空气体积是否随着二氧化碳浓度的增加而增加?

Question

有限公司₂二氧化碳的含量还在增加，已经超过400ppm，这意味着空气中每100万个气体分子中，就有400个是CO₂．

它一直在增加。这是否意味着大气中空气的总量在增加，或者其他一些气体以CO的形式在减少₂增加?

Answer 1

［主要编辑如下］

简而言之，答案是否定的。

在我们讨论体积变化之前，我不得不说，体积是一个棘手的测量方法，适用于整个大气，因为大气和外层空间之间没有明确的界限。此外，大气的厚度对大气质量的变化相当不敏感。例如，金星的大气层比地球的大气层大得多(质量是93倍)．导致地表压力是地球的92倍。然而，大气的厚度是相当相似的，与中间层延伸至120公里尽管质量是地球的9300%，但只比地球高41%。

这个行星的比较表明，更多的CO$_2$将导致更大的大气质量和更高的大气压力，但其实际体积几乎没有变化(如果你设法定义了如何测量大气体积)。

打个比方，假设你有一米的积雪，有一米的降雪量。你不会得到两米厚的积雪。这是因为新雪会压紧下面的雪，形成1.7米厚的积雪。

因此，大气中气体越多，大气密度越大，但对大气厚度影响不大。

现在我们必须做出非常重要的区分:从CO$_2$来源(如火山喷发)添加CO$_2$与由于化石燃料燃烧而添加CO$_2$是不一样的。这是因为后者不向大气中添加分子，只是将O$_2$分子转化为CO$_2$。现在，如果你研究这个转换在体积方面意味着什么，你会有一个惊喜(至少对我来说是一个惊喜):

给定标准条件(20°C和1atm)。每立方米氧重1.331公斤．当你用氧气来燃烧化石燃料时，所有分子的分子量将从32 (O$_2$)增加到44.01 (CO$_2$)，这意味着你最终会得到1.831公斤的CO$_2$。现在有趣的部分来了:在相同条件下，每立方米二氧化碳重1.842公斤因此，我们的初始立方O$_2$变成了0.94万立方CO$_2$，相当于体积减少了0.6%。因此,燃烧化石燃料会减少大气的体积．

一开始我对这个结果感到惊讶，但它很好地解释了一个经典的实验:一个煮熟的鸡蛋被吸进瓶子里:这是一个截图这个视频在这里你可以看到这个技巧的作用(跳到1:10分钟)

现在，尽管燃烧的东西减少了大气的体积。值得注意的是，如果你增加二氧化碳或甲烷等温室气体，你不仅增加了大气中这些气体的数量，因为温度的升高也会导致水蒸气的增加。因此大气质量的增加要大于co2或甲烷的增加。额外的质量与额外的分子有关，所以它会导致额外的体积(与燃烧情况相反，在燃烧情况下分子的数量是恒定的)。

因此，当我们燃烧化石燃料时，大气的质量增加(以及大气压力)，但体积减小，并且由于CO$_2$是燃烧的产物，这种增加将以减少分子氧(O$_2$)的数量为代价。

虽然，这种减少是非常小的:大气中有~21%的氧气和0.04%的CO$_2$，所以CO$_2$增加30%(类似于从300到400ppm)，意味着O$_2$减少0.01%，一个相对较小的变化(使用维基百科数字氧含量会从20.946%上升到20.934%)。而且，这只有在瞬间燃烧时才成立。因为随着时间的推移，这种不平衡可能会出现负反馈。例如，植物会增加光合作用的速率(CO$_2$施肥效应）

也就是说，二氧化碳从300ppm(工业化前水平)上升到400ppm所带来的质量增加(和体积减少)是可以忽略不计的，与颗粒物或水蒸气的逐日变化相比，这可能是微不足道的。

顺便说一句，这本书红色的火星，对如何将火星“地球化”，以及如何添加CO$_2$或水蒸气来增加大气压力和表面温度，做了相当科学合理的描述。

Answer 2

让我间接地回答这个问题。当装有部分液态水的高压锅被加热时，高压锅内部的空气中水蒸气分子会增加，但高压锅的体积仍然不变。压力锅内部唯一的变化是空气的压力和温度。

气体体积由理想气体定律决定，该定律规定PV = nRT在哪里P是压力,V是体积,n是气体量，R是常数，并且T是温度。如果P和T保持不变，那么加入更多的气体(增加n)会导致V(体积)的变化。然而，影响空气压力和温度的因素变化很大，所以CO的量只能增加很小的体积₂没关系。然而,有限公司₂通过吸收红外辐射增加温度，从而导致体积的增加，这是一个积极研究的课题。