全球变暖的原因

“毫无疑问，全球气候变化正在发生;唯一有争议的是人类在其中扮演了什么角色。

——大卫·艾登堡全球变暖问题已经说了很多年，那么我们的气候真的变暖了吗？如果答案是肯定的，我们如何才能确定人类活动是否在其中发挥了重要的作用呢?让我们先来做以下假设:我们以前从未听说过全球变暖问题在此之前，我们从来没有听到过其他人的观点，包括政治的、科学的或其他方面实际上，我们最关心的两个问题是:地球是否正在变暖，如果是的话，人类是否是导致地球变暖的原因。

首先说下，全文5800+字。

让我们好好利用这段阅读时间，利用目前科学所知道的一切对这两个问题做出最正确的分析。

我们开始吧!是什么决定了行星温度这是太阳，我们太阳系的主宰，是绝大多数能量的来源，这些能量不仅使地球风和日丽，而且使太阳系所有行星的温度都保持在在几开尔文以上。

(文中我将用开尔文来表示温度，但会把摄氏度和华氏温标放在括号里;大概是-270°C / -455°f)在白天，地球从太阳吸收能量，但在晚上又把能量辐射回太空。

这就是为什么白天温度升高，晚上温度降低的原因，这对于太阳系中每一个既有白天又有黑夜的行星来说都是如此。

我们还根据行星轨道的椭圆程度和轴向倾角来预测季节——冷季和暖季。

但如果这是唯一决定行星温度的因素，那么离太阳最近的行星温度最高，随着离太阳越来越远，行星的温度将逐渐降低。

那么我们可以从太阳系最内层的行星开始，往外看，来检验一下我们这个猜测。

水星的温度很高!它是离太阳最近的行星，绕太阳运行仅88个地球日，在其最热的部分温度达到700开尔文(427°C / 800°F)。

水星自转非常缓慢，所以它夜晚的一侧将在黑夜里度过很长的时间;在这段时间里，温度会降到100开尔文(- 173°C / - 280°F)，这个温度比地球上任何已知的自然温度都要冷得多。

这就是离太阳最近的行星——水星的温度故事。

下一个要登场的是:金星！金星离太阳的平均距离是水星的两倍，绕太阳公转需要225个地球日。

它的自转速度也极其缓慢，一面在阳光下将连续度过100多个地球日，然后另一面在黑夜中度过同样长的时间。

无论白天或黑夜金星的平均温度都是735开尔文(462°C / 863°F)，甚至比水星还要热。

这个温度让我们感到惊讶，这个世界到底发生了什么？通过比较金星和水星，有四个非常明显的区别：水星比金星小得多，金星离太阳的距离是水星的两倍，水星的反照率比金星低得多水星没有大气层，而金星有非常厚的大气层。

首先，大小并不重要。

如果水星的体积是金星的两倍，或者金星的体积是水星的一半，两者的温度都不会有明显的变化，因为接收到的阳光与行星表面积的比例将保持不变。

然而，金星离太阳的距离是水星的两倍这一事实很重要。

任何离太阳两倍远的物体，每单位面积只能接收到四分之一的太阳能，这意味着水星表面每一部分接收到的能量应该是金星表面接收能量的四倍。

然而，金星的温度仍然最高，这告诉我们另外两个不同点可能发生了一些重要的事情。

任何物体反射或吸收的方式被称为反照率，反照率来自拉丁语albus，意思是白色。

反照率为0的物体是完美的吸收体，反照率为1的物体是完美的反射体。

实际上，所有物理对象的反照率都在0到1之间。

我们对月亮很熟悉，在我们看来，月亮的反照率貌似很高，白天和晚上都是白色的。

其实是不对的!月球的平均反照率只有0.12，这意味着射向月球的光线只有12%会被反射，另外88%被吸收。

物体的反照率越低，吸收光线的能力就越强，这意味着反照率越高，实际吸收的阳光就越少。

(这里用的是邦德反照率，适用于地球科学或行星科学。

)水星的反照率与月球相似，而金星的反照率是太阳系所有行星中最高的。

现在让我们回顾一下:尽管金星和水星的大小不同，但这并不重要;水星每单位面积所吸收的能量是金星的四倍;金星的反照率又高，那么水星吸收了近90%的阳光，而金星只吸收了10%的阳光。

然而，即使在夜晚金星总是比水星上的任何地方都要热。

那么我们现在考虑下第四个因素?水星没有大气层，而金星有非常厚的大气层。

水星和金星不只是吸收来自太阳的光，这些行星会把能量以热量的形式辐射回太空。

对于水星来说，所有的热量都会立即回到太空，但是对于金星呢?辐射想穿过厚厚的大气层相当困难。

事实证明，厚厚的大气像是给金星盖了一层被子一样。

进入金星的热量会在金星上停留很长一段时间。

这些热量足以把整个夜晚的温度加热到与白天相同的温度，这使得金星始终是太阳系中最热的行星。

那么我们从中学到了什么？金星厚厚的大气层无疑是金星比水星热的原因。

就像金星的大气层那样，地球也有大气层可以捕捉热量。

我们知道地球的大气层很薄，而且没有金星那么强的保温效果。

尽管影响的程度有很大的不同，但是影响温度的原理和机制是相同的。

那么地球和金星的前三个数据相比呢：地球的大小和金星差不多，直径只比金星大5%，大小于温度无关。

地球离太阳的距离是水星的三倍，比金星远50%，这意味着地球每单位面积的辐射量只有水星的九分之一，比金星的一半还少。

地球的反照率比较复杂和不一致，因为地球覆盖着一个可变的云层，季节变化(绿色大陆和棕色大陆有不同的反照率)，冰盖和积雪的覆盖随着时间而变化等等因素。

地球的反照率平均约为0.30，下面有一个图表，展示了地球从一个地方到另一个地方、从一个季节到另一个季节反照率是如何变化的。

尽管地球的反照率很复杂，但我们现在已经可以向太空中发射人造卫星，所以很容易追踪和监控并且模拟地球表面反照率的情况。

如果我们想知道地球的温度是多少，为什么会有这样的温度，以及人类做了什么而改变了地球的温度，那么我们必须了解第四点:地球的大气层。

首先需要从行星大气层擅长捕获的能量来源太阳开始。

用一个屡试不爽的比喻来说，太阳热得像地狱。

我们可以假设地狱的表面温度接近6000开尔文!像几乎所有的辐射一样，这种辐射具有一种非常特殊的能量分布，称为(近似地)黑体分布。

(由于太阳大气的影响，在非常高的波长下会有一些额外的辐射。

)这确保了来自太阳的绝大多数光在光谱的紫外、可见和红外部分达到峰值。

这就是地球将要接收的能量。

在水星或月球这样没有空气的星球上，能量会百分之百到达星球表面。

在一个像地球这样有云的世界里，很大一部分热量会在到达地表之前被反射回太空。

但最特殊的例子还是金星。

在金星上，大约90%太阳光被反射回太空，只有10%被吸收。

现在，问题来了:金星就像所有行星一样，然后继续将吸收的能量重新辐射回太空!因为金星的温度较低(和其他行星一样)，所以它的辐射方式和太阳一样:符合黑体辐射。

但是金星辐射的波长具有到更低的能量、更低的频率和更长的波长。

“问题”在于，金星大气层中的许多气体，这些气体很容易让太阳的光线穿透，对于金星表面发出的长波辐射来说是确是不透明的!金星的大气不仅有吸收气体，而且由多层厚厚的吸收云组成。

那么，在整体能量方面会发生什么呢?太阳释放能量，金星吸收一部分能量，当它再次辐射到太空时，很大一部分能量被大气吸收并重新辐射到地表。

然后地球表面再次辐射出能量，再一次，大气吸收了大部分能量，并将其重新辐射到地球表面。

这个过程一直在继续。

金星的大气层越厚，特别是，金星表面辐射的红外线不透光的大气层成分越厚，金星上的能量(以热的形式)在行星上停留的时间越长。

这就是金星如此炙热的原因!这是在金星表面拍摄的唯一一张着陆器照片:金星13号着陆器，它在离太阳第二颗炙热的行星上存活了127分钟。

它的妹妹金星14只幸存了57分钟。

因为金星表面的温度足以在几秒钟内将铅等金属融化，所以探测器还算坚强。

现在，回到金星的大气层，它的厚度令人震惊，包含的分子数量是地球大气的100倍，而金星大气含有96.5%的二氧化碳。

剩下的大部分是氮，还有一些微量的其他分子，包括一些我们熟悉的并且在地球上最喜欢的分子——H₂O。

其中最主要的是二氧化碳和水蒸气，这是因为它们对红外线具有显著的吸收特性。

下面是二氧化碳的红外吸收光谱:而水蒸气的吸收光谱看起来是这样的：水蒸气在金星上的重要性只有上图的四分之一，但是二氧化碳，你准备好了吗？比上图显示的强25万倍。

换句话说，金星大气中的二氧化碳主要负责阻止金星的热量重新辐射回太空，并将其封存很长时间。

下图是金星的二氧化碳相对于金星表面吸收辐射热量的对比。

如果金星根本没有大气层，如果它像水星一样，只是一个吸收了大部分阳光然后将其辐射回太空的球体，那么金星的温度将会是340开尔文(67°C / 153°F)，这对我们来说也很热，但是没有什么特别的，因为金星毕竟离太阳近嘛！金星大气层的作用就像厚厚的、巨大的绝缘毯;金星表面通过和毯子一样的机制让金星保持一定的高温，这个过程就是：毯子吸收金星自身的热量并将其重新辐射到金星表面。

在冬天睡觉时，毯子越厚越暖和，毯子越多保暖效果越好。

有了足够的毯子，把自己加热到远高于正常体温的温度并不难；但是可不敢捂上火了!地球的大气层比金星稀薄，但仍然像一张毯子一样。

如果地球没有大气层，如果我们的星球像月球或水星一样，地球的温度将是255开尔文(-18°C / 0°F)，远低于冰点。

幸好有云层、水蒸气、甲烷和二氧化碳等气体使我们的世界温度比正常情况下高33°C(59°F)。

这个现象是约瑟夫·傅里叶(Joseph Fourier)在近两个世纪前首次发现的，于1896年由斯万特·奥古斯特·阿伦尼乌斯(bySvante Arrheniusin)详细研究得出了温室效应。

(还记得我们高中化学中关于酸和碱的知识吗?就是那个斯万特·奥古斯特·阿伦尼乌斯。

）所有这些:水蒸气、甲烷、二氧化碳每一种吸收红外线的气体，都会像毯子一样覆盖在地球上。

当我们从地球的大气层中添加(或去除)更多的这些气体时，就像是地球所覆盖的毯子变厚(或变薄)一样，这也是阿伦尼乌斯在100多年前发现的。

这就是全球变暖的动力，温室效应，以及为什么有大气层的行星总体上比没有大气层的行星温度更高的原因。

到目前为止，应该没有人对温室效应有任何的争议:地球接收阳光，反射部分阳光，吸收剩余的阳光，然后再辐射出去，辐射的热量取决于地球的大气层，这些热量可以以不同的效率被捕获，从而使地球变暖。

那么地球的大气层是由什么构成的呢?人类活动对地球大气以及全球温度的影响大部分是氮气，占干燥大气的78%，其次是氧气，占21%。

还有1%的氩是惰性气体，其次是少量的二氧化碳、氖(另一种惰性气体)、甲烷和其他微量元素和分子。

我在这里说“干燥的大气”很重要，因为，我们的大气从来没有真正干燥过。

地球上海水的质量大约是地球大气质量总和的300倍。

由于化学原理(蒸发、蒸气压等)的作用，平均会给大气增加约1%的水蒸气。

这个数字是可变的，我们无法控制。

我们还无法控制云层、氧气或臭氧。

但是在过去的几个世纪里，大气中的二氧化碳含量发生了巨大的变化，这个毫无疑问，是由人类活动造成的。

直到18世纪末，我们大气中的二氧化碳含量一直稳定在百万分之270-280(ppm)左右，由于火山爆发、森林火灾和其他自然活动等原因，二氧化碳含量会发生少量变化。

但随着工业革命的到来，一切都发生了改变。

在自然历史上首次，储存在地表下的碳，石油和其他资源的碳基生物的残余物，被我们人类大量燃烧，排放回到大气中。

我们自己可以算一下，会发现自从工业革命开始以来，我们已经燃烧并向大气中排放了大约1.5万亿公吨的二氧化碳。

这数字应该有点令人惊讶，因为如果再计算一下现在大气中二氧化碳的含量，我们会发现“只有”大约2.1万亿公吨(或400 ppm)，比工业革命前的水平(270 ppm)只增加了约0.7万亿公吨。

那么，另外0.8万亿吨去了哪里?你可能已经想到了，消失的CO₂进入了海洋。

当我们把二氧化碳(CO2)和水(H2O)混合时会得到什么吗?得到H₂CO₃，也就是碳酸。

如果你之前听说过海洋酸化，毫无疑问，这就是导致海洋酸化的原因。

这不是问题的关键;目前的问题是全球变暖。

根据我们刚刚讲过的知识，我们知道行星表面吸收的光主要是紫外线、可见光和近红外线，然后把这些能量以中红外线和远红外辐射回太空。

除非大气中的某些物质吸收了部分红外线能量，并将其重新辐射回地球表面。

地球上的气体能做到吗?只能说还算可以，地球上的大气足以让地球比没有大气层的情况下升温33°C(前文已经说过)。

事实上，在33℃中，大气科学已经能够量化到多少是由不同的组成部分造成的:33℃的温室效应中有50%是由水蒸气造成的，约25%是由云造成的，20%是由二氧化碳造成的，其余5%是由其他不可凝结的温室气体造成的，如臭氧、甲烷、一氧化二氮等。

如果我们过滤水蒸气的影响，这就是不同气体的再辐射对地球热量的贡献。

那么，如果我们的星球有20%的温室效应是由二氧化碳造成的，而我们将二氧化碳水平提高了50%，这是否意味着我们又将面临3.3°C(5.9°F)的升温?也许吧，但不一定。

还有其他因素在起作用，当地球温度升高时，地球会有许多自然机制试图自我调节。

如果冰川和冰盖开始融化，就会向海洋、湖泊和河流中释放出温度更低的水。

对于二氧化碳的少量增加，植物活动将会增加，从大气中去除一些温室气体。

危险在于，如果我们过快地向大气中添加过多的二氧化碳，这可能意味着地球的温度会随着温室效应的增加而开始升高。

这正是我们目前所看到的情况。

上图中直到20世纪70年代末，我们看到的是正常的温度波动，与历史上所观察到的一致。

但在那之后，随着二氧化碳浓度呈指数级增长，地球的平均温度也开始迅速上升。

这种增长一直持续到了今天，从来没有间断。

其他显示全球平均气温随时间变化的方法，例如计算每十年的全球平均气温变化，也显示出自上世纪70年代末以来全球气温在稳定的增长。

因此，毫无疑问，地球已经变暖了，而且根据我们最好最准确的测量，地球似乎还在变暖。

事实上，相反的情况正在发生，当前的太阳活动周期显示出太阳活动的大幅减少，如果其他条件相同，这应该会导致行星的冷却效应。

但是我们地球依然再升温。

根据我们对行星科学、地球大气层、人类活动以及我们所观察到的情况，全球变暖不是太阳，不是火山，也不是我们所知道的任何自然现象造成的，更多的因素指向了我们人类。

我们现在知道全球变暖是真实存在的，也已经了解是由人类活动引起的，人类应该思考如何解决这个问题。

我希望人类能够在这个世界上幸福地、成功地生活几千代人，而这一切都要从我们人类的实际行动开始！

根据从地质记录、冰芯样本和其他来源收集到的数据，地球的气候一直处于变化状态。

然而，自17世纪后期工业革命开始以来，世界气候一直在以前所未有的快速变化。

据美国宇航局（NASA）称，自1880年以来，全球平均气温上升了1.4华氏度（0.8摄氏度）。

据美国环境保护署（EPA）预测，未来100年气温将再上升2度至11.5华氏度（1.13摄氏度至6.42摄氏度）。

一些人将全球变暖混为一谈，认为全球变暖是持续的、日益变暖的。

当全球温度升高时，它可能不会在单个位置转化为更高的温度。

“全球变暖很重要，因为它在规模上是如此持久和全球性，而且它带来了更极端的事件，如热浪——而不是因为它使每个地方都温暖。

”大气科学家亚当·索贝尔（AdamSobel）说，他是《风暴浪涌：飓风桑迪，我们的气候变化，以及过去和未来的极端天气》一书的作者。

图注：飓风桑迪中的海上船只除了热浪之外，全球气温的升高也对环境产生了巨大影响，如极地冰盖融化、海平面上升和助长危险和恶劣天气模式。

了解全球变暖的根本原因，是遏制全球变暖影响的第一步。

温室效应地球气候是太阳传入能量和辐射到太空的能量之间的平衡的结果。

据美国宇航局地球观测站称，来袭的太阳辐射以可见光的形式撞击地球大气层，加上紫外线和红外辐射（人眼看不见）。

紫外线 （UV） 辐射的能量水平高于可见光，红外 （IR） 辐射的能量水平较低。

太阳的一些传入辐射被大气、海洋和地球表面吸收。

图注：太阳的不同种类辐射的波长及对应的颜色动态图然而，大部分被反射到太空作为低能红外辐射。

为了保持地球温度的稳定，太阳辐射的传入量应大致等于离开大气层的红外辐射量。

根据美国宇航局的卫星测量，大气层辐射的热红外能相当于进入太阳能的59%。

然而，随着地球大气的变化，离开大气层的红外辐射量也会发生变化。

据美国宇航局地球观测站称，自工业革命以来，煤、石油和汽油等石化燃料的燃烧大大增加了大气中的二氧化碳（CO2）含量。

在工业革命之前，在暖冰期，大气中二氧化碳的浓度徘徊在百万分之280（ppm）左右。

美国宇航局的图表显示了自那时以来这种温室气体的快速增长：2013 年，二氧化碳首次达到 400 ppm。

2017年4月，浓度在有记录以来首次达到410ppm。

斯克里普斯海洋学研究所CO2小组的负责人当时写道，除非温室气体排放大幅下降，否则到2035年，这一水平预计将达到450ppm。

图注：自工业革命以来，煤、石油和汽油等石化燃料的燃烧大大增加了大气中的二氧化碳（CO2）含量。

与其他气体如甲烷和一氧化二氮一样，二氧化碳就像毯子一样，吸收红外辐射并防止其离开大气层。

净效应导致地球大气和表面的逐渐升温。

这被称为"温室效应"，因为温室中也有类似的过程：相对较高的高能紫外线和可见辐射穿透温室的玻璃墙和屋顶，但较弱的红外线不能穿过玻璃。

即使在最寒冷的冬季，被困的红外线也能使温室保持温暖。

图注：左图：自然产生的温室气体——二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）——通常吸收太阳的一些热量，防止地球冻结。

右：人类活动，如燃烧化石燃料，正在增加温室气体水平，导致温室效应增强。

其结果是全球变暖和前所未有的气候变化速度。

温室气体据美国宇航局称，地球大气中有几种被称为"温室气体"的气体，因为它们加剧了温室效应：二氧化碳（CO2）、甲烷、一氧化二氮、水蒸气和臭氧是其中最普遍的。

图注：温室气体并非所有温室气体都是相同的：有些温室气体，如甲烷，是通过农业做法产生的，包括牲畜粪便管理。

其他的，如二氧化碳，主要是由呼吸等自然过程和化石燃料的燃烧造成的。

此外，这些温室气体对温室效应的贡献并不相同：例如，根据美国环境保护署（EPA）的数据，甲烷在吸收二氧化碳热量方面比二氧化碳有效约20倍。

这种吸热能力的差异有时被称为气体的"全球变暖潜能值"或GWP。

二氧化碳是大气中最常见的温室气体。

根据美国环保署的数据，2012年，二氧化碳约占美国温室气体排放的82%。

"我们正在以高速度燃烧化石燃料，将越来越多的二氧化碳投入大气中。

这导致气候变暖加剧，这与很久以前的推测完全一样。

这一点毫无疑问，"匹兹堡大学地质与环境科学教授约瑟夫·沃恩告诉我们。

图注：燃烧石化燃料，导致温室气体增加。

甲烷（CH4）是第二大最常见的温室气体。

根据美国环保署的数据，2012年甲烷占美国温室气体排放的9%左右。

采矿、天然气的使用、垃圾填埋场和牲畜的大规模饲养是甲烷释放到大气中的一些方式。

根据美国环保署（EPA）的数据，人类对大气中60%的甲烷负有责任。

氯氟烃（CFCs）是用作制冷剂和推进剂的化学品，是另一种主要的人类来源的温室气体。

氟氯化碳的使用在20世纪90年代被淘汰，因为发现氟氯化碳会侵蚀臭氧层，臭氧是一个由三个氧原子组成的分子，它保护地球表面免受紫外线辐射。

据NOAA称，臭氧层的空洞依然存在，大气中一些持久的氟氯化碳也依然存在，但氟氯化碳是一个成功的故事。

它们在大气中的水平现在要么稳定，要么下降。

图注：地球上空的臭氧孔洞。

根据美国环保署的数据，2015年，电力生产（其中60%由化石燃料燃烧产生）占当年温室气体排放的最大份额（29%）。

其次是交通，占2015年温室气体排放的27%；工业（21%）；企业和家庭（12%）；农业（9%）。

环保署说，由于树木在光合作用消耗二氧化碳，"管理森林和其他土地从大气中吸收的二氧化碳比它们排放的多，"抵消了2015年温室气体排放的11.8%。

自然原因与人类原因地球历史上的气候变化包括冰河时代、变暖期和几个世纪以来气候的其他波动。

其中一些历史变化可归因于太阳辐射撞击地球量的变化。

例如，据美国宇航局称，太阳活动的减少被认为是造成"小冰河时代"的异常寒冷的气候，从大约1650年一直持续到1850年。

然而，据美国国家海洋和大气管理局（NOAA）称，没有证据表明太阳辐射的任何增加可能是导致全球气温稳步上升的原因。

美国国家海洋和大气管理局（NOAA）称，这些温度正在稳步上升。

图注：油画，1650年一直持续到1850年“小冰河时代”的欧洲。

换句话说，自然原因不能对全球变暖负责。

"关于这一点没有科学上的争论，"大气管理局（NOAA）。

事实上，几乎来自全世界的每一个可信的科学研究来源都表明，人类原因，主要是化石燃料的燃烧和随后大气中二氧化碳含量的增加，是造成全球变暖的原因。

超过197个国际组织同意这一点。

这些组织包括美国医学协会、政府间气候变化专门委员会、美国科学促进协会、澳大利亚生态学会、美国化学学会、伦敦地质学会、美国地球物理联盟、国际北极科学委员会、美国气象学会、美国物理学会和美国地质学会。

老实说，人为气候变化不是科学辩论，是政治/经济辩论，小编认为相关的问题不是"是否有人为引起的气候变化？" 我们应该关注的问题是，如果有的话，我们应该如何处理人类引起的气候变化？