軌道碳觀測(cè)衛(wèi)星能精確測(cè)量地球空氣中的二氧化碳。圖片來(lái)源：NASA

撰文：Jason West

譯者：曾欣欣

審校：黃薇

人們經(jīng)常會(huì)問(wèn)，二氧化碳的濃度僅占地球大氣的0.041%，它如何對(duì)全球氣候產(chǎn)生重要影響？此外，人類活動(dòng)產(chǎn)生的二氧化碳也只占其中的32%。研究顯示，二氧化碳對(duì)氣候產(chǎn)生巨大影響的關(guān)鍵在于，它能夠吸收地球表面散發(fā)的熱量，并阻止其逃逸到太空中。

19世紀(jì)50年代，當(dāng)科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)二氧化碳對(duì)氣候的重要性時(shí)，就對(duì)它的影響力感到驚訝。英國(guó)的John Tyndall和美國(guó)的Eunice Foote分別發(fā)現(xiàn)，二氧化碳、水蒸氣和甲烷均能吸收熱量，其他氣體則不能。當(dāng)考慮到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射量時(shí)，科學(xué)家計(jì)算出地球已經(jīng)比它應(yīng)有的溫度高出33℃。對(duì)這種差異最好的解釋是，大氣保留了熱量，使得地球變暖了。

Tyndall和Foote研究表明，大氣中99%的氣體是氮?dú)夂脱鯕?，但它們并不吸收熱量，?duì)地球溫度基本沒(méi)有影響。而大氣中濃度較小的氣體與地球溫度的維持密切相關(guān)。這些氣體能通過(guò)捕獲熱量創(chuàng)造了一種自然的溫室效應(yīng)，使得地球宜于居住。

地球不斷地接收到來(lái)自太陽(yáng)的能量，并將它們輻射回太空。為了使溫度保持恒定，地球從太陽(yáng)接收到的凈熱量必須和它散發(fā)出去的熱量相平衡。由于太陽(yáng)是熱的，它主要以短波輻射的形式散發(fā)能量，主要是紫外線和可見(jiàn)光。而地球冷得多，所以它以紅外輻射的形式釋放熱量，而紅外線的波長(zhǎng)也更長(zhǎng)。

電磁波譜。圖片來(lái)源：NASA

二氧化碳和其他吸熱氣體的分子結(jié)構(gòu)，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(dòng)。當(dāng)光子的能量和分子震動(dòng)的頻率相對(duì)應(yīng)時(shí)，能量會(huì)被吸收并轉(zhuǎn)移到分子上。二氧化碳和其他吸熱的氣體中含有三個(gè)或者更多的原子，能與地球發(fā)出的紅外輻射的頻率相對(duì)應(yīng)。而氧和氮分子中只有兩個(gè)原子，不會(huì)吸收紅外輻射。

大部分來(lái)自于太陽(yáng)的短波輻射在通過(guò)大氣層時(shí)，不會(huì)被吸收，但是大部分從地球散發(fā)出去的紅外輻射則會(huì)被大氣層中的二氧化碳等氣體吸收。隨后，這些氣體可以釋放或者重新輻射熱量，其中一些熱量會(huì)地球表面，使地表變得更溫暖。

科學(xué)家通過(guò)觀察太陽(yáng)系中所有行星的紅外信號(hào)，來(lái)了解它們的氣候和大氣組成。例如，金星的溫度為470℃，因?yàn)樗窈竦拇髿鈱又泻?6.5%的二氧化碳。此外，通過(guò)量化大氣中保留并返回地球表面的紅外輻射，科學(xué)家還能為天氣預(yù)報(bào)和氣候模型提供了信息。

人們有時(shí)會(huì)問(wèn)，既然水蒸氣吸收了更多的紅外線輻射，而且水蒸氣和二氧化碳兩種氣體吸收的波長(zhǎng)相同，那么為什么二氧化碳會(huì)對(duì)氣候能產(chǎn)生如此重要的影響呢？究其原因在于，地球上層大氣控制著逃逸到太空的輻射。上層大氣的密度要比地面低得多，其中含有的水蒸氣也要比地面附近少得多。這就意味著，二氧化碳的增加會(huì)顯著影響到有多少紅外輻射逃逸到太空中。

你有沒(méi)有注意到，即使在夜間沙漠和森林的平均溫度相同，但沙漠往往比森林要冷？這是由于沙漠上空的大氣沒(méi)有太多的水蒸氣，它們釋放出的輻射很容易逃逸到太空。在較潮濕的地區(qū)，地球表面輻射的熱量會(huì)被空氣中的水蒸氣捕獲。同樣，由于空氣中有更多的水蒸氣，多云的夜晚也會(huì)比晴朗的夜晚更溫暖。

從過(guò)去的氣候變化中，我們可以看出二氧化碳的影響。100萬(wàn)年前的冰巖顯示，在溫暖期，地球上的二氧化碳濃度很高，約為0.028%。但在冰川時(shí)期，地球溫度要比20世紀(jì)低4到7℃，而此時(shí)二氧化碳只占大氣總量的0.018%。

圖片來(lái)源：NASA

盡管水蒸氣對(duì)自然溫室效應(yīng)更為重要，但大氣中二氧化碳的變化已經(jīng)推動(dòng)了過(guò)去溫度的改變。而大氣中的水蒸汽含量會(huì)受溫度影響。隨著地球變暖，大氣層可以容納更多的水蒸氣，這會(huì)放大了初始的升溫過(guò)程，這個(gè)過(guò)程被稱為“水蒸氣反饋”。因此，二氧化碳的變化一直是過(guò)去氣候變化的關(guān)鍵因素。

大氣中少量的二氧化碳就能產(chǎn)生巨大的影響，這不足為奇。就像我們服用的藥物只占我們體重的一小部分，但我們希望它們能影響我們的身體。今天的二氧化碳水平比人類歷史上任何時(shí)候都要高?？茖W(xué)家們普遍認(rèn)為，自19世紀(jì)80年代以來(lái)，地球表面的平均溫度已經(jīng)上升了約1℃，而人為增加的二氧化碳和其他吸熱氣體極有可能是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因。

如果人類還不采取行動(dòng)控制二氧化碳的排放，到2100年，大氣中的二氧化碳占比可能會(huì)達(dá)到0.1%，是工業(yè)革命前水平的三倍多。這種改變將給地球帶來(lái)巨大的后果，且比地球以往的轉(zhuǎn)變更加迅速。如果不采取行動(dòng)，這一小片大氣層就會(huì)造成大問(wèn)題。

原文鏈接：https:///news/2019-09-carbon-dioxide-outsized-earth-climate.html

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