“温室气体”是如何让热量进来而不让它出去的?

Question

说实话，这对我来说没有任何意义。热量怎么可能从一个方向通过气体而不是另一个方向?它不像我们的上层大气有一堆只能打开一种方式的门。对我来说，这似乎与我所学的关于物理宇宙如何运作的一切背道而驰。

如果热量可以以一种方式通过某种物质，那么它没有理由不能以另一种方式通过。显然除了“温室气体”。

我所知道的最接近这种工作方式的东西是单向镜。但这并没有同样的效果。你之所以能看到一面而不能看到另一面，是因为大部分光都被反射了，而不是全部。因此，如果你在一个黑暗的房间里，从外面进来的光会盖过从房间里反射回来的那一点光。但如果你在外面，几乎没有光从暗面进来，因此你只能看到被反射的东西。

简而言之，这对我来说毫无意义，与我学到的一切背道而驰。现在，我不是一个气候变化的否认者。实际上，这是我刚刚想到的。我以前从没费心去质疑过。

Answer 1

简而言之:

进入的辐射是短波辐射来自太阳。太阳辐射主要是可见光(以及紫外和近红外)辐射，波长主要在0.2微米到2微米之间。这个波长是由太阳的温度决定的，大约在6000 K左右。对于可见辐射(大约在0.4微米到0.7微米之间)，大气中的所有气体(几乎完全)都是透明的。云层确实会散射这种辐射，所以在阴天你不能直接看到太阳，但它们仍然让大量的光线穿过，所以在阴天仍然很亮(只是不那么亮)，尽管感觉更冷。

留下的辐射是长波辐射，也被称为地面辐射或(不正确的)热辐射。对于地球来说，这主要是波长在4微米到40微米之间的辐射。这个波长是由地球的温度决定的，在290 K左右。在这些波长下，温室气体大多是不透明的。它们吸收辐射。温室气体以较低的温度将吸收的热量再辐射出去，但是是双向的(回到地球和向上到大气的高层)。向上的长波辐射反过来又被上层的温室气体吸收，等等，这样一来，最终向太空辐射的温室气体层往往在高空(比如240 K)，因此，它们向太空辐射的热量比没有这些气体的地球表面要少。

最重要的温室气体是水蒸气、二氧化碳和甲烷。

来源:gisgeography.com

来源:末日科学

Answer 2

Gerrit给出了技术上的答案;我来替一个外行回答。

物体散热有两种方式。

• 第一种，也是人们最熟悉的方式，是传导。物体接触另一物体时，较热的物质将部分热量传递给较冷的物质。这就是为什么如果你涉入冰冷的水中，你会迅速失去热量:你的身体是热的，而水是冷的——所以你身体的能量会渗透到你接触的水中。
• 然而，第二点就有点难以直观地把握了:辐射。或者如果有帮助的话，把它想象成光。所有东西都会发出辐射/光，而这种光是基于材料的热程度。有没有想过为什么你加热的每一种材料(烤箱、炉子、篝火余烬等)都是先发出红光的?这是因为当它这么热的时候，它释放的能量足以被人眼视为红色(光谱中能量最低的颜色)。进一步加热，颜色最终会变成白色。

到目前为止说得通吗?

地球不会因为传导而损失热量。简单地说，它处于近乎真空的状态;它没有接触到任何东西来传递热量。

相反，它将能量损失给辐射。

现在，物体根据它们的温度发出辐射。那么来自太阳的能量呢?它是基于太阳表面的温度:大约6000开尔文(约10k华氏度)，所以来自太阳的光/能量/辐射是非常高能量的。这些能量撞击地球，使其升温。但地球本身相对较冷:平均温度为287开尔文(56华氏度)。所以地球发射的辐射能量要低得多。

这就是关键。像二氧化碳这样的气体不允许低能辐射通过，因为高能辐射很容易通过。所以当它让大量的太阳能量在，它不会让辐射能量返回出那么容易。

Answer 3

为了补充Gerrit的精彩回答，我想再添加几张图片。图像总是能帮助我理清事情。

首先，这张图用红色表示来自太阳的光谱。峰值在可见范围*。它还用蓝色表示来自地球的热辐射。这是在红外线范围内。下面，它展示了不同的气体如何以不同的频率传输光。有很多事情正在发生，所以现在，只需要关注二氧化碳这一行——最著名的温室气体。注意它是如何允许在可见范围内接近100%的传输，但在地球辐射的频率范围内有一个灰色斑块。(我在这个补丁周围添加了一个圆圈。)［https://commons.wikimedia.org/wiki/File Atmospheric_Transmission.png):

其次，这张图片是一根被加热到“白热”的金属棒。在这个温度下，它在可见范围内辐射。最热的部分呈黄白色(~2000K)，中等的部分呈红色(~1000K)，其余部分呈黑色(室温，~300K)。所以你可以看到不同温度的物体辐射出不同的波长。［https://commons.wikimedia.org/wiki/File Blacksmith_working.jpg):

实际上，杆子的黑色部分仍然在辐射，但在光谱的红外部分，我们的眼睛看不到。你可能熟悉红外摄像机被用来测量人的温度，或作为一种夜视。这张来自红外摄像机的最后一张照片显示，即使是像人这样“冷”的物体也在发射辐射。［https://en.wikipedia.org/wiki/SGR-A1#/media/File:Thermal_image_-手-_1.jpg]

综上所述，太阳是热的(6000K)，并发出光，这些光大多在可见范围内。可见光穿过大气中的气体，将地球加热到300K。地球发出的红外线不会穿过二氧化碳。因此，二氧化碳会吸收一些原本会从地球辐射出去的热量。更多的二氧化碳会吸收更多的热量，导致地球温度缓慢上升。

说“峰值在可见范围内”是最简单的理解方法，但因果关系是错误的。在进化过程中，我们的眼睛在阳光照射最多的范围内具有最高的灵敏度。