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温室效应

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温室气体引起的太阳辐射对地表的温室效应

温室效应，又称“花房效应”，是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表受热后向外放出的大量长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温度增高，因其作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，其引发了一系列问题已引起了世界各国的关注。

1 历史编辑

约瑟夫·傅里叶在1824年主张温室效应的存在。1827年和1838年克劳德·保罗特进一步加强了这一论点和证据，1856年尤尼斯·牛顿·福特的实验观察也证明了这一点。[1] 约翰·丁达尔在1859年通过测量更宽范围温室气体的辐射特性扩展了她的工作。[2]1896年，斯凡特·奥古斯特·阿伦尼乌斯更全面地量化了这种影响，他对全球变暖做出了第一次定量预测，原因是假设大气二氧化碳增加了一倍。[3]然而，“温室”一词并没有被这些科学家用来指这种效应；这个术语最早在1901年由 Nils Gustaf Ekholm 以这种方式使用。[4][5]

2 机制编辑

地球接收来自太阳的能量，形式为紫外线的,看得见的，和近红外辐射。大约26%的太阳能被大气和云反射到太空，19%被大气和云吸收。大部分剩余的能量在地球表面被吸收。因为地表更冷比太阳辐射的还多更长的波长比被吸收的波长还要多。大部分热辐射被大气吸收并加热。大气也通过地表的显热和潜热通量获得热量。大气向上和向下辐射能量；向下辐射的部分被地球表面吸收。这导致了更高的稳定温度比没有大气层的时候还要多。

地球大气层顶部和海平面上直射光的太阳辐射光谱

理想的导热材料黑体与太阳距离相同，地球的温度大约是5.3 degrees Celsius (41.5 degrees Fahrenheit)。然而，因为地球反射大约30%[6][7]这个理想化的星球有效温度(发出相同辐射量的黑体温度)大约是−18 degrees Celsius (0 degrees Fahrenheit)。[8][9]这颗假设行星的表面温度是33 degrees Celsius change (59 degrees Fahrenheit change)低于地球的实际表面温度大约14 degrees Celsius (57 degrees Fahrenheit)。[10]

基本机制可以用多种方式来限定，这些方式都不会影响基本过程。地表附近的大气对热辐射基本上是不透明的(除了“窗口”波段的重要例外)，地表的大部分热损失是由焓和潜伏热运输。大气中较高的辐射能量损失变得越来越重要，主要是因为水蒸气(一种重要的温室气体)的浓度降低。更现实的想法是把温室效应应用到中期的“表面”对流层它通过一个温度直减率。简单的图片也假设了一个稳定的状态，但是在现实世界中，由于昼夜循环以及季节周期和天气扰动。太阳能加热只适用于白天。在晚上，大气会稍微冷却，但不会很冷，因为它的发射率很低。昼夜温度变化随着大气高度的增加而减少。

在辐射效应很重要的区域内，理想化温室模型给出的描述变得现实。地表，温度上升到255度左右 k，辐射4–100范围内的长波长红外热量 μm。[11]在这些波长下，对入射太阳辐射基本透明的温室气体吸收能力更强。[11]每一层带有温室气体的大气都会吸收下层向上辐射的部分热量。它向所有方向再辐射，包括向上和向下；在平衡中(根据定义)与它吸收的量相同。这导致下面更温暖。增加气体的浓度会增加吸收和再辐射的量，从而进一步加热各层，并最终加热下面的表面。[9]

温室气体——包括大多数具有两个不同原子的双原子气体(如一氧化碳、一氧化碳)和所有具有三个或更多原子的气体——能够吸收和发射红外辐射。尽管超过99%的干燥大气是红外透明的(因为主要成分——N2,O2分子间碰撞导致温室气体吸收和发射的能量与其他非红外活性气体共享。

3 温室气体编辑

根据它们对地球温室效应的贡献百分比，四种主要气体是:[12][13]

大气气体只吸收一些波长的能量，但对其他波长的能量是透明的。水蒸气(蓝色峰值)和二氧化碳(粉红色峰值)的吸收模式在某些波长上重叠。二氧化碳作为温室气体不如水蒸气强，但它吸收的能量比水蒸气吸收的波长更长(12-15微米)，部分关闭了表面辐射的热量通常会通过其逃逸到空间的“窗口”。(插图美国宇航局，罗伯特·罗德)[3]

  • 水蒸气，36-70%
  • 二氧化碳，9-26%
  • 甲烷，4-9%
  • 臭氧，3-7%

不可能为每种气体分配特定的百分比，因为气体的吸收和发射带重叠(因此是上面给出的范围)。云还吸收和发射红外辐射，从而影响大气的辐射特性。[13]

4 在气候变化中的作用编辑

大气一氧化碳的基林曲线2在莫纳罗亚火山天文台测量的浓度。

通过人类活动增强温室效应被称为增强(或人为)温室效应。[14]人类活动导致的辐射强迫的增加主要归因于大气二氧化碳水平的增加。[15]根据政府间气候变化专门委员会的最新评估报告，"二氧化碳、甲烷和一氧化二氮在大气中的浓度至少在过去80万年中是前所未有的。它们的影响，以及其他人为驱动因素的影响，已经在整个气候系统中被检测到，并且极有可能是自20世纪中期以来观察到的变暖的主要原因“。[16]

CO2是由化石燃料燃烧和其他活动产生的，例如水泥生产和热带森林砍伐。[17]测量CO2来自莫纳罗亚火山天文台的数据显示，浓度已经从百万分之313(ppm)增加[18]从1960年的百万分之389上升到2010年的百万分之389。2013年5月9日，它达到了400 ppm的里程碑。[19]当前观察到的数量CO2超过冰芯数据的地质记录最大值(~300 ppm)。[20]燃烧产生的二氧化碳对全球气候的影响，是1896年由斯凡特·奥古斯特·阿伦尼乌斯首次描述的温室效应的一个特例，也被称为卡伦德效应。

在过去的八十万年里，[21] 冰芯数据显示，二氧化碳的含量从低至180 ppm到工业化前的270 ppm不等。[22] 古气候学家认为二氧化碳浓度的变化是在这个时间尺度上影响气候变化的基本因素。[23][24]

5 真正的温室编辑

RHS Wisley 的现代温室

大气的“温室效应”被比喻为在阳光下变暖的温室。然而，温室并不是主要由“温室效应”加热的。[25]“温室效应”实际上是用词不当，因为通常温室中的加热是由于对流的减少，[26]而“温室效应”的作用是通过辐射转移阻止吸收的热量离开结构。

温室是由任何能透过阳光的材料建造的:通常是玻璃或塑料。太阳像外面一样温暖地面和里面的东西，然后这些东西温暖空气。室外，地表附近的温暖空气上升，并与高处较冷的空气混合，保持比室内低的温度，因为空气被限制在温室内，所以室内空气继续升温。这可以通过打开温室顶部附近的一个小窗户来证明:温度将会显著下降。实验证明( R. W. Wood ，1909年)，带有岩盐(对红外线透明)覆盖的(未加热的)“温室”加热了类似于带有玻璃罩的外壳。[27]因此，温室主要通过防止对流冷却来工作。[27]

加热的温室是另一个问题:因为它们有内部热源，所以希望尽量减少辐射冷却泄漏的热量。这可以通过使用足够的玻璃来实现。[27]

6 相关影响编辑

6.1 反温室效应

抗温室效应是一种与温室效应相似且对称的机制:在温室效应中，大气让辐射进来，而不让热辐射出去，从而使身体表面变暖；在反温室效应中，大气阻挡辐射，同时释放热辐射，这降低了平衡表面温度。这种效应已经被提出用于土星的卫星泰坦。[28]

6.2 失控温室效应

如果正反馈导致所有温室气体蒸发到大气中，就会发生失控温室效应。[29]涉及二氧化碳和水蒸气的失控温室效应很久以前就被假设发生在金星上，[30] this idea is still largely accepted[来源请求]。

7 地球以外的物体编辑

金星的温室效应特别大，因为它稠密的大气层主要由二氧化碳组成。[31]金星在过去经历了一个失控的温室，我们预计随着太阳亮度的增加，地球将在大约20亿年后消失。[32]

泰坦有一种抗温室效应，因为它的大气层吸收太阳辐射，但对输出的红外辐射相对透明。

冥王星也比预期的要冷，因为氮的蒸发会使它冷却。[33]

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