我經(jīng)常被問到，空氣中二氧化碳的濃度如此之低，僅占地球大氣的0.041%，為什么它能對(duì)全球氣候產(chǎn)生重要影響。另外值得一提的是，人類活動(dòng)所排放的二氧化碳只占總數(shù)的32%。我研究大氣中的氣體對(duì)空氣污染和氣候變化的重要性，二氧化碳對(duì)氣候產(chǎn)生強(qiáng)烈影響的關(guān)鍵是它能夠吸收地球表面散發(fā)的熱量，防止它逃逸到太空中。
19世紀(jì)50年代首次發(fā)現(xiàn)二氧化碳對(duì)氣候的重要性的科學(xué)家也對(duì)其影響感到驚訝。英國(guó)的約翰·廷德爾和美國(guó)的尤妮斯·福特分別研究發(fā)現(xiàn)，二氧化碳、水蒸氣和甲烷都能吸收熱量，而其它的氣體則不能?？茖W(xué)家們已經(jīng)計(jì)算出，考慮那些到達(dá)地球表面的陽光總量，地球比應(yīng)有的溫度高出約33攝氏度。對(duì)于這種差異最好的解釋是，大氣層保留了熱量來使地球變暖。廷德爾和福特指出，雖然氮?dú)夂脱鯕饧悠饋碚即髿獾?9%，但它們基本上對(duì)地球的溫度沒有影響，因?yàn)樗鼈儾晃諢崃俊Ｏ喾?，他們發(fā)現(xiàn)：濃度小得多的二氧化碳通過吸收熱量產(chǎn)生自然的溫室效應(yīng)，使地球維持適宜居住的溫度。
地球不斷地接收太陽的能量，并將其輻射回太空。為了使自己的溫度保持不變，地球從太陽吸收的熱量必須與它散發(fā)出的熱量相平衡。由于太陽很熱，它主要以紫外線和可見光的形式發(fā)出能量。地球要涼爽得多，所以它通過波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外線釋放熱量。二氧化碳和其它吸熱氣體具有分子結(jié)構(gòu)，使它們能夠吸收紅外線。 分子中原子之間的鍵可以以特定的方式振動(dòng)，當(dāng)光子的能量與分子的頻率相對(duì)應(yīng)時(shí)，它就被吸收并將能量轉(zhuǎn)移到分子上。大多數(shù)來自太陽的短波輻射通過大氣層時(shí)不會(huì)被吸收，但是大部分的紅外線都被大氣中的吸熱氣體吸收了。 然后，它們會(huì)再釋放這些熱量，有些就被送到地球表面，使地球變得更加溫暖。
在冷戰(zhàn)期間，人們廣泛研究了許多不同氣體對(duì)紅外線的吸收。這項(xiàng)工作是由美國(guó)空軍領(lǐng)導(dǎo)的，他們當(dāng)時(shí)正在開發(fā)熱導(dǎo)導(dǎo)彈，需要了解如何探測(cè)空氣中的熱量。這項(xiàng)研究使科學(xué)家能夠通過觀測(cè)太陽系所有行星的紅外特征來了解它們的氣候和大氣成分。例如，金星的溫度約為470攝氏度，因?yàn)槠浜窈竦拇髿鈱雍?6.5%的二氧化碳。
人們有時(shí)會(huì)問我：水蒸氣能夠吸收更多的紅外輻射，而且和二氧化碳吸收的紅外線的波長(zhǎng)是相同的，為什么二氧化碳對(duì)氣候這么重要？原因是地球的上層大氣控制著逃逸到太空的熱量。上層大氣的密度要小得多，水蒸氣的含量也少得多，這意味著二氧化碳對(duì)逃逸到太空的紅外輻射的影響更大。
二氧化碳的影響可以從過去的氣候變化中看出來。數(shù)據(jù)顯示，在暖期，二氧化碳的濃度很高，約為0.028%。而在冰河時(shí)期，當(dāng)時(shí)的地球溫度比20世紀(jì)低4-7攝氏度，二氧化碳只占大氣的0.018%。
大氣中少量的二氧化碳會(huì)產(chǎn)生巨大的影響，這不足為奇。我們服用的藥物只占我們身體質(zhì)量的很小一部分，我們也期望它們會(huì)影響我們。如今，二氧化碳的含量比人類歷史上任何時(shí)候都高?？茖W(xué)家們普遍認(rèn)為，自19世紀(jì)80年代以來，地表平均溫度已經(jīng)上升了1攝氏度，而人類排放的二氧化碳和其它吸熱氣體極有可能是罪魁禍?zhǔn)?。如果不采取行?dòng)控制排放，到2100年，二氧化碳可能會(huì)達(dá)到大氣的0.1%，是工業(yè)革命前水平的三倍多，這將給地球的氣候帶來巨大的影響。
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