是否有实验证明CO2在大气浓度下会产生温室效应?

Question

所有气体分子都有吸收辐射能的能力。与水蒸气相比，$\rm{CO}_2$吸收辐射能量的能力要小得多。目前在地球大气中，$\rm{CO}_2$仅占大气的0.04% (400ppm)。平均来说，空气中大约2%到3%的分子是水蒸气分子。空气中的含水量大约是$\rm{CO}_2$的50倍。因此，空气中$\rm{CO}_2$含量的增加似乎对全球变暖没有任何可测量的贡献。是否有实验证明$\rm{CO}_2$在大气浓度下会产生温室效应?

Answer 1

你关于水蒸气的问题在学习温室效应的人中很常见。一旦你发现了水蒸气和CO的相关比例₂在大气中，可能很自然地假设CO₂不可能有什么重要作用。在现实中，它并不是这样工作的，至少有几个原因。首先，让我们看看98%在实践中到底意味着什么。

不仅仅是浓度的问题

大气中气体的浓度并不是决定其变暖潜力的唯一因素，否则浓度为78%的氮气将是最重要的温室气体。每种气体都有不同的辐射吸收光谱和不同的升温势。所以尽管水蒸气在大气中更普遍只有二氧化碳长波吸收潜能的两倍₂．

这时，你可能会想“但其实是两倍”仍然很多，所以CO₂不可能有什么意义!”但这里还有另一个不明显的因素，它与反馈和强迫之间的差异有关。

强迫和反馈

在气候系统中，CO₂专注是一个迫使，而水蒸气浓度为a反馈．为了说明两者的区别，这里做一个粗略的类比:

假设我正在减肥，但我不愿意减少我每天吃的300克美味的巧克力蛋糕。读到人体重量的80%左右是水，我得出结论，蛋糕不是问题:毕竟，我每天喝2公斤水，所以减少它会更有意义!所以我每天减少到1公斤的水，并保持我的蛋糕摄入量。几个星期后，我惊讶地发现我一点体重都没有减轻!发生了什么事?事实证明，人体可以调节体内的水分含量，所以减少我的摄入量只会减少我的产量。脂肪的储存没有受到同样的控制，所以蛋糕一直在堆积。

CO也是类似的情况₂水蒸气:CO₂当我们释放更多的气体时，大气中的浓度实际上会在很长一段时间内(几十年到几百年)发生变化。水蒸气实际上是自我调节的。如果我们挥舞一根魔杖，瞬间从大气中去除所有的水蒸气，会发生这样的事情:

(源)

在50天内，水蒸气回到了没有我们干预的1%之内。

那么，如果水蒸气浓度不是由输入控制的，那么它是由什么控制的呢?温度。大气温度越高，能容纳的水蒸气就越多。这意味着当温度升高时，由于CO的增加₂时，水蒸气含量也会增加，这进一步加剧了温室效应。这是一个积极的反馈。

因为你不是第一个问这个问题的人(很长一段时间)，网上已经有一些很好的资源专门解决水蒸气和CO的不同作用₂全球变暖。

• 常见的气候误解:水蒸气反馈是2008年耶鲁气候联系系列的一篇文章，它或多或少地讲述了我上面所说的内容，但更详细，而且没有蛋糕类比。

• “水蒸气:反馈还是强迫?”是加文·施密特2005年写的一篇很棒的文章，解释了水蒸气在气候变化中的作用。

• “解释水蒸气温室效应是如何起作用的”是一篇简短的怀疑论科学文章，主要关注正反馈效应。

CO的实验室测量₂吸收

你似乎对二氧化碳吸收的实验室实验特别感兴趣。作为一个很好的开始，我可以推荐(目前)26种出版物在AGW观察者的名单关于二氧化碳吸收特性的实验室测量的论文．如果你真的很想看到实验证明CO₂仍然可以吸收辐射，即使在大气浓度下，你可以看看(例如)泰勒和耶茨(1957)，耶茨和泰勒(1960)，或斯特里特(1968)，所有这些都清楚地表明CO₂吸收带存在于正常的大气空气中。

题外话:就我个人而言，我发现从卫星或地面站对整个大气柱进行的大量光谱观测，为温室效应提供了更令人信服的证明。毕竟，大气不是一瓶均匀的气体，不能忠实地按比例缩小成实验室样本。但你的问题和随后的评论表明，你对大气柱本身的测量不感兴趣，所以在这里我只关注地面实验，这些实验证明了CO的长波吸收特性₂．

评论的回答

如果只有这样一个正反馈，而没有其他负反馈，那么没有二氧化碳的贡献，地球就会变暖。

我想你们可能对反馈的定义有点困惑。正如我上面所解释的，“反馈”一词意味着水蒸气含量是由其他因素决定的在气候系统。它可以放大作用力的影响，但它本身不能“推动”系统向某个方向发展。因此，如果没有某种强迫，就不可能有正反馈:这种强迫正是反馈“反馈”到系统中的输入，在这种情况下，通过全球温度升高。

为了理解其中的区别，我们不妨考虑另一种大家都很熟悉的反馈形式——音频反馈通过电吉他和放大器系统．正如你在链接的视频中看到的，在吉他手弹奏和弦之前没有声音。但一旦他弹了一个和弦，吉他拾音器本身就会检测到放大的声音并提供给它回来进入放大器，创造一个循环，使声音无限期地维持。你可以把最初的和弦想象成CO₂输入，反馈循环类似于水蒸气效应:音频反馈就像水蒸气反馈一样，在从其他来源获得初始输入之前不会做任何事情。

在恐龙时代，化石燃料释放的所有二氧化碳都在大气中。如果二氧化碳从所有化石燃料中释放出来，它将恢复恐龙时代的大气状态. ...你不能否认，在地球历史上，这些二氧化碳存在于大气中，地球动物和植物繁荣昌盛

这和你最初的问题没有太大关系!如果你想问这个问题，请发布一个新的问题;课件不是讨论网站，我们尽量让每个问题都集中在一个主题上。

考虑到这一点，我将在这里给出一个非常简短的回答。你的公式有点不准确:恐龙的年龄至少跨越了1.35亿年，在它开始之前有大量的碳埋藏，所有目前在地下的碳并不是同时出现在大气中。然而，地球的确出现了更高的CO₂比现在的水平还要高，而且大部分多余的碳现在都被锁定在化石燃料中了。所以，如果我们把大量的碳放回大气中，并试图重建高二氧化碳的大气，会发生什么，比如说，霸王龙在白垩纪晚期呼吸?那时，地球要暖和得多，两极几乎没有冰。重新释放所有这些碳的最大影响之一将是我们目前的极地冰盖融化，海平面将上升几十米。问题不在于地球将变得完全不适合任何生命形式居住(尽管许多现有物种将会灭绝)。问题是很多物种包括智人美国对如此大规模的气候变化准备不足。世界上10%的人口和8%的城市土地面积位于低海拔沿海地区，如果海平面上升10米，它们将被完全淹没——这仍然远远低于恐龙时代的海平面。

海平面上升只是众多影响中的一个，但现在我就把它放在这里，因为(正如我上面提到的)这与你最初的问题无关。

如果一个人把他的水摄入量减少一半，他就会在变胖之前生病。

这个问题有点外围，我认为:-)。如果你不喜欢这个类比，你可以忽略它:它对解释来说不是必要的。不过，为了让你们放心:环保局暴露因素手册(2011年版)给出了美国成年人每天饮水摄入量的平均值为1043毫升。因此，我不认为像我的思想实验中那样，把每天的水摄入量限制在1公斤就一定会生病。

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参考文献

• 斯特里特(1968)。海平面大气传输的红外测量。应用光学，7(8)，1545-1549。

• 泰勒，J. H.和耶茨，H. W.(1957)。红外大气透射。Josa, 47(3)， 223-226。

• 叶茨，H. W. &泰勒，J. H.(1960)。大气红外传输(编号:海军- 5453)。海军研究实验室，华盛顿特区。

Answer 2

实验不一定能证明什么，本身；特别是，一个单一的实验往往不能证明任何东西——至少，实验的重复是必要的。实验提供了有益的证据。对假设的信心可以来自理论、实验室实验和自然实验的结合。

我们对温室效应的认识来自于实验室实验和自然实验的结合，并辅以各种可验证和已被成功验证的理论。

第一批实验者和理论家在19世纪和20世纪早期到中期工作:约瑟夫·傅里叶，约翰·廷德尔，斯万特·阿伦尼乌斯，盖伊·卡伦达尔。也许最值得注意的是约翰·廷德尔的作品用热电堆，测量各种气体的吸收光谱，这是第一个最直接解决你的问题的方法。最近，光谱分析的进步意味着实验室实验可以确定电磁光谱的哪些部分被二氧化碳吸收了，以及吸收了多少。至关重要的是，在$\ce{H2O}$吸收率低得多的频率上，$\ce{CO2}$的吸收率非常高:

因此，我们的实验室实验证明，大气中高浓度的二氧化碳确实会导致温室效应。这些实验可以追溯到近200年前，我们做的研究越多，我们就能从实验室实验、自然实验以及物理和化学更广泛的理论中找到更多的证据。

Answer 3

对你的问题的简短回答其实就是:是的，二氧化碳导致全球变暖。

在互联网上有许多资源可以尽可能详细地解释这个问题，我们在这里可以回答的问题与其他人已经收集到的问题并不接近。我建议你从……开始维基百科关于全球变暖的页面(特别是关于温室气体，以及关于温室气体的维基百科页面．

Answer 4

要了解为什么我们不能在实验室条件下进行实验来验证温室效应，我们需要首先考虑温室效应(名字很糟糕)是如何运作的:

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我们向大气中排放的气体，发射层越高，温度就越低。由于红外辐射的量取决于这一层的温度，如果这一层的高度增加，那么行星辐射的量就会下降，导致能量不平衡，行星吸收的太阳辐射比它发射的红外辐射更多，因此行星变暖。这种情况一直持续到辐射层升温到足以使向外发射的红外辐射与来自太阳的辐射平衡为止。所以CO越多₂，在其他条件相同的情况下，地表平均温度越高。

因此，为了进行实验室实验，可以复制温室效应的机制，我们需要一个足够大的真空室，以容纳一个容器，容器中含有足够高的空气柱，以具有可测量的下降率。这显然是不切实际的。我们可以在实验室里进行实验来研究温室气体对红外的吸收，廷德尔在一个多世纪前确实做过这个实验，但我们无法在实验室条件下通过实验验证温室效应，就像我们无法在实验室里通过实验证明引力透镜效应一样。

我们当然可以委托Magrathea建造一个地球的复制品并在上面做实验，但我们需要一个相当大的实验室。

这并不意味着我们没有证据温室效应。我们当然知道，就像我们有引力透镜效应的证据一样。

更新- - -简要描述温室效应的机制，来自@jamesqf提到的斯宾塞·瓦特的优秀著作:

地球表面发射的红外辐射会发生什么变化?当它在大气中一层一层向上移动时，每一层都有一些停止。(具体来说:二氧化碳分子、水蒸气分子或其他温室气体分子从辐射中吸收了一些能量。分子可能会以随机的方向将能量辐射回来。或者，它可能会在与其他空气分子碰撞时将能量转化为速度，从而使它所在的空气层变暖。)这层空气将吸收的能量一部分辐射回地面，一部分向上辐射到更高的层。当你飞得越高，大气层就越薄越冷。最终，能量到达了一个非常薄的层，以至于辐射可以逃逸到太空中。

如果我们加入更多的二氧化碳会发生什么?在这些又高又薄的层中，许多来自下方的热辐射会滑过，增加更多的温室气体意味着该层将吸收更多的射线。因此，大部分热能最终离开地球的地方将转移到更高的层。这些是较冷的层，所以它们也不辐射热量。作为一个整体，地球现在吸收的能量比它辐射的还要多(这实际上是我们目前的情况)。当较高的水平面将一些多余的热量辐射到地面时，所有较低的水平面都会升温。这种不平衡必须持续下去，直到高能级变暖并辐射出更多的能量。就像廷德尔在河上建水坝的比喻一样，阻挡向外辐射的屏障迫使其下所有地方的温度水平上升，直到有足够的辐射向外推出，以平衡太阳入射的辐射。

给Charlie的一些额外资源:

• Ray Pierrehumbert教授解释了温室效应舒适地坐在沙发上。
• Ray Pierrehumbert教授解释了温室效应在一篇期刊文章中。
• 拉姆Benestad解释了温室效应在期刊中以教学的方式。
• 一些更多的链接关于这个话题。
• 对于一些有数字的模型，查理可以试试大卫·阿彻的网站，我认为Charlie想要的是MODTRAN模型和RRTM模型的组合(我认为Archer教授没有组合它们的事实表明这将是一个相当不平凡的练习!)。

Answer 5

年轻的太阳暗淡的悖论-温室气体如何保持地球温暖:

根据成熟的太阳演化模型，45亿年前地球形成时，太阳的亮度比现在低30%左右，从那以后，太阳的亮度一直在稳步增加。简单的地球能量平衡模型显示，如果大气层与今天相似，全球平均温度将远低于冰点。然而，至少有38亿年前的沉积岩显示出明显的液态水的迹象。因此，一定有什么东西使地球在早期历史上保持温暖。罪魁祸首是$\ce{CO_2}$，可能还有$ ce{CH_4}$，它们当时的含量可能至少是今天的100倍，甚至可能更高。另一个显示CO2温室效应威力的例子是金星，金星的大气密度是地球的50倍，97%由CO2组成。表面温度达到500°C。

第四纪记录-太阳强迫的非线性响应:

这个数字显示了过去120万年保存在深海沉积物芯中的底栖有孔虫的记录，以及根据天体力学计算的N65(北半球夏季)7月21日的日照。来自底栖有孔虫的$\delta ^{18}\text{O}$是冰盖体积的一个很好的代表(高$\delta ^{18}\text{O}$ =高冰体积，反之亦然)，因此我们看到的是冰盖体积通常与太阳强迫有很好的相关性。

然而如果你仔细看看，就会发现问题。尽管冰川消退与夏季日照增加相对应，但增加的幅度并不总是与冰川消退的规模密切相关。特别是，第V阶段终止显示了一个巨大的冰川消冰(第四纪最大的一次)，以响应一个非常小的太阳强迫。显然，某些其他因素必须放大强迫信号才能产生所观察到的变化。其次，我们观察到在第四纪后期，冰期-间冰期振荡的主要周期约为10万年。太阳强迫由三个部分组成，离心率(10万年和40万年周期)，倾角(41000年周期)和岁差(21000年周期)。如果你分别观察每个强迫，偏心强迫是迄今为止最弱的，但它在$\delta ^{18}\text{O}$记录中占主导地位。虽然从这张图上看不太明显(第四纪的前半段没有显示出来)，但在大约100万年前，从4万年到10万年的主要冰期发生了转变，但强迫模式没有变化。此外，请注意，目前日照很低，但世界正在变暖。

下一张图显示了过去80万年从南极冰芯测量的大气$\mathrm{CO_2}$和$\mathrm{CH_4}$记录，以及$\delta \text{D}$记录，这是温度的一个很好的代表。有一个非常$\mathrm{CO_2}$水平与温度的相关性较好，$\mathrm{CH_4}$水平与温度的相关性较好，特别是在温度上升较大的情况下。

但我们以前不是来过这里吗?

下图显示了过去6500万年的$\delta ^{18}\text{O}$记录。右边的温标只适用于无冰的世界(即大约3000万年前[除非你特别感兴趣，否则我不会详细说明原因])，但总体趋势仍然很明显。自始新世以来，气候逐渐变冷，其间有一些变化。始新世的CO2水平至少为1000ppmv(相比之下，工业化前的水平为280ppmv，现在为400ppmv)，这反映在温度和冰的缺乏上。

然后你可能会说，把所有这些二氧化碳排放到大气中有什么问题?关键的问题不是变化的大小，而是变化的速度。始新世二氧化碳浓度的变化发生在数百万年的时间里，给了大部分生命时间来进化以应对不断变化的温度。然而，我们在几百年的时间里将大量的二氧化碳排放到大气中，这产生了截然不同的影响。与我们目前的情况最接近的类比是古新世-始新世热极大期。如果你仔细观察图表，你会发现$\delta ^{18}\text{O}$记录在5500万年前出现了一个峰值。这相当于在大约20万年的时间里，气温迅速上升约5-8摄氏度，随后又冷却到以前的温度。虽然在这张图上没有显示，但在$\delta ^{13}\text{C}$记录中有一个相应的下降，表明以$\ce{CO2}$和$\ce{CH4}$的形式向大气中注入了大量的碳，这导致了由于温室效应而导致的温度迅速上升。这与我们今天所做的非常相似，只是我们的速度至少快了20倍左右。

结论:

太阳强迫是影响全球温度的一个因素，特别是在最近的过去，但反应是高度非线性的，仅靠强迫不足以解释观测到的变化。大气中的$\ce{CO2}$和$\ce{CH4}$水平与全球温度密切相关，这些水平的突然变化在过去曾引起温度的突然变化。大气中水蒸气的数量是温度的函数(参考@Pont的精彩回答)，因此不是温度升高的相关强迫(实际上，云可能有轻微的负反馈效应，因为它们有很高的反照率)。

Answer 6

我认为你能看出来，因为你很聪明，一开始就问了这个问题，答案是不充分的，忽略了大局。

在现实世界中，没有观察到或证明的温室气体效应。单是大气的重量，海平面的全球平均温度为288度(摄氏14.85度)。这实际上比真实的全球平均表面温度略高，因为并非所有的表面都在海平面上。温室效应不会增加热量，要知道为什么你需要深入研究热力学和量子力学。

理论和实验表明，偶极子分子可以吸收长波辐射，使其振动和旋转，增加其动能。然而，这种长波辐射能传递给分子的能量是有限的;如果分子已经具有一定水平的平动动能，长波辐射将不会进一步激发分子。就像你永远不会看到一个100度的热板加热它上面的空气超过100度，即使热板继续发射红外辐射。

大部分，不，是绝大多数，空气中的动能来自于气体分子与被太阳加热的表面的碰撞，以及水蒸气的潜热。大部分能量通过分子碰撞在低层大气中转化，并通过对流转移到上层对流层。

在地球上的干旱地区，大自然每晚都在证明这一点。在沙漠中，比如撒哈拉沙漠，地表温度在白天迅速上升。这是因为没有热量被蒸发的水转化为潜热，它都转化为动能，你可以感觉到温度。在夜间，地表和空气迅速冷却，因为热量在垂直空气团中对流，然后很容易将能量辐射到空间中，没有可测量的温室气体变暖。事实上，撒哈拉沙漠在太空中损失的能量比它每年从太阳吸收的能量还要多。虽然这听起来违反直觉，但它是由运行了十多年的卫星测量的。地球的气候是由水主导的。水在其三个阶段的热容量和能量传递机制完全压倒了长波辐射向大气中痕量气体提供电子伏特能量的任何影响。

https://stevengoddard.wordpress.com/2014/01/25/ir-expert-speaks-out-after-40-years-of-silence-its-the-water-vapor-stupid-and-not-the-co2/

或者，你也可以相信一些猜测、猜测和一些主要的假设，这些假设会导致这样的说法:如果没有“温室效应”，金星的温度将只有零下43华氏度(-43华氏度)。

https://geosci.uchicago.edu/~rtp1/papers/PhysTodayRT2011.pdf

Answer 7

这个问题的关键部分是“大气浓度的二氧化碳会产生温室效应吗?”假设这是在问“在目前的水平下，温室气体二氧化碳水平的变化是否会导致地球温度的变化?”(是的，它是一种温室气体，……但是)。

答案是否定的。事实上，情况正好相反，天文学家每次进行红外测量时都会进行这种“实验”。几十年来，地面仪器对二氧化碳的红外波段进行了测量，完全吸收了二氧化碳。不只是在这个博客上，到处都有很多关于二氧化碳分子重新辐射红外线的讨论，这是真的。

然而，这些再辐射都不能到达地球，因为它在较低的能级遇到了更高的浓度，即更高的吸收。(注意，只有不到50%的辐射可以直接返回地球，而且这一百分比会随着再辐射的高度而下降。)人们可以从测量二氧化碳红外光谱零传输的地面仪器(主要是望远镜)中看到这一点。如果它到达地表，这就不可能是零。

[在我的网站“行星地球气候话题”@ pjcarson2015.wordpress.com上有一个更长的——太长了——在第一章中提出了一个论点(重要的是，它的附录)。]