二氧化碳如何成為地球的溫室氣體

為什么二氧化碳被人們稱為溫室氣體呢？二氧化碳是一種紅外活性分子，它能吸收地球表面釋放的長紅外輻射。1856年夏季，科學家尤妮斯·福特試圖找出影響太陽光熱量的因素，她的實驗結論顯示，在陽光照射下，富含碳酸氣體（現在被稱為二氧化碳）的封閉環境比在普通空氣環境中升溫更快，當遠離陽光直射時，它的冷卻速度要慢很多。

尤妮斯在論文中指出，富含二氧化碳的大氣層會給地球帶來高溫，假設在地球歷史上的某個時期，空氣中混入二氧化碳的比例比現在更大，將出現高溫氣候。但由于該論文并未發表，該研究結論在當時并未引起太多關注，但現在伴隨著全球氣候趨暖，人們開始更加關注二氧化碳氣體效應，顯然當前正如尤妮斯在19世紀50年代所預測的那樣，人類正在面對一個不太愉快的高溫未來。

除非人類能在地下環境生活十幾年，否則你肯定知道二氧化碳是一種導致全球氣候轉暖的溫室氣體，雖然從技術上講，全球氣候轉暖是由于人類活動所導致的。但是，當空氣中其他主要成分不是溫室氣體時，二氧化碳有什么“資格”成為溫室氣體呢？讓我們來了解一下，二氧化碳氣體如何使蘇打水產生氣泡，以及如何導致冰川崩潰……

溫室氣體簡史

地球平均每天從太陽接收到大約10億焦耳的能量，賦予生命的陽光是由紫外線、可見光和紅外線混合而成的。

在所有光線到達地球表面之前，我們的大氣層就像一個55000萬億噸的氣體毯漂浮在人類頭頂上，在臭氧層的幫助下過濾了99%的紫外線。然后大氣層能讓可見光照射進來，照亮地球，最終紅外線能使地球變暖，使處于寒冷狀態中的生命獲得熱量。

照射地球表面的紅外線被不同物體吸收，然后以熱量的形式輻射出去，反射的熱量試圖從天空中被加熱區域轉移至較冷區域，這時它們面臨著熱量的“控制者”——溫室氣體。

像二氧化碳、水蒸氣、氮氧化物、甲烷和含氯氟烴等氣體，能夠阻止熱量完全逸入太空，如果沒有它們，地球將會是一個平均溫度低于零下18℃的冰凍星球。

什么因素使二氧化碳成為溫室氣體？

在該情況下，當我們說紅外線或者紅外輻射時，通常指的是地球表面反射的紅外射線，而不是與太陽光線一起進入地球大氣層的紅外射線。

空氣的主要成分，例如：氮氣和氧氣，對紅外輻射是“透明”的，這意味著這些氣體不與紅外輻射相互作用。然而，二氧化碳氣體具有紅外活性，它會與紅外輻射發生一些化學反應，從而阻止二氧化碳離開地球（雖然不是全部）。那么這些分子干擾紅外射線的路徑時會發生什么呢？為此，我們需要放大單個氣體分子。

即使在常溫常壓條件下，氣體分子也處于恒定振動狀態，當受到外部能量的沖擊時，這些運動會變得更加劇烈。現在人們可以想象一下二氧化碳分子的碳原子和氧原子是乒乓球，連接它們的鍵是彈簧。在正常情況下，這些化學鍵會以特定頻率彎曲和拉伸，并在大氣中懸浮。

當紅外輻射光子撞擊氣體分子時，氣體分子會吸收光子然后被激活，并開始以更快的速度振動。然而，該氣體分子不能保持長時間較快運動，必須放松恢復至原始狀態，它通過將能量釋放至空氣，或者轉移至附近的二氧化碳分子來實現。

同樣的現象在數萬億個二氧化碳分子中一次次重復發生，能量的持續吸收、激活和再釋放是氣體分子捕獲熱量的根本原因。

為什么氮氣和氧氣不是溫室氣體呢？

在每個分子中，由于原子核和電子云的相互作用，它們都擁有正負電荷，當二氧化碳、甲烷或者二氧化氮等雜核分子發生振動時，它們的電荷分布會發生變化。有時它們是均勻分布的，但有時不是。化學鍵之間電荷的不均勻分布會產生電場，使它們對電磁輻射（例如：紅外輻射）非常敏感。

然而，在像氮氣和氧氣這樣的雜核氣體中，即使化學鍵被拉伸，電場也不會發生變化，因此，電磁輻射會不受阻礙地通過它們。此外，當涉及與輻射相互作用的頻率時，氣體分子是非常挑剔的。二氧化碳容易吸收較低能量的長波紅外輻射，而氮氣和氧氣僅吸收較高能量的輻射，例如：伽馬或者X射線。

二氧化碳是最危險的溫室氣體嗎？

單個含氯氟烴分子所產生的碳足跡相當于1萬個二氧化碳分子，甲烷可以吸收30倍以上的熱量，而水蒸氣是空氣中所有溫室氣體中吸收熱量最強的。

盡管水蒸氣比二氧化碳吸收熱量更多，但它們的濃度并沒有受到人類活動的顯著影響。二氧化碳就完全不一樣，因為它是人為活動的主要副產品，自20世紀70年代以來，二氧化碳排放量增大了90%。因此，雖然二氧化碳本身不是最危險的溫室氣體，但由于它向大氣中不受管制地過度排放，現已成為人們關注的焦點。

結論

二氧化碳是維持地球具有生命適宜性的一個非常重要的因素，它可以使水保持液態，使人類家園適宜居住，但由于過度排放造成的失衡，夏季氣溫逐年遞增。幸運的是，大自然以土壤、森林和海洋的形式為我們提供了巨大的碳沉積，我們至少能保護和修復地球，提供較好的生命適宜環境。