谁能解释一下二氧化碳增加全球温度的原因(不是为公众消费提供的简单的温室类比)?

Question

全球变暖的温室效应类比是大气中的二氧化碳CO_2美元月球会吸收地球发出的部分红外辐射，并将其中一部分辐射重新定向到地球表面，从而使地球表面比辐射逃逸到太空时更热。

然后，全球变暖被简单地向公众解释为大气中的CO_2美元浓度上升，更多的红外辐射被CO吸收_2美元并重新排放回地球，导致地球升温。

然而，这种解释在技术上是不正确的，因为目前大气中的CO_2美元浓度，仅仅一公里的大气就足以完全吸收地球发射的所有红外辐射，在CO_2美元吸收。

二氧化碳吸收波长为2.7、4.3和15微米的红外，而CO_2美元在第一公里的大气中就能完全吸收所有这些波长的红外线。

因此红外吸收过程已经完全饱和，从而进一步增加大气中的CO_2美元不会导致任何额外的吸收。这就是为什么向公众提供的简单解释在技术上似乎并不正确，尽管它大致概括了这个想法。

我找到了一个博客文章克莱夫·贝斯特试图解释CO背后的实际过程_2美元导致全球变暖的能力。从那篇文章来看，实际过程比提供给公众消费的简单解释要复杂得多。然而，我不完全理解文章中给出的解释(从我所理解的来看，我不确定它是否完全正确)。

所以我想知道这里是否有人能提供一个简单易懂的解释，解释增加大气CO的实际机制_2美元导致全球变暖。或者如果你知道任何解释它的好文章，请张贴链接。

我试图通过谷歌找到一些关于全球变暖的实际机制的信息，通过搜索“全球变暖的温室效应机制”，但惊讶地发现几乎没有可用的信息。

我也在physics。stackexchange.com上问过这个问题在这里．

Answer 1

借用我同伴的解释答案，温室效应的基本机制大致如下(注意这也是一个简化的模型)。

地球处于真空中，所以它只能通过辐射来获得或失去热量。太阳发出的大部分辐射都是可见光和紫外线波长。地球的大气层在这些波长上是相当透明的，因此太阳的辐射大部分都会穿过大气层，照射到地球表面。其中一些辐射(由地球的反照率决定)从地表反射回太空，但其余的被地表吸收，这导致地表变暖。表面通过红外线波长的辐射来散热。温室气体吸收了部分红外辐射，导致大气变暖(温室气体分子通过碰撞将部分热量传递给非温室气体，但热量也通过对流向上传递)。温暖的大气将部分能量向上辐射到太空，向下辐射到地表。向下辐射的部分也被称为“反向辐射”(可以直接观测到)。现在，重要的因素不是从地表向外辐射的IR被吸收的量，而是在这个高度，上面没有足够的温室气体来吸收从该层向上辐射的IR，这样它就可以逃逸到太空中。递减率是指大气温度随高度的增加而降低。 This means that the more CO2 we put into the atmosphere, the higher this emitting layer becomes, and the colder it is. As the amount of IR radiated depends on the temperature of this layer, if this height increases then the amount of IR radiated from the planet falls, leading to an energy imbalance, with the planet absorbing more of the sun's radiation than it emits as IR, and so the planet warms up. This continues until the radiating layer warms up enough for the outbound IR to be in balance with the incoming radiation from the sun. So the more CO2, the warmer the mean surface temperature, all things being otherwise equal.

因此，表面发射的大部分IR是否被大气吸收是无关紧要的，重要的是IR的高度不这很重要。如果它比表面冷，它发射的IR就会比表面发射的少，因此辐射到太空的能量就会更少。

要了解为什么表面吸收无关紧要的更详细的解释，请参阅RealClimate文章斯宾塞·瓦特著。

再补充一点历史说明，这种解释至少可以追溯到埃克霍尔姆1901年的论文《关于地质和历史上气候的变化及其原因》:

大气在影响地球表面温度的双重因素中起着非常重要的作用，其中一个是傅里叶首先指出的，另一个是廷德尔指出的。首先，大气就像温室的玻璃，相对容易地让太阳的光线通过，并吸收了大部分从地面发射的黑暗射线，因此它可能会提高地球表面的平均温度。其次，大气在相对温暖的地面和寒冷的空间之间充当了一个热量储存库，从而在很大程度上减少了每年、每天和局部的温度变化。

产生这些效应的大气有两种特性。一种是大气的温度通常随着离地面或海平面的高度而降低，部分原因是下降气流的动力加热和上升气流的动力冷却，这在热的力学理论中已经得到了解释。另一种说法是，大气吸收的日照很少，而大部分来自地面的辐射，它通过辐射、接触、对流和传导的方式从地面接收储存的相当一部分热量，而地球表面主要是通过透明空气从太阳直接辐射加热的。

由此可见，从地球进入太空的辐射不是直接来自地面，而是平均地来自高于海平面相当高的一层大气。这一层的高度取决于大气的热质量，并将随着大气的热质量而变化。空气对地面发出的热射线的吸收能力越大，层越高，但层越高，相对于地面的温度就越低;由于该层向太空的辐射越少，其温度就越低，因此辐射层越高，地面就越热。”

[Ekholm， 1901, p19-20]

史蒂夫·伊斯特布鲁克的博客文章）

Answer 2

我想纠正一下你对前提的过度概括。你似乎在简化来自地球的辐射热。是的，如果你取平均温度和平均大气，目前的二氧化碳量几乎完全超过了吸收带的两侧，二氧化碳的增加几乎不会带来额外的吸收。然而，这只是平均水平。请记住，目前发生的大部分变暖都发生在高纬度和高海拔地区，来自地球的红外线远低于平均水平。全球二氧化碳的增加对这些较冷地区的影响更大，因为这些地区对二氧化碳的增加更敏感，影响了吸收带的边缘。

Answer 3

有限公司₂在长波红外波长中是暗的所以浓度越高，在这个波长中大气就越暗，你们可能知道颜色越深吸收的热量越多。

有限公司₂它不是一种非常强大的温室气体，但它在大气中的含量使这种效应成为我们今天看到的主要加热源。

许多其他气体比CO有更大的加热潜力₂但目前它们的浓度很低。气体越复杂，它的加热潜力就越大，这是由于单个气体分子的大小(CO₂它有3个原子，而甲烷有5个，所以在长波红外波段看起来会更暗，因此有更强的加热潜力)。

Answer 4

北卡罗莱纳大学教堂山分校环境科学与工程教授杰森·韦斯特(Jason West)于2019年9月撰写的另一篇文章是对斯宾塞·韦特(Spencer Weart)撰写并由Dikran Marsupial推荐的文章的补充。

气候解释:为什么二氧化碳对地球气候有如此巨大的影响

它支持了这里所说的，最重要的是二氧化碳层在高层大气中可以达到的高度。

文章中说，尽管水蒸气吸收更多的红外辐射，而且两种气体吸收的波长相同，但二氧化碳对气候很重要。

原因是地球上层大气控制着逃逸到太空的辐射。上层大气的密度要小得多，水蒸气含量也比地面低得多，这意味着增加更多的二氧化碳会显著影响红外辐射逸出太空的量。

文章还重申了Spencer Weart关于二氧化碳在气候变化中的作用的信息:

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它的影响感到惊讶。英国的约翰·廷德尔(John Tyndall)和美国的尤尼斯·富特(Eunice Foote)分别进行了研究，发现二氧化碳、水蒸气和甲烷都能吸收热量，而含量更丰富的气体则不能。

廷德尔和富特指出，氮气和氧气占大气的99%，它们对地球的温度基本上没有影响，因为它们不吸收热量。相反，他们发现，浓度小得多的气体完全负责维持地球宜居的温度，通过捕获热量来产生自然的温室效应。

为什么二氧化碳对全球变暖的影响更大，而氮气和氧气等更丰富的气体则没有发挥重要作用，这与它的分子结构有关:

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。二氧化碳和其他吸热气体有三个或更多的原子和频率，与地球发射的红外辐射相对应。氧和氮分子中只有两个原子，不吸收红外辐射。

这篇文章提供了有关大气中二氧化碳浓度及其与大气中水蒸气浓度的相关性以及对气候的影响的重要史前信息。

二氧化碳的影响可以从过去的气候变化中看到。过去100万年的冰芯显示，在温暖时期，二氧化碳的浓度很高，约为0.028%。在冰河时代，地球温度大约比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，但二氧化碳的变化推动了过去的温度变化。相反，大气中的水蒸气水平对温度有反应。随着地球变暖，它的大气可以容纳更多的水蒸气，这在一个被称为“水蒸气反馈”的过程中放大了最初的变暖。因此，二氧化碳的变化一直是过去气候变化的控制因素。

它最后解释了为什么不减少二氧化碳排放以防止对地球气候产生重大影响是愚蠢的:

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，地球的平均表面温度已经上升了约2华氏度(1摄氏度)，而人为造成的二氧化碳和其他吸热气体的增加极有可能是罪魁祸首。

如果不采取行动控制排放，到2100年，二氧化碳可能会达到大气的0.1%，是工业革命前水平的三倍多。这将是一个比地球过去有巨大后果的过渡更快的变化。如果不采取行动，这一小片大气层将造成大问题。

Answer 5

自1979年以来，大气温度上升了0.5摄氏度。需要3泽塔焦耳的能量。如果纯粹是累积的话，那将是每年0.075 ZJ。自1979年以来，人类能源消耗的余热达到每年0.5 ZJ或约20 ZJ。这是使大气升温0.5摄氏度所需热量的7倍(我们注意到海洋也在积累热能)。除了将黑体辐射直接转移到太空之外，在高层大气中分子碰撞诱导的IR产生是全球能量库冷却建立平衡的地方。增加到气候系统的废热能量(加上自然波动的叠加)是自1979年以来大气温度略有上升的主要原因。但怀疑论者和危言耸听者都倾向于忽视废热是气候变化的一个严重因素。