温室效应的原理

温室效应，又称“花房效应”，是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表受热后向外放出的大量长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温度增高，因其作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。

自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，其引发了一系列问题已引起了世界各国的关注。

定义

温室效应是指透射阳光的密闭空间由于与外界缺乏热对流而形成的保温效应，即太阳短波辐射可以透过大气射入地面，而地面增暖后放出的长波辐射却被大气中的二氧化碳等物质所吸收，从而产生大气变暖的效应。大气中的二氧化碳就像一层厚厚的玻璃，使地球变成了一个大暖房。

如果没有大气，地表平均温度就会下降到-23℃，而实际地表平均温度为15℃，这就是说温室效应使地表温度提高38℃。大气中的二氧化碳浓度增加，阻止地球热量的散失，使地球发生可感觉到的气温升高，这就是有名的“温室效应”。

原理

世界上，宇宙中任何物体都辐射电磁波。物体温度越高，辐射的波长越短。太阳表面温度约6000K，它发射的电磁波长很短，称为太阳短波辐射（其中包括从紫到红的可见光）。地面在接受太阳短波辐射而增温的同时，也时时刻刻向外辐射电磁波而冷却。地球发射的电磁波长因为温度较低而较长，称为地面长波辐射。

短波辐射和长波辐射在经过地球大气时的遭遇是不同的：大气对太阳短波辐射几乎是透明的，却强烈吸收地面长波辐射。大气在吸收地面长波辐射的同时，它自己也向外辐射波长更长的长波辐射（因为大气的温度比地面更低）。

其中向下到达地面的部分称为逆辐射。地面接受逆辐射后就会升温，或者说大气对地面起到了保温作用。这就是大气温室效应的原理。

温室气体

大气中每种气体并不是都能强烈吸收地面长波辐射。地球大气中起温室作用的气体称为温室气体，主要有二氧化碳（CO2）、甲烷、臭氧、一氧化二氮、氟利昂以及水汽等。它们几乎吸收地面发出的所有的长波辐射，其中只有一个很窄的区段吸收很少，因此称为"窗区"。

地球主要正是通过这个窗区把从太阳获得的热量中的70%又以长波辐射形式返还宇宙空间，从而维持地面温度不变，温室效应主要是因为人类活动增加了温室气体的数量和品种，使这个70%的数值下降，留下的余热使地球变暖的。

不过，CO2等温室气体虽然吸收地面长波辐射的能力很强，但它们在大气中的数量却极少。如果把压力为一个大气压、温度为0℃的大气状态称为标准状态，那么把地球整个大气层压缩到这个标准状态，它的厚度是8000米。

大气中CO2的含量是355ppm，即百万分之355，把它换算成标准状态，将是2.8米厚。在8000米厚的大气中就占这2.8米厚这一点点。甲烷含量是1.7ppm，相应是1.4厘米厚。臭氧浓度是400ppb（ppb为ppm的千分之一），换算后只有3毫米厚。

一氧化二氮是310ppb，2.5毫米厚。氟里昂有许多种，但大气中含量最多的氟里昂12也只有400ppt（ppt又为ppb的千分之一），换算到标准状态只有3微米。由此可见大气中温室气体之少。也正因为如此，所以人为释放如不加限制，便很容易引起全球迅速变暖。

早在1938年，英国气象学家卡林达在分析了19世纪末世界各地零星的CO2观测资料后，就指出当时CO2浓度已比世纪初上升了6%。由于他还发现从上世纪末到本世纪中叶全球也存在变暖倾向，因而在世界上引起了很大反响。

为此，美国斯克里普斯海洋研究所的凯林于1958年在夏威夷的冒纳罗亚山海拔3400米的地方建立起了观测所，开始了大气中CO2含量的精密观测。由于夏威夷岛位于北太平洋中部。，因而可以认为它不受陆地大气污染影响，观测结果有可靠性。

1958年4月到1991年6月，人们对冒纳罗亚山大气中CO2的浓度进行了观测，发现1958年大气中CO2含量不过315ppm左右，而1991年已经达到了355ppm。问题的严重性还在于，1996年人类每年燃烧55亿吨化石燃料（每吨约产生4吨CO2）中，大约只有一半进入了大气，其余一半主要被海洋和陆地植物所吸收。

一旦海洋中CO2达到饱和，大气中CO2含量将成倍上升。此外，他们还发现CO2含量还有季节变化，冬夏可以相差6ppm。这主要是由于北半球广阔大陆上植被冬枯夏荣的结果，也就是植物在夏季大量吸收CO2因而使大气中CO2浓度相对降低。

根据对南极和格陵兰大陆冰盖中密封的气泡中空气的CO2浓度测定，过去长期以来大气中CO2含量一直比较稳定，大体是280ppm左右。只是从18世纪中叶，即工业革命前后开始稳定上升。即人类用了240年时间，使大气中CO2浓度从280ppm上升到355ppm。

甲烷是仅次于CO2的重要温室气体。它在大气中的浓度虽比CO2少得多，但增长率则大得多。据联合国政府间气候变化委员会（IPCC）1996年发表的第二次气候变化评估报告（《报告》），从1750-1990年共240年间CO2增加了30%，而同期甲烷却增加了145%。甲烷也称沼气，是缺氧条件下有机物腐烂时产生的。例如水田，堆肥和畜粪等都会产生沼气。

一氧化二氮又称笑气，因为吸入一定浓度的这种气体后会引起面部肌肉痉挛，看上去像在发笑一样。主要是使用化肥，燃烧化石燃料和生物体所产生。大气中的臭氧含量，在平流层中虽有减少，但在对流层中是增加的，这在后面还要专门谈到。

氟里昂气体是氯、氟和碳的化合物；自然界里本不存在，完全是人类制造出来的。由于它的融点和沸点都比较低，不燃，不爆，无臭，无害，稳定性极好，因此广泛用来制造制冷剂、发泡剂和清洁剂等。

地球大气中浓度最高的氟里昂12和氟里昂11含量虽都极少，但过去增长率却很高，都是年增5%。由于它剧烈破坏大气臭氧层，根据1987年国际《蒙特利尔议定书》它在大气中的浓度从21世纪初开始可望逐渐减少。

应当说明，CO2以外的其他温室气体在大气中的浓度虽比CO2小得多，有的要小好几个量级，但它们的温室效应作用却比CO2强得多。因此它们对大气温室效应的贡献，根据IPCC第二次《报告》，都只比CO2低一个量级。如果说它们对地球大气温室效应的总贡献和CO2相比，在1960年以前还是很小的话，那么不久的将来便会和CO2并驾齐驱以至超过CO2，这是不可忽视的。

2018年4月2日，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员首次直接证明了甲烷导致地球表面温室效应不断增加。