不只有二氧化碳是温室气体对吗,为什么地球大气层有二氧化碳

引子

最近一些天，全球许多地方刷新高温历史极值，没有空调的德国人每天在高温炙烤下艰难度日，欧洲铁路系统因铁轨受热变形不得不调整一些线路的运营，将速度从，英国人甚至在铁轨上刷白色油漆以最大程度地反射太阳光，然而这一切都无济于事。

铁轨在高温下膨胀变形扭曲

《自然》杂志七月发表文章称：在全球超过98%的地区，最近一个世纪的气候变䁔现象是过去两千年以来无与伦比的，而今年夏天的气温更是创下了本世纪来的新高。世界气象组织证实，全球刚刚度过了有历史记录以来最热的6月。科学家们纷纷将矛头指向了工业革命以来世界各国向地球大气层超量排放的温室气体，其中就包括二氧化碳。

地球的能量平衡

我们的地球总体上维持着能量的平衡，这是指任一时刻地球从太阳接收到的能量与地球向太空中散发的所有能量互相抵消。但从整个地球历史的角度看，地球从太阳接收的能量在缓慢增加，这是因为太阳比它诞生的时候更亮更热，有更多的光子携带着能量辐射地球。

地球的热能传递简图

学过物理的朋友应该能回忆起热传递的三种方式：辐射、对流、传导。

太阳通过阳光辐射方式将能量输送到地球；其中一部分能量直接辐射到地面，另一部分用来加热地球的大气，还有一些被反射到太空；太阳的热能在地面会发生热传导，大气的导热性能很差，它是流动的，所以大气会发生热对流，它使我们感到有风。同样，地面也同时向外辐射热能，一部分热能用于加热空气，推动大气对流，一部分在大气与地面之间循环。最终，地面的热能被带到高空，重新辐射到太空中去。

在大气层的顶部，来自太阳的入射能量与来自地球的输出能量平衡

从上面这张能量传递的量化图中我们可以看出：在大气层的顶部，来自太阳对地球的入射能量与来自地球向太空的输出能量是总体平衡的，都是100。但在大气层下方，能量交换的总值要高于太阳输入值，它的平衡点是145，这意味着地面比大气层上方的能量更高。为什么出现这种情况？

这是地球大气层被加热，热的空气保留住了一部分能量，这部分热能在大气层内部循环，就像是在温室里一样，这些被加热的空气我们称之为温室气体。

温室气体

温室气体

地球上的温室气体主要是指二氧化碳（CO₂）、水蒸气与云（H₂O）、甲烷（天然气CH₄）、一氧化二氮（N₂O）、臭氧（O₃）、氯氟烃（CFCs）和极微量的氢氟碳化合物等等。

温室气体是怎样影响地球温度的？你能想象一个没有温室气体的地球将是什么样子吗？

如果没有温室气体，我们地球的平均温度将是零下18℃，而不是今天15℃的平均值。这意味着地球整个儿被冰雪覆盖，成为一颗毫无生气的大雪球。

冰雪地球

温室气体就像是一张厚厚的、无形的大被子，使地球保持了合适的温度，万物的生长全都得益于温室气体的保温作用。无论是太阳辐射到地球的光线，还是地球向外辐射的红外线，它们都会照射这些气体分子，使它们振动、发热，同时将大部分热能辐射回地面。

二氧化碳造成的温室效应

你可能会问了，干燥的空气中绝大多数是氮气和氧气，其中氮气（N₂）占78.084％，氧气（O₂）占20.947％，就连稀有气体氩（Ar）也占到了0.934％，为什么它们不是温室气体，偏偏大气含量仅有0.035％的二氧化碳能被加热、成为主要的温室气体呢？

这是一个好问题，下面我们重点谈谈为什么温室气体可以被加热。

温室气体为什么被加热

在距离地面85公里到600公里高度的高层大气顶部附近达到2000°C高温，被称为“热层”。这是因为波长小于0.175μm的太阳紫外辐射以及X射线辐射都被该层中的大气物质（主要是原子氧）所吸收的缘故。由于这一层的空气非常稀薄，空气密度只有地面密度的百亿分之一甚至千亿分之一，即便气体粒子温度很高，我们在这一区域并不会感觉到有多热。

大气分层及温度变化

热层的温度很高，但与温室气体没多大关系，它是由太阳辐射能量电离大气粒子造成的。大气层的中间层非常寒冷，尽管这里的空气密度远高于热层，但缺乏温室气体。

平流层上方有丰富的臭氧，它分吸收太阳高能辐射并将其转化为自身振动的能量，将高能紫外线和X射线辐射能转化为热能，从而保护了地面的生灵。

你也许注意到了，所谓的温室气体分子多是以三个以及三个以上原子组成，单个原子（比如氩气）和双原子（氮气和氧气）不是温室气体。这是因为三原子组成的气体分子在被光照射时，有更复杂的振动模式，因而可以产生更多的热量。

分子振动

空气中存在极微量的单原子气体，比如氩、氖等惰性稀有气体，在高层大气，还有被电离的氧、氢等，这些气体在极高能量的X射线、极紫外线等等照射下会因原子振动加剧而对外辐射能量。但这些气体极其稀薄，不能被称为温室气体。

占大气78.084％的氮气（N₂）和占20.947％的氧气（O₂）是双原子气体分子，它们由两个原子通过共价键组成稳定的分子。其中氮气分子由两个通过强（短）三键连接的氮原子（N）紧密组成：

氮气分子的三键连接

氧气分子由两个通过强（短）双键连接的氧原子（O）组成：

氧气分子的双键连接

由于氮气和氧气都是由强键连接，其结构稳定，那些穿过了大气层的光子能量通常不足以激发它们振动；当它们被光子激发时，分子仅在轴向上发生极轻微的线性振动，两个原子间像是连着一根硬弹簧，它们只是稍稍靠近又稍稍远离，因此氮气和氧气基本不对外辐射热能，也不被认为是温室气体。

拥有3个或更多原子的分子可以以更复杂的模式振动。单个分子可以以各种方式振动；这些不同运动中的每一个被称为一种振动“模式”。二氧化碳（CO₂）分子具有三种不同的振动模式，如下图所示：

二氧化碳分子的三种振动模式

二氧化碳分子由中心的碳原子（C）与两个具有弱（长）双键的氧原子（O）连接组成，分子中的电荷非对称分布，与氮气和氧气相比，二氧化碳的原子键就像是一根细弹簧，松弛且柔软。具有更多（和更复杂的！）振动模式的分子更可能与通过的电磁辐射波相互作用，这就是二氧化碳吸收和发射红外（IR）辐射的原因，而氮和氧分子却没有。这种吸收红外波的能力使二氧化碳成为温室气体。

水蒸气（H₂O）分子也具有与二氧化碳相似的振动模式，使其与通过的IR波相互作用。不同的是水分子是一种极性分子，它比二氧化碳更复杂，因此水蒸气是一种比二氧化碳更强的温室气体。

甲烷（CH₄）是在地球大气层中少量存在的气体，又被称为天然气。甲烷分子是最简单的碳氢化合物，其中间是单个碳原子（C），被四个相等距离的氢原子（H）包围，通过弱（长）单键连接。

甲烷的分子结构

甲烷是一种比二氧化碳更强大的温室气体，它的化学键有更多更复杂的振动模式，因此甲烷可以吸收更多的电磁波能量再将其辐射出去。

总结：

我们的地球从太阳获取绝大部分的能量，通过分子的振动将其转化为热能辐射出来。从宏观角度，地球吸收和对外辐射的能量是相等的。

由于地球大气层中有温室气体，有相当一部分能量被保留在地面附近进行热循环，这为地球生命的产生和繁衍创造了条件。

单原子和双原子气体不成为温室气体，这是由其受辐射后的振动模式决定的，双原子气体如氮气、氧气等的键合强大，它们不容易受激发产生振动。

二氧化碳、水蒸气、臭氧和甲烷等气体由三个以及三个以上原子构成，它们的化学键长且弱，并且电荷分布不均，在红外线的激发下，这些气体再容易发生共振现象，分子通过振动又向外辐射热能，使得这些气体可以更有效地保存和传递热量。

二氧化碳是温室气体

地球生命受益于温室气体，同时，过量的温室气体可以使地球表面的温度过快上升，从而引发一系列的气候问题甚至灾难，这是我们需要密切关注和加以重视的。