大气层 图源：Google
地球不断地接收来自太阳的能量并将其辐射回太空。为了使地球的温度保持恒定，它从太阳接收到的净热量必须与它发出的热量相平衡。
由于太阳很热，它以短波辐射的形式释放能量，主要是紫外线和可见光。地球要冷得多，所以它以红外辐射的形式释放热量，而红外辐射的波长更长。
二氧化碳和其他吸热气体分子的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，就像钢琴琴弦的音高一样。当光子的能量与分子的频率相对应时，光子被吸收，其能量传递给分子。
二氧化碳和其他吸热气体有三个或更多的原子，它们的频率与地球发出的红外辐射相对应。氧和氮分子中只有两个原子，它们不吸收红外辐射。
图为二氧化碳分子示意图 图源：Google
大多数来自太阳的短波辐射通过大气层而不被吸收。但是大多数发出的红外辐射都被大气中的吸热气体吸收了。然后他们可以释放红外辐射，或重新辐射热量，其中一些返回地球表面，使它比其他地方更温暖。
图为短波辐射shortwave radiation 图源：Google
热传递研究
冷战期间，人们对多种气体对红外辐射的吸收进行了广泛的研究。这项工作由美国空军领导，他们当时正在研发热追踪导弹，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察太阳系中所有行星的红外信号来了解它们的温度和大气组成。例如，金星的温度大约是华氏870度(470摄氏度)，因为它厚厚的大气层中有96.5%是二氧化碳。
它还为天气预报和气候模型提供了信息，使它们能够量化有多少红外辐射保留在大气中并返回到地球表面。
人们有时问我为什么二氧化碳对气候如此重要，因为水蒸气吸收了更多的红外辐射，而这两种气体吸收了几个相同的波长。原因是地球的上层大气控制着散发到太空的辐射。上层大气的密度要比接近地面的大气小得多，水蒸气含量也少得多，这意味着增加更多的二氧化碳会显著影响散发到太空中的红外辐射的多少。
观察温室效应
你有没有注意到，即使平均温度一样，沙漠晚上也比森林冷。由于沙漠上空的大气中没有多少水蒸气，它们释放出的辐射很容易就会逃逸到太空中。在较湿润的地区，来自地表的辐射被空气中的水蒸气捕获。同样，多云的夜晚比晴朗的夜晚更温暖，因为有更多的水蒸气存在。
从过去的气候变化中可以看出二氧化碳的影响。过去数百万年的冰芯表明，在温暖时期，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。相反，大气中的水蒸气含量对温度有反应。随着地球变暖，它的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，二氧化碳的变化是过去气候变化的主要影响因素。
图为水蒸气反馈water vapor feedback 图源：Google
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。我们服用的药物只占我们体重的一小部分，却期望它们能对我们产生影响。
今天，二氧化碳的含量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。
图为工业排放二氧化碳 图源：Google
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%，是工业革命前的三倍多。这将是一个比地球过去产生的雕塑巨大影响的转变更快的变化。如果不采取行动，这一小片大气层将会造成大问题。
参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3. Jason West-我和我家小星
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1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自：https://www.inverse.com/article/59351-earth-atmosphere-carbon-dioxide-global-warming （必须保留原文链接！！，请自行插入原文链接）
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