温室效应

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温室效应的原理图

温室效应英语:Greenhouse effect)是指行星大气层因为吸收辐射能量,使得行星表面升温的效应。由于温室效应,行星表面温度会比没有大气层时的温度要高[1][2]。以往认为其机制类似温室使其中气温上升的机制,故名为“温室效应”。不少研究指出,人为因素使地球上的温室效应异常加剧,而造成全球暖化的效应。

太阳辐射主要是短波辐射,而地面辐射和大气辐射则是长波辐射。大气对长波辐射的吸收力较强,对短波辐射的吸收力较弱。白天时,太阳光照射到地球上,部分能量被大气吸收,部分被反射回宇宙,大约47%的能量被地球表面吸收。晚上地球表面以红外线的方式向宇宙散发白天吸收的热量,其中也有部分被大气吸收。

大气层像覆盖玻璃的温室一样,保存了一定的热量,使得地球不至于像没有大气层的月球一样,被太阳照射时温度急剧升高,不受太阳照射时温度急剧下降。一些理论认为,由于温室气体的增加,使地球整体所保留的热能增加,导致全球暖化

如果没有温室效应,地球就会冷得不适合人类居住。据估计,如果没有大气层,地球表面平均温度会是−18℃[3]。正是有了温室效应,使地球平均温度维持在15℃,然而当下过多的温室气体导致地球平均温度高于15℃。

目前,人类活动使大气中温室气体含量增加,由于燃烧化石燃料水蒸气二氧化碳甲烷等产生排放的气体,经红外线辐射吸收留住能量,导致全球表面温度升高[4],加剧温室效应,造成全球暖化。为了解决此问题,联合国制定了气候变化框架公约,控制温室气体的排放量,防止地球的温度上升,影响生态和环境。

历史[编辑]

约瑟夫·傅里叶在1824年就提出有温室气体存在的想法,1827年时克劳德·普雷特英语Claude Pouillet也加强了此论点,并在1838年提出相关的证据,1859年时约翰·廷德尔英语John Tyndall也用实验数据验证[5]。1896年时斯凡特·奥古斯特·阿伦尼乌斯也确认了此一效应[6] 。不过这些科学家都没有用“温室效应”来描述此一现象,一直到1901年尼尔斯·古斯塔夫·埃科赫姆英语Nils Gustaf Ekholm才开始使用此一名词[7][8]

1917年时亚历山大·格拉汉姆·贝尔提到“(未检测到的化石燃料燃烧)会造成类似温室的效应”[9][10]。因此贝尔也倡导其他的替代能源,例如太阳能[11]

机制[编辑]

地球会吸收太阳释放的电磁波辐射如紫外线可见光以及近红外线。在大气层上端可接收到的所有辐射能中,大气和云会反射26%的能量到太空中,而大气和云本身会吸收19%的能量。大部分剩下的能量都是由地球表面吸收,因为地表的温度比太阳要冷很多,因此其释放的远红外线波长也比太阳释放的电磁波波长要长很多。大部分的热辐射是由大气吸收,大气温度会因此提高,大气除了吸收太阳释放的电磁波以及地球的热辐射外,大气也会由地面的显热和潜热通量接收到能量。大气会往上方及下方辐射能量,部分往下方辐射的能量是由地表吸收,因此地表温度会较没有大气时的地表温度要高。

在大气层上方及海平面上太阳辐射频谱的差异

一个理想热传导性的黑体若位在地球的位置,接收到太阳辐射的热量,其温度大约会是5.3 °C。不过因为地球反射掉约30%的太阳辐射能量[12][13],其理想有效温度(使黑体辐射热量和其吸收热量相同的温度)应该是−18 °C[14][15]。上述假想星球的表面温度(−18 °C)较地球的平均表面温度14 °C低了约33度[16]

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英语sensible heat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英语diurnal cycle、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。昼夜温度变化英语Diurnal temperature variation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[17]。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[17]。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[15]

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[编辑]

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。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 (Illustration NASA, Robert Rohde)[18]

若以对地球温室效应的影响来排名,前四名的气体是[19][20]

因为各气体吸收及释放频谱有重叠,实务上很难去界定各气体对温室效应的贡献程度。非气体也可能会造成温室效应,其中最主要的是英语Cloud forcing,云也会吸收及释放红外线辐射,因此对大气中的辐射特性也有一定影响[20]

对气候变迁的影响[编辑]

莫纳罗亚火山天文台英语Mauna Loa Observatory量测到的基林曲线英语Keeling Curve,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(或人为英语human impact on the environment)温室效应[21]。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[22]。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。”[23]

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[24]。莫纳罗亚火山天文台量测到的CO2浓度已由1960年的313ppm[25]到2010年的389 ppm。在2013年5月9日已到达400 ppm的里程碑[26]。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)[27]。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。

在过去的八十万年之间[28],冰核心数据中的二氧化碳纪录最低值有到180 ppm,在工业革命前到270 ppm[29]古气候学认为二氧化碳的变化是在这个时间尺度下造成气候变异的主要因素[30][31]

真正的温室[编辑]

现代的温室

温室效应取名自受太阳照射而暖和的温室。许多来源的解释提到温室中较高的温度是因为太阳的紫外线、可见光及红外线透过玻璃照到温室内,由温室中的地板及内容物吸收,因为温度较高,因此会发射波长较长的红外线。玻璃及温室中用的其他材料无法让红外线穿透,因此红外线无法透过辐射转移离开温室。而温室是密闭空间,因此也无法透过对流传热的方式将热传递到界,温室内的室温因此而提高[32][33]。温室效应是因为会吸收红外线的温室气体(例如二氧化碳及甲烷)其作用和温室中的玻璃相近。而且地球也没有够多的空气离开地球,因此也不会进行对流传热。

不过地球的温室效应和温室中使室温变高的效应是不同的,温室不是因为温室效应才使室温变高[34]。 温室室温升高的原因主要是让阳光照射到温室中,而室内无法经过对流将热传到外界。温室效应让地球变热的原因是因为温室气体吸收辐射能,使大气变温暖,再将其中的部分能量再发射回地面。

温室会以可以让阳光通过的材料制造,多半是塑胶或是玻璃,其中室温提高的原因是因为阳光温暖温室内的地面及内容物,再间接的使室温提高。因为温室内是密闭空间,因此空气温度会继续上升,和室外热空气会上升,和冷空气混合的情形不同。若将温室的一个小窗户打开,室内温度会快速下降。罗伯特·伍德曾在1909年进行实验,用石盐(红外线可以穿透的材质)作为温室的材料,若温室的玻璃无法让红外线通过是因温室室温升高的原因,用石盐作的温室应该无此效果,不过其室温和玻璃作的温室类似[35]。因此温室的原理是因为阻止室内空气和室外对流,因此使得室温变高[36][37]

许多现在的量化研究指出温室中避免红外线辐射传热的效果虽不是温室原理的主因,但其传热也有一定的量。在温室效率的经济考量上仍有一定的影响。有研究在温室内部中贴上对红外线高反射系数的幕,研究近红外线的辐射,发现热量的需求减少了8%,研究也建议用染料涂在透明的表面上[38]

其他星球的温室效应[编辑]

太阳系中,火星金星也有温室效应。金星的大气主要成分是二氧化碳,因此温室效应问题相当的明显[39]土卫六的大气会吸收太阳辐射,但不会吸收红外线的辐射,因此会有反温室效应,使得其气温下降[40]冥王星大气层温度也比预期的要冷,因为其中氮的蒸发使大气冷却[41]

若温室效应的正反馈造成温室气体全部蒸发进入大气中,称为失控温室效应[42]。像金星就认为曾经出过有因为二氧化碳及水蒸气造成的失控温室效应[43]

参见[编辑]

参考文献[编辑]

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延伸阅读[编辑]

  • Businger, Joost Alois; Fleagle, Robert Guthrie. An introduction to atmospheric physics. International geophysics series 2nd. San Diego: Academic. 1980. ISBN 0-12-260355-9. 
  • Henderson-Sellers, Ann; McGuffie, Kendal. A climate modelling primer 3rd. New York: Wiley. 2005. ISBN 0-470-85750-1. 
  • Schelling, Thomas C. Greenhouse Effect. (编) David R. Henderson (ed.). Concise Encyclopedia of Economics 1st. Library of Economics and Liberty. 2002.  OCLC 317650570

外部链接[编辑]