“温室气体”是如何让热量进来而不出去的?

Question

老实说，这对我来说毫无意义。为什么热量会以一种方式通过气体而不以另一种方式通过呢?它不像我们的高层大气有一堆只能向一个方向打开的门。对我来说，这似乎与我所学到的物理宇宙的运作方式背道而驰。

如果热量可以从一个方向穿过物质，就没有理由不能从另一个方向穿过。显然除了“温室气体”。

我所知道的最接近这种工作方式的是单向镜。但这没有同样的效果。你能透过一面而看不到另一面的原因是大部分的光被反射了，而不是全部。因此，如果你在一个黑暗的房间里，从外面进来的光会压倒从房间里反射出来的微弱的光。但如果你在外面，实际上没有光线从黑暗的一面穿过，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，与我所学到的一切都背道而驰。现在，我不是气候变化否认者。事实上，这是我刚刚想到的。我以前从来没想过要质疑它。

Answer 1

简而言之:

进入的辐射是短波辐射远离太阳。太阳辐射主要是可见光(以及紫外线和近红外)辐射，波长主要在0.2µm和2µm之间。这个波长是由太阳的温度决定的，大约在6000 K左右。对于可见光辐射(大约在0.4µm到0.7µm之间)，大气中的所有气体(几乎完全)是透明的。云层确实会散射这种辐射，所以当阴天的时候你不能直接看到太阳，但云层仍然会让大量的光线通过，所以在阴天还是很亮的(只是不那么亮)，尽管感觉更凉爽。

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。对地球来说，这主要是波长在4µm到40µm之间的辐射。这个波长是由地球的温度决定的，大约是290k。在这些波长下，温室气体大多是不透明的。它们吸收辐射。温室气体将被吸收的热量进行辐射，但是是双向的(返回地球和上升到大气层的高层)，并且温度较低。向上的长波辐射反过来又被更高的温室气体层吸收，等等，这样，最终辐射到太空的温室气体层往往在空气中的高处(比如240 K)。因此，它们向太空辐射的热量比没有这些气体时地球表面辐射的热量要少。

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:厄运科学

Answer 2

Gerrit有技术上的答案;我将作为一个外行回答。

物体散热的方式有两种。

• 第一种，也是人们最熟悉的方式，是传导。某物与另一物接触，较热的物质将其部分热量传递给较冷的物质。这就是为什么你在冷水中涉水会迅速失去热量的原因: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，第二点则有点难以直观地理解:辐射。如果有帮助的话，把它想象成光。所有东西都会发出辐射/光——光的大小取决于物质的温度。有没有想过为什么你加热的每一种材料都是怎么开始发红的(烤箱、炉子、篝火余烬等)?这是因为当它那么热的时候，它发出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。

到目前为止明白了吗?

好吧，地球不会因为传导而失去热量。简而言之，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，它失去了辐射的能量。

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

这是关键。像二氧化碳这样的气体不允许低能量的辐射像高能量的辐射那样容易通过。所以当它吸收大量的太阳能量时在，它不会让辐射能量回来出那么容易。

Answer 3

为了补充Gerrit的出色答案，我想添加更多的图像。图像总是帮助我理清事情。

首先，这张图显示了来自太阳的红色光谱。峰在可见范围*内。它还用蓝色表示地球的热辐射。这是在红外线范围内。下图显示了不同的气体如何允许光以不同的频率传输。有很多事情正在发生，所以现在，只要关注二氧化碳——最著名的温室气体的排就行了。请注意，在可见光范围内，它允许接近100%的传输，但是在地球辐射的频率范围内有一个灰色的斑块。(我在这个补丁周围添加了一个圆圈。)［https://commons.wikimedia.org/wiki/File Atmospheric_Transmission.png):

第二，这是一张金属棒被加热到“白热”的照片。在这个温度下，它在可见光范围内辐射。高温部分呈黄白色(~2000K)，中等部分呈红色(~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，杆子的黑色部分仍在辐射，但在光谱的红外部分，这是我们的眼睛看不到的。你可能对红外线摄像机很熟悉，它被用来测量人的体温，或者作为一种夜视仪。红外线相机拍摄的最后一张照片显示，即使是像人这样的“冷”物体也会发出辐射。［https://en.wikipedia.org/wiki/SGR-A1#/media/File:Thermal_image_-手-_1.jpg]

综上所述，太阳是热的(6000K)，并且会发光，这些光大多在可见光范围内。可见光穿过大气中的气体，将地球加热到300K。地球发出的红外光不会穿过二氧化碳。所以二氧化碳吸收了一些原本会从地球辐射出去的热量。更多的二氧化碳捕获更多的热量，导致地球的温度缓慢上升。

说“峰值在可见范围内”是最简单的理解方式，但因果关系却完全错误。我们的眼睛进化到在太阳产生最多光线的范围内具有最高的灵敏度。