引子

最近一些天，全球許多地方刷新高溫歷史極值，沒有空調(diào)的德國人每天在高溫炙烤下艱難度日，歐洲鐵路系統(tǒng)因鐵軌受熱變形不得不調(diào)整一些線路的運(yùn)營，將速度從，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(jì)于事。

《自然》雜志七月發(fā)表文章稱：在全球超過98%的地區(qū)，最近一個(gè)世紀(jì)的氣候變?現(xiàn)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(chuàng)下了本世紀(jì)來的新高。世界氣象組織證實(shí)，全球剛剛度過了有歷史記錄以來最熱的6月?？茖W(xué)家們紛紛將矛頭指向了工業(yè)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。

地球的能量平衡

我們的地球總體上維持著能量的平衡，這是指任一時(shí)刻地球從太陽接收到的能量與地球向太空中散發(fā)的所有能量互相抵消。但從整個(gè)地球歷史的角度看，地球從太陽接收的能量在緩慢增加，這是因?yàn)樘柋人Q生的時(shí)候更亮更熱，有更多的光子攜帶著能量輻射地球。

學(xué)過物理的朋友應(yīng)該能回憶起熱傳遞的三種方式：輻射、對流、傳導(dǎo)。

太陽通過陽光輻射方式將能量輸送到地球；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(huì)發(fā)生熱傳導(dǎo)，大氣的導(dǎo)熱性能很差，它是流動(dòng)的，所以大氣會(huì)發(fā)生熱對流，它使我們感到有風(fēng)。同樣，地面也同時(shí)向外輻射熱能，一部分熱能用于加熱空氣，推動(dòng)大氣對流，一部分在大氣與地面之間循環(huán)。最終，地面的熱能被帶到高空，重新輻射到太空中去。

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(diǎn)是145，這意味著地面比大氣層上方的能量更高。為什么出現(xiàn)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內(nèi)部循環(huán)，就像是在溫室里一樣，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（CO?）、水蒸氣與云（H?O）、甲烷（天然氣CH?）、一氧化二氮（N?O）、臭氧（O?）、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(gè)沒有溫室氣體的地球?qū)⑹鞘裁礃幼訂幔?/p>

如果沒有溫室氣體，我們地球的平均溫度將是零下18℃，而不是今天15℃的平均值。這意味著地球整個(gè)兒被冰雪覆蓋，成為一顆毫無生氣的大雪球。

溫室氣體就像是一張厚厚的、無形的大被子，使地球保持了合適的溫度，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(huì)照射這些氣體分子，使它們振動(dòng)、發(fā)熱，同時(shí)將大部分熱能輻射回地面。

你可能會(huì)問了，干燥的空氣中絕大多數(shù)是氮?dú)夂脱鯕?，其中氮?dú)猓∟?）占78.084％，氧氣（O?）占20.947％，就連稀有氣體氬（Ar）也占到了0.934％，為什么它們不是溫室氣體，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(gè)好問題，下面我們重點(diǎn)談?wù)劄槭裁礈厥覛怏w可以被加熱。

溫室氣體為什么被加熱

在距離地面85公里到600公里高度的高層大氣頂部附近達(dá)到2000°C高溫，被稱為“熱層”。這是因?yàn)椴ㄩL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(zhì)（主要是原子氧）所吸收的緣故。由于這一層的空氣非常稀薄，空氣密度只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(qū)域并不會(huì)感覺到有多熱。

熱層的溫度很高，但與溫室氣體沒多大關(guān)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，盡管這里的空氣密度遠(yuǎn)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將其轉(zhuǎn)化為自身振動(dòng)的能量，將高能紫外線和X射線輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，從而保護(hù)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(gè)以及三個(gè)以上原子組成，單個(gè)原子（比如氬氣）和雙原子（氮?dú)夂脱鯕猓┎皇菧厥覛怏w。這是因?yàn)槿咏M成的氣體分子在被光照射時(shí)，有更復(fù)雜的振動(dòng)模式，因而可以產(chǎn)生更多的熱量。

分子振動(dòng)

空氣中存在極微量的單原子氣體，比如氬、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(huì)因原子振動(dòng)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?dú)猓∟?）和占20.947％的氧氣（O?）是雙原子氣體分子，它們由兩個(gè)原子通過共價(jià)鍵組成穩(wěn)定的分子。其中氮?dú)夥肿佑蓛蓚€(gè)通過強(qiáng)（短）三鍵連接的氮原子（N）緊密組成：

氧氣分子由兩個(gè)通過強(qiáng)（短）雙鍵連接的氧原子（O）組成：

由于氮?dú)夂脱鯕舛际怯蓮?qiáng)鍵連接，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，那些穿過了大氣層的光子能量通常不足以激發(fā)它們振動(dòng)；當(dāng)它們被光子激發(fā)時(shí)，分子僅在軸向上發(fā)生極輕微的線性振動(dòng)，兩個(gè)原子間像是連著一根硬彈簧，它們只是稍稍靠近又稍稍遠(yuǎn)離，因此氮?dú)夂脱鯕饣静粚ν廨椛錈崮埽膊槐徽J(rèn)為是溫室氣體。

擁有3個(gè)或更多原子的分子可以以更復(fù)雜的模式振動(dòng)。單個(gè)分子可以以各種方式振動(dòng)；這些不同運(yùn)動(dòng)中的每一個(gè)被稱為一種振動(dòng)“模式”。二氧化碳（CO?）分子具有三種不同的振動(dòng)模式，如下圖所示：

二氧化碳分子由中心的碳原子（C）與兩個(gè)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?dú)夂脱鯕庀啾?，二氧化碳的原子鍵就像是一根細(xì)彈簧，松弛且柔軟。具有更多（和更復(fù)雜的?。┱駝?dòng)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(fā)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（H?O）分子也具有與二氧化碳相似的振動(dòng)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，它比二氧化碳更復(fù)雜，因此水蒸氣是一種比二氧化碳更強(qiáng)的溫室氣體。

甲烷（CH?）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?xì)浠衔?，其中間是單個(gè)碳原子（C），被四個(gè)相等距離的氫原子（H）包圍，通過弱（長）單鍵連接。

甲烷是一種比二氧化碳更強(qiáng)大的溫室氣體，它的化學(xué)鍵有更多更復(fù)雜的振動(dòng)模式，因此甲烷可以吸收更多的電磁波能量再將其輻射出去。

總結(jié)：

我們的地球從太陽獲取絕大部分的能量，通過分子的振動(dòng)將其轉(zhuǎn)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(dāng)一部分能量被保留在地面附近進(jìn)行熱循環(huán)，這為地球生命的產(chǎn)生和繁衍創(chuàng)造了條件。

單原子和雙原子氣體不成為溫室氣體，這是由其受輻射后的振動(dòng)模式?jīng)Q定的，雙原子氣體如氮?dú)?、氧氣等的鍵合強(qiáng)大，它們不容易受激發(fā)產(chǎn)生振動(dòng)。

二氧化碳、水蒸氣、臭氧和甲烷等氣體由三個(gè)以及三個(gè)以上原子構(gòu)成，它們的化學(xué)鍵長且弱，并且電荷分布不均，在紅外線的激發(fā)下，這些氣體再容易發(fā)生共振現(xiàn)象，分子通過振動(dòng)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。

地球生命受益于溫室氣體，同時(shí)，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(fā)一系列的氣候問題甚至災(zāi)難，這是我們需要密切關(guān)注和加以重視的。