Hiệu ứng nhà kính và sự hấp thụ trong khí quyển

Hơi nước, carbon dioxide và các khí khác hấp thụ và tái phát xạ bức xạ nhiệt như thế nào, làm ấm bề mặt Trái Đất lên trên nhiệt độ cân bằng bức xạ của nó.

Definition

Hiệu ứng nhà kính là sự ấm lên của bề mặt hành tinh do các khí quyển trong suốt với ánh sáng mặt trời chiếu tới nhưng lại hấp thụ và tái phát xạ bức xạ nhiệt đi ra, làm tăng nhiệt độ bề mặt lên trên giá trị được thiết lập chỉ bởi sự làm nóng của mặt trời.

Scope

Chủ đề này bao gồm cơ sở vật lý của hiệu ứng nhà kính: sự hấp thụ và phát xạ bức xạ sóng dài của các phân tử khí, các dải phổ mà chúng hoạt động, và cách mức phát xạ hiệu quả của khí quyển kiểm soát nhiệt độ bề mặt. Nó đề cập đến vai trò của hơi nước, carbon dioxide, mêtan, nitơ oxit và ôzôn, khái niệm về bức xạ cưỡng bức từ những thay đổi trong nồng độ của chúng, và các hiệu ứng bão hòa và chồng lấp dải tần chi phối cách bức xạ cưỡng bức thay đổi theo nồng độ.

Core questions

• Tại sao một số khí hấp thụ bức xạ nhiệt hiệu quả trong khi những khí khác thì không?
• Hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ bề mặt lên trên cân bằng bức xạ như thế nào?
• Bức xạ cưỡng bức thay đổi như thế nào khi nồng độ khí nhà kính tăng lên?
• Đóng góp tương đối của hơi nước và carbon dioxide là gì?

Key theories

Mức phát xạ hiệu quả

Khí nhà kính làm tăng độ cao mà hành tinh phát xạ hiệu quả ra không gian, và vì mức đó lạnh hơn bề mặt, bề mặt phải ấm lên để phát xạ đủ năng lượng cân bằng ánh sáng mặt trời chiếu tới.

Bức xạ cưỡng bức logarit của carbon dioxide

Vì các dải hấp thụ trung tâm của carbon dioxide gần như bão hòa, bức xạ cưỡng bức của nó tăng xấp xỉ theo logarit của nồng độ, do đó mỗi lần tăng gấp đôi sẽ thêm một lượng bức xạ cưỡng bức tương tự.

Mechanisms

Các phân tử có các chuyển đổi dao động và quay phù hợp sẽ hấp thụ bức xạ hồng ngoại đi ra và tái phát xạ nó theo mọi hướng, bao gồm cả trở lại bề mặt; điều này làm tăng độ cao mà bức xạ cuối cùng thoát ra không gian, và vì nhiệt độ giảm theo độ cao trong tầng đối lưu, bề mặt ấm lên cho đến khi mức phát xạ lạnh hơn phát xạ đủ để cân bằng ánh sáng mặt trời hấp thụ. Việc thêm nhiều khí làm dày lớp hấp thụ và dịch chuyển mức phát xạ lên cao hơn và lạnh hơn, làm tăng bức xạ cưỡng bức.

Clinical relevance

Bức xạ cưỡng bức từ sự gia tăng carbon dioxide, mêtan và các khí nhà kính khác là động lực vật lý trực tiếp của biến đổi khí hậu do con người gây ra, làm cho cơ chế này trở nên trung tâm để hiểu và dự báo sự nóng lên toàn cầu.

Evidence & guidelines

Báo cáo Đánh giá lần thứ sáu của IPCC định lượng bức xạ cưỡng bức hiệu quả của từng khí nhà kính chính và gán phần lớn sự nóng lên được quan sát kể từ thời kỳ tiền công nghiệp cho các khí này.

History

Tyndall đã chứng minh vào thế kỷ XIX rằng hơi nước và carbon dioxide hấp thụ bức xạ nhiệt, và Arrhenius đã đưa ra ước tính định lượng đầu tiên về sự ấm lên từ việc tăng gấp đôi carbon dioxide; quang phổ học và mô hình bức xạ đối lưu thế kỷ XX đã tinh chỉnh những ý tưởng này thành lý thuyết định lượng hiện đại về bức xạ cưỡng bức.

Debates

Các tuyên bố lịch sử về sự bão hòa dải tần

Các phản đối ban đầu cho rằng sự hấp thụ carbon dioxide đã bão hòa đã được giải quyết bằng cách nhận ra rằng việc thêm khí làm tăng mức phát xạ lạnh, do đó bức xạ cưỡng bức tiếp tục tăng thay vì chững lại.

Key figures

• Svante Arrhenius
• John Tyndall
• Raymond Pierrehumbert
• Syukuro Manabe

Seminal works

• arrhenius1896
• pierrehumbert2010

Frequently asked questions

Khí nào đóng góp nhiều nhất vào hiệu ứng nhà kính?

Hơi nước là yếu tố đóng góp lớn nhất nói chung, nhưng nó hoạt động như một phản hồi đáp ứng với nhiệt độ, trong khi carbon dioxide là khí tồn tại lâu dài chính mà con người đang gia tăng.

Tại sao carbon dioxide vẫn quan trọng nếu các dải của nó gần như bão hòa?

Việc thêm carbon dioxide làm tăng độ cao mà hành tinh phát xạ ra không gian đến một mức lạnh hơn, do đó hiệu ứng ấm lên tiếp tục tăng với mỗi lần tăng gấp đôi nồng độ.