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溫室氣體有哪些（地球溫室氣體的作用原理）引子

最近一些天，全球許多地方刷新高溫歷史極值，沒(méi)有空調(diào)的德國(guó)人每天在高溫炙烤下艱難度日，歐洲鐵路系統(tǒng)因鐵軌受熱變形不得不調(diào)整一些線路的運(yùn)營(yíng)，將速度從，英國(guó)人甚至在鐵軌上刷白色油漆以最大程度地反射太陽(yáng)光，然而這一切都無(wú)濟(jì)于事。

鐵軌在高溫下膨脹變形扭曲

《自然》雜志七月發(fā)表文章稱：在全球超過(guò)98%的地區(qū)voc氣體檢測(cè)儀，最近一個(gè)世紀(jì)的氣候變?現(xiàn)象是過(guò)去兩千年以來(lái)無(wú)與倫比的，而今年夏天的氣溫更是創(chuàng)下了本世紀(jì)來(lái)的新高。世界氣象組織證實(shí)，全球剛剛度過(guò)了有歷史記錄以來(lái)最熱的6月?？茖W(xué)家們紛紛將矛頭指向了工業(yè)革命以來(lái)世界各國(guó)向地球大氣層超量排放的溫室氣體，其中就包括二氧化碳。

地球的能量平衡

我們的地球總體上維持著能量的平衡，這是指任一時(shí)刻地球從太陽(yáng)接收到的能量與地球向太空中散發(fā)的所有能量互相抵消。但從整個(gè)地球歷史的角度看，地球從太陽(yáng)接收的能量在緩慢增加，這是因?yàn)樘?yáng)比它誕生的時(shí)候更亮更熱，有更多的光子攜帶著能量輻射地球。

地球的熱能傳遞簡(jiǎn)圖

學(xué)過(guò)物理的朋友應(yīng)該能回憶起熱傳遞的三種方式：輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)。

太陽(yáng)通過(guò)陽(yáng)光輻射方式將能量輸送到地球；其中一部分能量直接輻射到地面，另一部分用來(lái)加熱地球的大氣溫室氣體有哪些，還有一些被反射到太空；太陽(yáng)的熱能在地面會(huì)發(fā)生熱傳導(dǎo)，大氣的導(dǎo)熱性能很差，它是流動(dòng)的，所以大氣會(huì)發(fā)生熱對(duì)流乙炔報(bào)警器，它使我們感到有風(fēng)。同樣，地面也同時(shí)向外輻射熱能，一部分熱能用于加熱空氣，推動(dòng)大氣對(duì)流，一部分在大氣與地面之間循環(huán)。最終，地面的熱能被帶到高空，重新輻射到太空中去。

在大氣層的頂部汽油檢測(cè)儀，來(lái)自太陽(yáng)的入射能量與來(lái)自地球的輸出能量平衡

從上面這張能量傳遞的量化圖中我們可以看出：在大氣層的頂部，來(lái)自太陽(yáng)對(duì)地球的入射能量與來(lái)自地球向太空的輸出能量是總體平衡的，都是100。但在大氣層下方，能量交換的總值要高于太陽(yáng)輸入值，它的平衡點(diǎn)是145，這意味著地面比大氣層上方的能量更高。為什么出現(xiàn)這種情況？

這是地球大氣層被加熱，熱的空氣保留住了一部分能量，這部分熱能在大氣層內(nèi)部循環(huán)，就像是在溫室里一樣，這些被加熱的空氣我們稱之為溫室氣體。

溫室氣體

溫室氣體

地球上的溫室氣體主要是指二氧化碳（CO?）、水蒸氣與云（H?O）、甲烷（天然氣CH?）、一氧化二氮（N?O）、臭氧（O?）、氯氟烴（CFCs）和極微量的氫氟碳化合物等等。

溫室氣體是怎樣影響地球溫度的？你能想象一個(gè)沒(méi)有溫室氣體的地球?qū)⑹鞘裁礃幼訂幔?/p>

如果沒(méi)有溫室氣體，我們地球的平均溫度將是零下18℃，而不是今天15℃的平均值。這意味著地球整個(gè)兒被冰雪覆蓋，成為一顆毫無(wú)生氣的大雪球。

冰雪地球

溫室氣體就像是一張厚厚的、無(wú)形的大被子，使地球保持了合適的溫度，萬(wàn)物的生長(zhǎng)全都得益于溫室氣體的保溫作用。無(wú)論是太陽(yáng)輻射到地球的光線，還是地球向外輻射的紅外線溫室氣體有哪些，它們都會(huì)照射這些氣體分子，使它們振動(dòng)、發(fā)熱，同時(shí)將大部分熱能輻射回地面。

二氧化碳造成的溫室效應(yīng)

你可能會(huì)問(wèn)了，干燥的空氣中絕大多數(shù)是氮?dú)夂脱鯕?strong>溫室氣體有哪些，其中氮?dú)猓∟?）占78.084％，氧氣（O?）占20.947％，就連稀有氣體氬（Ar）也占到了0.934％溫室氣體有哪些，為什么它們不是溫室氣體，偏偏大氣含量?jī)H有0.035％的二氧化碳能被加熱、成為主要的溫室氣體呢？

這是一個(gè)好問(wèn)題，下面我們重點(diǎn)談?wù)劄槭裁礈厥覛怏w可以被加熱。

溫室氣體為什么被加熱

在距離地面85公里到600公里高度的高層大氣頂部附近達(dá)到2000°C高溫，被稱為“熱層”。這是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)小于0.175μm的太陽(yáng)紫外輻射以及X射線輻射都被該層中的大氣物質(zhì)（主要是原子氧）所吸收的緣故。由于這一層的空氣非常稀薄，空氣密度只有地面密度的百億分之一甚至千億分之一，即便氣體粒子溫度很高，我們?cè)谶@一區(qū)域并不會(huì)感覺(jué)到有多熱。

大氣分層及溫度變化

熱層的溫度很高，但與溫室氣體沒(méi)多大關(guān)系，它是由太陽(yáng)輻射能量電離大氣粒子造成的。大氣層的中間層非常寒冷溫室氣體有哪些，盡管這里的空氣密度遠(yuǎn)高于熱層，但缺乏溫室氣體。

平流層上方有豐富的臭氧，它分吸收太陽(yáng)高能輻射并將其轉(zhuǎn)化為自身振動(dòng)的能量，將高能紫外線和X射線輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，從而保護(hù)了地面的生靈。

你也許注意到了，所謂的溫室氣體分子多是以三個(gè)以及三個(gè)以上原子組成，單個(gè)原子（比如氬氣）和雙原子（氮?dú)夂脱鯕猓┎皇菧厥覛怏w。這是因?yàn)槿咏M成的氣體分子在被光照射時(shí)，有更復(fù)雜的振動(dòng)模式，因而可以產(chǎn)生更多的熱量。

分子振動(dòng)

空氣中存在極微量的單原子氣體，比如氬、氖等惰性稀有氣體，在高層大氣，還有被電離的氧、氫等，這些氣體在極高能量的X射線、極紫外線等等照射下會(huì)因原子振動(dòng)加劇而對(duì)外輻射能量。但這些氣體極其稀薄，不能被稱為溫室氣體。

占大氣78.084％的氮?dú)猓∟?）和占20.947％的氧氣（O?）是雙原子氣體分子，它們由兩個(gè)原子通過(guò)共價(jià)鍵組成穩(wěn)定的分子。其中氮?dú)夥肿佑蓛蓚€(gè)通過(guò)強(qiáng)（短）三鍵連接的氮原子（N）緊密組成：

氮?dú)夥肿拥娜I連接

氧氣分子由兩個(gè)通過(guò)強(qiáng)（短）雙鍵連接的氧原子（O）組成：

氧氣分子的雙鍵連接

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