温室效应与大气吸收

水蒸气、二氧化碳和其他气体如何吸收和再发射热辐射，使地表温度高于其辐射平衡温度。

Definition

温室效应是指行星表面因大气气体而变暖的现象，这些气体对入射阳光透明，但吸收并再发射出射热辐射，使地表温度高于仅由太阳加热设定的值。

Scope

本主题涵盖温室效应的物理基础：分子气体对长波辐射的吸收和发射，它们作用的光谱带，以及大气有效辐射水平控制地表温度的方式。它探讨了水蒸气、二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和臭氧的作用，浓度变化引起的辐射强迫概念，以及控制强迫随浓度变化的饱和效应和谱带重叠效应。

Core questions

• 为什么有些气体能有效吸收热辐射而另一些则不能？
• 温室效应如何使地表温度高于辐射平衡？
• 随着温室气体浓度增加，辐射强迫如何变化？
• 水蒸气和二氧化碳的相对贡献是什么？

Key theories

有效发射水平

温室气体提高了行星向太空有效辐射的高度，并且由于该水平比地表更冷，地表必须变暖才能发射足够的能量以平衡入射阳光。

二氧化碳的对数强迫

由于二氧化碳的中心吸收带几乎饱和，其辐射强迫近似随浓度的对数增长，因此每次浓度加倍都会增加相似的强迫量。

Mechanisms

具有适当振动和转动跃迁的分子吸收出射红外辐射并向所有方向再发射，包括返回地表；这提高了辐射最终逸散到太空的高度，并且由于对流层中温度随高度下降，地表会变暖，直到较冷的发射层辐射出足够的能量以平衡吸收的阳光。增加更多气体使吸收层变厚，并将发射层移至更高、更冷的高度，从而增加强迫。

Clinical relevance

二氧化碳、甲烷和其他温室气体浓度上升产生的辐射强迫是人为气候变化的直接物理驱动因素，这使得该机制成为理解和预测全球变暖的核心。

Evidence & guidelines

IPCC第六次评估报告量化了每种主要温室气体的有效辐射强迫，并将自工业化前时代以来观测到的变暖的主要份额归因于这些气体。

History

19世纪，廷德尔证明水蒸气和二氧化碳吸收热辐射，阿累尼乌斯首次对二氧化碳浓度加倍引起的变暖进行了定量估计；20世纪的光谱学和辐射-对流模型将这些思想完善为现代辐射强迫定量理论。

Debates

谱带饱和的历史主张

早期关于二氧化碳吸收已饱和的异议通过认识到增加气体提高了冷的发射水平而得到解决，因此强迫持续增加而不是趋于平稳。

Key figures

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

Seminal works

• arrhenius1896
• pierrehumbert2010

Frequently asked questions

哪种气体对温室效应的贡献最大？

水蒸气是总体上最大的贡献者，但它作为对温度作出响应的反馈，而二氧化碳是人类正在增加的主要长寿命气体。

如果二氧化碳的谱带几乎饱和，为什么它仍然很重要？

增加二氧化碳会提高行星向太空辐射的高度，使其达到更冷的水平，因此变暖效应会随着浓度每次加倍而持续增长。