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人們經(jīng)常會問，二氧化碳的濃度僅占地球大氣的0.041%，它如何對全球氣候產生重要影響？此外，人類活動產生的二氧化碳也只占其中的32%。研究顯示，二氧化碳對氣候產生巨大影響的關鍵在于，它能夠吸收地球表面散發(fā)的熱量，并阻止其逃逸到太空中。
19世紀50年代，當科學家**次發(fā)現(xiàn)二氧化碳對氣候的重要性時，就對它的影響力感到驚訝。英國的John Tyndall和美國的Eunice Foote分別發(fā)現(xiàn)，二氧化碳、水蒸氣和甲烷均能吸收熱量，其他氣體則不能。當考慮到達地球表面的太陽輻射量時，科學家計算出地球已經(jīng)比它應有的溫度高出33℃。對這種差異的解釋是，大氣保留了熱量，使得地球變暖了。
Tyndall和Foote研究表明，大氣中99%的氣體是氮氣和氧氣，但它們并不吸收熱量，對地球溫度基本沒有影響。而大氣中濃度較小的氣體與地球溫度的維持密切相關。這些氣體能通過捕獲熱量創(chuàng)造了一種自然的溫室效應，使得地球宜于居住。
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地球不斷地接收到來自太陽的能量，并將它們輻射回太空。為了使溫度保持恒定，地球從太陽接收到的凈熱量必須和它散發(fā)出去的熱量相平衡。由于太陽是熱的，它主要以短波輻射的形式散發(fā)能量，主要是紫外線和可見光。而地球冷得多，所以它以紅外輻射的形式釋放熱量，而紅外線的波長也更長。
二氧化碳和其他吸熱氣體的分子結構，使它們能夠吸收紅外輻射。分子中原子間的鍵能以特定的方式振動。當光子的能量和分子震動的頻率相對應時，能量會被吸收并轉移到分子上。二氧化碳和其他吸熱的氣體中含有三個或者更多的原子，能與地球發(fā)出的紅外輻射的頻率相對應。而氧和氮分子中只有兩個原子，不會吸收紅外輻射。
大部分來自于太陽的短波輻射在通過大氣層時，不會被吸收，但是大部分從地球散發(fā)出去的紅外輻射則會被大氣層中的二氧化碳等氣體吸收。隨后，這些氣體可以釋放或者重新輻射熱量，其中一些熱量會地球表面，使地表變得更溫暖。
科學家通過觀察太陽系中所有行星的紅外信號，來了解它們的氣候和大氣組成。例如，金星的溫度為470℃，因為它厚厚的大氣層中含有96.5%的二氧化碳。此外，通過量化大氣中保留并返回地球表面的紅外輻射，科學家還能為天氣預報和氣候模型提供了信息。
人們有時會問，既然水蒸氣吸收了更多的紅外線輻射，而且水蒸氣和二氧化碳兩種氣體吸收的波長相同，那么為什么二氧化碳會對氣候能產生如此重要的影響呢？究其原因在于，地球上層大氣控制著逃逸到太空的輻射。上層大氣的密度要比地面低得多，其中含有的水蒸氣也要比地面附近少得多。這就意味著，二氧化碳的增加會顯著影響到有多少紅外輻射逃逸到太空中。
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你有沒有注意到，即使在夜間沙漠和森林的平均溫度相同，但沙漠往往比森林要冷？這是由于沙漠上空的大氣沒有太多的水蒸氣，它們釋放出的輻射很容易逃逸到太空。在較潮濕的地區(qū)，地球表面輻射的熱量會被空氣中的水蒸氣捕獲。同樣，由于空氣中有更多的水蒸氣，多云的夜晚也會比晴朗的夜晚更溫暖。
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從過去的氣候變化中，我們可以看出二氧化碳的影響。100萬年前的冰巖顯示，在溫暖期，地球上的二氧化碳濃度很高，約為0.028%。但在冰川時期，地球溫度要比20世紀低4到7℃，而此時二氧化碳只占大氣總量的0.018%。
盡管水蒸氣對自然溫室效應更為重要，但大氣中二氧化碳的變化已經(jīng)推動了過去溫度的改變。而大氣中的水蒸汽含量會受溫度影響。隨著地球變暖，大氣層可以容納更多的水蒸氣，這會放大了初始的升溫過程，這個過程被稱為“水蒸氣反饋”。因此，二氧化碳的變化一直是過去氣候變化的關鍵因素。
大氣中少量的二氧化碳就能產生巨大的影響，這不足為奇。就像我們服用的藥物只占我們體重的一小部分，但我們希望它們能影響我們的身體。今天的二氧化碳水平比人類歷史上任何時候都要高。科學家們普遍認為，自19世紀80年代以來，地球表面的平均溫度已經(jīng)上升了約1℃，而人為增加的二氧化碳和其他吸熱氣體極有可能是導致這一現(xiàn)象的主要原因。
如果人類還不采取行動控制二氧化碳的排放，到2100年，大氣中的二氧化碳占比可能會達到0.1%，是工業(yè)革命前水平的三倍多。這種改變將給地球帶來巨大的后果，且比地球以往的轉變更加迅速。如果不采取行動，這一小片大氣層就會造成大問題。
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