二氧化碳為何對氣候的影響如此巨大？

研究顯示，二氧化碳對氣候產生巨大影響的關鍵在於，它能夠吸收地球表面散發的熱量，並阻止其逃逸到太空中。

軌道碳觀測衛星能精確測量地球空氣中的二氧化碳。圖片來源：NASA

撰文：Jason West

譯者：曾欣欣

審校：黃薇

人們經常會問，二氧化碳的濃度僅佔地球大氣的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佔其中的32%。研究顯示，二氧化碳對氣候產生巨大影響的關鍵在於，它能夠吸收地球表面散發的熱量，並阻止其逃逸到太空中。

19世紀50年代，當科學家首次發現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分別發現，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比它應有的溫度高出33℃。對這種差異最好的解釋是，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，但它們並不吸收熱量，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造了一種自然的溫室效應，使得地球宜於居住。

地球不斷地接收到來自太陽的能量，並將它們輻射回太空。為了使溫度保持恆定，地球從太陽接收到的淨熱量必須和它散發出去的熱量相平衡。由於太陽是熱的，它主要以短波輻射的形式散發能量，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。

電磁波譜。圖片來源：NASA

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，能量會被吸收並轉移到分子上。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。

大部分來自於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。隨後，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並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，那麼為什麼二氧化碳會對氣候能產生如此重要的影響呢？究其原因在於，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。

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？這是由於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。在較潮溼的地區，地球表面輻射的熱量會被空氣中的水蒸氣捕獲。同樣，由於空氣中有更多的水蒸氣，多雲的夜晚也會比晴朗的夜晚更溫暖。

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℃，而此時二氧化碳只佔大氣總量的0.018%。

圖片來源：NASA

儘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佔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象的主要原因。

如果人類還不採取行動控制二氧化碳的排放，到2100年，大氣中的二氧化碳佔比可能會達到0.1%，是工業革命前水平的三倍多。這種改變將給地球帶來巨大的後果，且比地球以往的轉變更加迅速。如果不採取行動，這一小片大氣層就會造成大問題。