CO2 = 热空气？解读二氧化碳温室效应

左边是红外摄像头从太空观察地球的照片，右边是用和人眼一致的可见光摄像头拍下的照片。右边的地球我们再熟悉不过，但在左边红外摄像头下，地球如同一团迷雾，我们完全看不到地球表面的山川湖海，眼前只有地球上层大气湍流。为何两种不同光线下看见的地球有如此天壤之别？能够回答这个问题，我们就能解释全球变暖。

图源：Myles Allen & Collins Dictionary

中学物理告诉我们，大气由大约78%的氮气、21%的氧气、0.9%的氩气和0.1%的其他气体组成。二氧化碳等造成全球气温升高的“温室气体”便是这0.1%的其他气体。看似微不足道，正是这些气体为地球上丰富多彩的生命创造了宜居条件，包括适宜且稳定的温度和湿度。

认识二氧化碳等温室气体对温度的控制作用，我们可以将地球想象成一个烤箱中的面包。太阳像烤炉一样不断地向地球辐射能量，这种能量传播形式被称作电磁波。大多数电磁波是看不见摸不着的，但某个特定波段的电磁波可以被人眼看见，我们称之为可见光。

下图展示了太阳辐射的波长分布，也被称为波谱。横坐标是波长，代表不同波长的电磁波，其中介于380纳米到700纳米波长的电磁波为可见光，即图中彩虹带的部分，从左到右由紫色变为红色。纵坐标是辐射强度，也称之为辐射照度，指的是太阳辐射在这个波长的强度。辐射强度越高，则说明太阳辐射中包含这个波长的电磁波越多。图中显示，太阳辐射中可见光占了约44%，红外光占49%，紫外光占7%。

太阳辐射到达地球后经历不同宿命。一部分被云层反射回太空，一部分被地面反射回太空，一部分被大气和地面所吸收。大气和地面吸收的辐射自然使得它们自身温度上升。太阳源源不断地辐射，倘若地球无法释放能量，恐怕早已被烤焦。

幸好，和太阳相同，地球上所有物质也会向外辐射能量，温度越高向外辐射越多。当地球吸收的太阳辐射大于地球向太空发出的辐射时，净能量流为正，地球温度上升，地球向外辐射的量也将上升，直至地球向太空发射的辐射等于地球吸收的太阳辐射，从而达到一个动态温度平衡——每年太阳向地球辐射的能量和地球向太空辐射的能量保持一致，地球的平均温度不增也不减。一年四季，年年相同。

那么为何二氧化碳能够发挥像棉被一样的“保温作用”呢？这首先是由于太阳辐射和地球辐射的波谱大不相同，物质的辐射波谱与物质自身温度相关。对于太阳这样的超高温星体（～6000度），辐射中有大量的可见光和紫外光。而对于像地球这样平均温度只有15度的星体，绝大部分辐射都位于红外波段。下图展示了太阳和地球的辐射波谱。

其次，不同气体吸收辐射的能力不同。吸收辐射能量，即电磁波能量，需要气体分子能够和电磁波发生反应。这就像拿起磁铁靠近一个不具有正负两级的物体，磁铁的磁场对其毫无作用；而当磁铁靠近另一个磁铁时，则能够引发运动，产生电磁能到机械能间的转换。同样，吸收电磁波需要能够产生正负极性的气体分子，二氧化碳、水蒸气、甲烷、氮氧化物等气体恰恰具备这种能力；氧气、氮气这类对称型分子则基本无法产生正负极性，因此无法与电磁波发生反应，吸收能量。

以二氧化碳分子为例，它可以进行上图所示的三种运动。由于碳原子（C）是正四价，氧原子是负二价，当二氧化碳分子发生第二种和第三种运动时，就能够形成正负极，从而与电磁波发生反应，吸收电磁波能量。值得注意的是，因为分子构型不同，每种分子能够吸收的辐射波段也不同。二氧化碳分子主要吸收特定红外波段的电磁辐射，水蒸气、甲烷等温室气体亦是如此。

那么当太阳光线从大气顶层穿梭到地球表面，将会经历什么呢？下图做了清晰的展示，描述了太阳光从大气顶层穿越到地球表面各个波长辐射的被吸收率。纵坐标是吸收率，100%意味着这个波长的太阳光线被大气层完全吸收，0%意味着完全透过，到达地球表面。横坐标是辐射波长，以微米为单位，从左到右是紫外光、可见光和红外光。最上面总图的黑色曲线是太阳光总体的被吸收率，下图的三种颜色曲线分别代表大气中氧气和臭氧（O₂+O₃）、二氧化碳（CO₂）和水蒸气（H₂O）对各个波段太阳光的吸收情况。

根据顶图，太阳光线中的紫外光和部分红外光被大气层大量吸收，而可见光的透过率大于80%，说明80%的可见光能够不受阻拦地到达地球表面。最下面的绿色和蓝色曲线说明二氧化碳和水蒸气主要吸收红外光（没错，水蒸气也是大气中重要的温室气体）。

啊哈！全球变暖是因为二氧化碳能够吸收太阳辐射中的红外光，大气中如果有更多二氧化碳就会吸收更多辐射能量，从而使得大气温度上升。

事实没有这么简单，全球变暖的机理并非如此。但到这里为止，我们已经有足够的科学工具，留待下一篇文章分析二氧化碳在大气中的浓度如何影响地球温度。

例如，运用上面的知识，我们可以理解太阳辐射经过大气层后发生的变化：

我们还可以解释开篇的地球照片：

我们在右图看到的是地球表面反射的太阳辐射中的可见光，它们能够穿透大气，因此能够被可见光摄像头从太空捕捉下来。而左图是红外成像，红外光线几乎无法穿透大气层，因此我们只能看到上层大气反射和发出的红外光，而无法看到大气下层地面上的物体。

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2017年，我在校园与一位朋友聊起全球气候变化，他对我谈论的气候危机表示怀疑。他说千百万年来地球经历了几次冰河世纪和温暖时期，这是大自然规律，怎能被区区人类改变。这种说法不乏支持，最著名的是前美国总统特朗普公开表示气候变化为假新闻。不少公众文章将气候变化上升为大国间的政治经济博弈，这些公知大V深知建立敌我关系、引发爱国情绪是成为热门的捷径。

当气候变化变成一场权利和财富的游戏，究竟谁对谁错对于普通人来说就不那么重要。可惜的是，无论人们认为气候变化真假与否，它都影响着每个人的生计。很少人会将郑州暴雨洪涝灾害与气候变化联系起来，城市里的热浪不过是大家一年又一年的寻常经历。这些事件与全球变暖和气候变化的联系并不明显，毕竟个人记忆短暂，怎能察觉跨越数十年的气候变化呢。从个人的尺度、依据经验很难去判断气候危机的真伪。

幸运的是，我们可以凭借科学工具，超越人类生命尺度地去认识地球变化。搭载神舟火箭，我们能够发射卫星去观测大气中最微小的气体分子组成变化；钻取北极冰芯，我们能够获得千万年前封存的气体去了解远古气候；更宝贵的，是我们的思考，能够去发现现象之间的关系，探究关系之中的原理。

理解气候变化，应对气候变化，不是不可能。从基础开始，以科学为方法，所有人都能建立对气候变化的认知，从而应对气候变化。这是本系列文章的目的。