上述基础的机制可以用许多方式来量化 , 而且这些方式都不会影响基础机制 。靠近地面的大气不会吸收热辐射(但在对应温室效应的波长段例外) , 大部分来自地表的热损失是因为显热及潜热的传播 。在大气中的高度越高 , 因为水蒸气(一种重要的温室气体)的浓度降低 , 因此其辐射的热损失会越大 。可以将温室效应视为在对流层中段加上一个“表面” , 该表面的特性再根据气温垂直递减率来调整 。这个简单的模型是假设温度是在稳态的条件 , 不过实际的温度会因为昼夜周期、季节周期及气候的变化而变化 。在晚上 , 因为大气的放射率较低 , 大气温度会较低 , 但变化不大 。昼夜温度变化会随着高度而递减 。
在辐射效应比较显著的区域中 , 也就比较接近上述理想温室效应描述的情形 。地球表面的温度约为255 K , 会以发射长波的红外线 , 波长约在 4–100 μm 。温室气体对入射的太阳辐射是透明的(不吸收也不会反射) , 但会吸收此波长下的能量 。有温室气体的每一层大气层都会吸收一些由下方所发射的能量 , 再往上方及下方再发射 , 发射能量和吸收能量达到平衡 。因此越下方的大气越温暖 。若增加温室气体的浓度也就增加了吸收及再发射的能量 , 因此会使大气层更温暖 , 最后也会使地面变温暖 。
温室气体包括大部分由二种不同原子组成的双原子气体(例如一氧化碳)以及所有由三个或多个原子组成的气体 , 可以吸收及发射红外线辐射 。虽然干燥大气中有99%(氧气、氮气及氩气)都不会吸收及发射红外线 , 不过分子间的碰撞使得温室气体吸收及发射的能量可以传递到其他非温室气体 。
温室气体
文章插图
大气中的气体只会吸收某一频段的能量 , 对其他频段的辐射是透明的 。
接上图说明:水蒸气和(蓝色部分)和二氧化碳(粉红色部分)的吸收频谱在一些区域是重叠的 。和水蒸气比起来 , 二氧化碳所造成的温室效应其实没那么强 , 但二氧化碳会吸收波长在12-15μm的能量 , 这接近地球表面会自然辐射到太空的波长范围 , 而水蒸气不会。
若以对地球温室效应的影响来排名 , 前四名的气体是:
- 水蒸气 , 36–70%(但不会列在温室气体中)
- 二氧化碳 , 9–26%
- 甲烷 , 4–9%
- 臭氧 , 3–7%
对气候变迁的影响
文章插图
莫纳罗亚火山天文台量测到的基林曲线 , 也就是大气中的二氧化碳浓度
因为人类活动造成温室效应的增强称为增强型(或人为)温室效应 。人类活动对辐射驱动力的增加是造成大气中二氧化碳增加的原因 。根据最近政府间气候变化专门委员会的评估报告“大气中二氧化碳、甲烷及一氧化氮的浓度已到达过去八十万年来史前无例的程度 , 这些气体的影响以及其他人为作用已影响了气候系统 , 可能是二十世纪以来观察到暖化现的主要原因 。”
CO2是因为燃烧化石燃料以及其活动(例如水泥制造及热带森林开伐等)所造成 。莫纳罗亚火山天文台量测到的CO2浓度已由1960年的313ppm到2010年的389 ppm 。在2013年5月9日已到达400 ppm的里程碑 。目前观测到的CO2浓度已超过冰核心数据中的地质纪录最大值(约300 ppm) 。因燃烧产生二氧化碳对整体气候的影响是第一个提出的温室效应 , 是斯凡特·奥古斯特·阿伦尼乌斯在1896年提出 。
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