最近一些天，全球許多地方刷新高溫曆史極值，沒有空調的德國人每天在高溫炙烤下艱難度日，歐洲鐵路系統因鐵軌受熱變形不得不調整一些線路的運營，将速度從，英國人甚至在鐵軌上刷白色油漆以最大程度地反射太陽光，然而這一切都無濟于事。

鐵軌在高溫下膨脹變形扭曲

《自然》雜志七月發表文章稱：在全球超過98%的地區，最近一個世紀的氣候變䁔現象是過去兩千年以來無與倫比的，而今年夏天的氣溫更是創下了本世紀來的新高。世界氣象組織證實，全球剛剛度過了有曆史記錄以來最熱的6月。科學家們紛紛将矛頭指向了工業革命以來世界各國向地球大氣層超量排放的溫室氣體，其中就包括二氧化碳。

我們的地球總體上維持着能量的平衡，這是指任一時刻地球從太陽接收到的能量與地球向太空中散發的所有能量互相抵消。但從整個地球曆史的角度看，地球從太陽接收的能量在緩慢增加，這是因為太陽比它誕生的時候更亮更熱，有更多的光子攜帶着能量輻射地球。

地球的熱能傳遞簡圖

學過物理的朋友應該能回憶起熱傳遞的三種方式：輻射、對流、傳導。

太陽通過陽光輻射方式将能量輸送到地球；其中一部分能量直接輻射到地面，另一部分用來加熱地球的大氣，還有一些被反射到太空；太陽的熱能在地面會發生熱傳導，大氣的導熱性能很差，它是流動的，所以大氣會發生熱對流，它使我們感到有風。同樣，地面也同時向外輻射熱能，一部分熱能用于加熱空氣，推動大氣對流，一部分在大氣與地面之間循環。最終，地面的熱能被帶到高空，重新輻射到太空中去。

在大氣層的頂部，來自太陽的入射能量與來自地球的輸出能量平衡

從上面這張能量傳遞的量化圖中我們可以看出：在大氣層的頂部，來自太陽對地球的入射能量與來自地球向太空的輸出能量是總體平衡的，都是100。但在大氣層下方，能量交換的總值要高于太陽輸入值，它的平衡點是145，這意味着地面比大氣層上方的能量更高。為什麼出現這種情況？

這是地球大氣層被加熱，熱的空氣保留住了一部分能量，這部分熱能在大氣層内部循環，就像是在溫室裡一樣，這些被加熱的空氣我們稱之為溫室氣體。

溫室氣體

地球上的溫室氣體主要是指二氧化碳（CO₂）、水蒸氣與雲（H₂O）、甲烷（天然氣CH₄）、一氧化二氮（N₂O）、臭氧（O₃）、氯氟烴（CFCs）和極微量的氫氟碳化合物等等。

溫室氣體是怎樣影響地球溫度的？你能想象一個沒有溫室氣體的地球将是什麼樣子嗎？

如果沒有溫室氣體，我們地球的平均溫度将是零下18℃，而不是今天15℃的平均值。這意味着地球整個兒被冰雪覆蓋，成為一顆毫無生氣的大雪球。

冰雪地球

溫室氣體就像是一張厚厚的、無形的大被子，使地球保持了合适的溫度，萬物的生長全都得益于溫室氣體的保溫作用。無論是太陽輻射到地球的光線，還是地球向外輻射的紅外線，它們都會照射這些氣體分子，使它們振動、發熱，同時将大部分熱能輻射回地面。

二氧化碳造成的溫室效應

你可能會問了，幹燥的空氣中絕大多數是氮氣和氧氣，其中氮氣（N₂）占78.084％，氧氣（O₂）占20.947％，就連稀有氣體氩（Ar）也占到了0.934％，為什麼它們不是溫室氣體，偏偏大氣含量僅有0.035％的二氧化碳能被加熱、成為主要的溫室氣體呢？

這是一個好問題，下面我們重點談談為什麼溫室氣體可以被加熱。

在距離地面85公裡到600公裡高度的高層大氣頂部附近達到2000°C高溫，被稱為“熱層”。這是因為波長小于0.175μm的太陽紫外輻射以及X射線輻射都被該層中的大氣物質（主要是原子氧）所吸收的緣故。由于這一層的空氣非常稀薄，空氣密度隻有地面密度的百億分之一甚至千億分之一，即便氣體粒子溫度很高，我們在這一區域并不會感覺到有多熱。

大氣分層及溫度變化

熱層的溫度很高，但與溫室氣體沒多大關系，它是由太陽輻射能量電離大氣粒子造成的。大氣層的中間層非常寒冷，盡管這裡的空氣密度遠高于熱層，但缺乏溫室氣體。

平流層上方有豐富的臭氧，它分吸收太陽高能輻射并将其轉化為自身振動的能量，将高能紫外線和X射線輻射能轉化為熱能，從而保護了地面的生靈。

你也許注意到了，所謂的溫室氣體分子多是以三個以及三個以上原子組成，單個原子（比如氩氣）和雙原子（氮氣和氧氣）不是溫室氣體。這是因為三原子組成的氣體分子在被光照射時，有更複雜的振動模式，因而可以産生更多的熱量。

空氣中存在極微量的單原子氣體，比如氩、氖等惰性稀有氣體，在高層大氣，還有被電離的氧、氫等，這些氣體在極高能量的X射線、極紫外線等等照射下會因原子振動加劇而對外輻射能量。但這些氣體極其稀薄，不能被稱為溫室氣體。

占大氣78.084％的氮氣（N₂）和占20.947％的氧氣（O₂）是雙原子氣體分子，它們由兩個原子通過共價鍵組成穩定的分子。其中氮氣分子由兩個通過強（短）三鍵連接的氮原子（N）緊密組成：

氮氣分子的三鍵連接

氧氣分子由兩個通過強（短）雙鍵連接的氧原子（O）組成：

氧氣分子的雙鍵連接

由于氮氣和氧氣都是由強鍵連接，其結構穩定，那些穿過了大氣層的光子能量通常不足以激發它們振動；當它們被光子激發時，分子僅在軸向上發生極輕微的線性振動，兩個原子間像是連着一根硬彈簧，它們隻是稍稍靠近又稍稍遠離，因此氮氣和氧氣基本不對外輻射熱能，也不被認為是溫室氣體。

擁有3個或更多原子的分子可以以更複雜的模式振動。單個分子可以以各種方式振動；這些不同運動中的每一個被稱為一種振動“模式”。二氧化碳（CO₂）分子具有三種不同的振動模式，如下圖所示：

二氧化碳分子的三種振動模式

二氧化碳分子由中心的碳原子（C）與兩個具有弱（長）雙鍵的氧原子（O）連接組成，分子中的電荷非對稱分布，與氮氣和氧氣相比，二氧化碳的原子鍵就像是一根細彈簧，松弛且柔軟。具有更多（和更複雜的！）振動模式的分子更可能與通過的電磁輻射波相互作用，這就是二氧化碳吸收和發射紅外（IR）輻射的原因，而氮和氧分子卻沒有。這種吸收紅外波的能力使二氧化碳成為溫室氣體。

水蒸氣（H₂O）分子也具有與二氧化碳相似的振動模式，使其與通過的IR波相互作用。不同的是水分子是一種極性分子，它比二氧化碳更複雜，因此水蒸氣是一種比二氧化碳更強的溫室氣體。

甲烷（CH₄）是在地球大氣層中少量存在的氣體，又被稱為天然氣。甲烷分子是最簡單的碳氫化合物，其中間是單個碳原子（C），被四個相等距離的氫原子（H）包圍，通過弱（長）單鍵連接。

甲烷的分子結構

甲烷是一種比二氧化碳更強大的溫室氣體，它的化學鍵有更多更複雜的振動模式，因此甲烷可以吸收更多的電磁波能量再将其輻射出去。

我們的地球從太陽獲取絕大部分的能量，通過分子的振動将其轉化為熱能輻射出來。從宏觀角度，地球吸收和對外輻射的能量是相等的。

由于地球大氣層中有溫室氣體，有相當一部分能量被保留在地面附近進行熱循環，這為地球生命的産生和繁衍創造了條件。

單原子和雙原子氣體不成為溫室氣體，這是由其受輻射後的振動模式決定的，雙原子氣體如氮氣、氧氣等的鍵合強大，它們不容易受激發産生振動。

二氧化碳、水蒸氣、臭氧和甲烷等氣體由三個以及三個以上原子構成，它們的化學鍵長且弱，并且電荷分布不均，在紅外線的激發下，這些氣體再容易發生共振現象，分子通過振動又向外輻射熱能，使得這些氣體可以更有效地保存和傳遞熱量。

二氧化碳是溫室氣體

地球生命受益于溫室氣體，同時，過量的溫室氣體可以使地球表面的溫度過快上升，從而引發一系列的氣候問題甚至災難，這是我們需要密切關注和加以重視的。

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