全球变暖对大气组成影响（大气变暖的工作原理）

有大气层的行星比没有大气层的行星更温暖。为了了解大气层如何产生这种效应，我们首先检查了在地球大气层外运行的卫星收集的实验数据。许多气象卫星测量从表面和大气层辐射到太空的能量。此图中显示了一个示例。

图片来源：数据来自R.A.哈内尔等人，J.地球物理学。研究， 1972， 77， 2829-2841

大多数化学家都熟悉分光光度计和使用吸收光谱学在许多波长（包括红外线）上进行样品分析。因此，我们的第一种方法可能是将该图解释为红外吸收光谱，将卫星下方的地球表面作为红外光源，其发射光谱是约320 K（117°F - 正午时分的北非）的黑体。与320 K曲线的偏差，即到达探测器的辐射较少的下降，将归因于大气中气体对红外辐射的吸收。这些被标记以识别红外吸收气体：H2O 在波长范围的末端，这里，CO2吸收在13至17μm（约800至600厘米）之间–1），O3介于 9.5 和 10 μm （1050 到 1000 cm） 之间–1）和 CH4约 7.7 微米 （约 1300 厘米–1).正如我们所知，这些是负责使地球变暖并为生命创造条件的温室气体。

Nimbus 4卫星在地球表面上方约1000公里处运行，获得了该图中的数据。黑色实线图显示了 1970 年 5 月 5 日清晨，当卫星飞越非洲北部尼日尔河谷时，电磁波谱的热红外区域中的辐射到达卫星探测器。在过去的四十年里，许多其他气象卫星也获得了类似的数据。虚线曲线表示在指示的温度下黑体的预期发射。ACS气候科学工具包模块的地球大气应用页面更详细地探讨了它们的相关性。

The O3这是在对流层中，这是最接近地球所有天气发生的地表的大气层。这个 O3由NO的光化学反应产生x、一氧化碳和挥发性有机化合物，包括 CH4.平流层 O3保护表面免受太阳有害紫外线辐射是由O的光化学反应产生的2远高于对流层。

这种基于实验室分光光度计短程红外吸收经验的大气发射数据的解释未能解释来自表面的辐射到达大气顶部必须走很长的路径。例如，即使在工业化前的大气浓度下，CO2基本上吸收了所有667厘米–1地球表面附近的表面辐射。也就是说，这些光子（以及其他被CO吸收的光子）2）从表面发射的从未到达大气层的顶部。在光谱学术语中，吸收是饱和的。那么，在大气层顶部检测到的这些频率下的光子来自哪里呢？

为了了解这种辐射的起源以及大气温室效应的工作原理，我们需要更详细地研究大气对热（红外）辐射的吸收和发射。我们会发现，上面显示的卫星数据是来自地表和大气的温度依赖性排放，它们加起来会产生平衡进入的太阳能的传出发射，并在此过程中提供变暖机制。考虑整体能量平衡中涉及的所有能源转换是复杂的，但可以分为几个一般类别。下图显示了当前的能量平衡（或温室气体浓度增加的不平衡），该图中对此进行了更详细的讨论 大气和行星温度。

图片来源：特伦伯斯，K.E.，法苏洛，J.T.和基尔，J.T.，“地球的全球能源预算”

地球的蓝天是一种不同的长路径大气现象。在短程分光光度法实验中，可见光不会被大气分子明显散射。但是在穿越大气层的长途跋涉中，短波长的蓝色光子比长波长的红色光子散射得更多一些，所以更多的蓝色光子到达表面，我们看到天空是蓝色的。

在接下来的几页中，我们将首先介绍大气变暖效应机制的单层模型，然后是一个多层模型，该模型提供对卫星观测数据的解释。对于理解大气变暖和气候至关重要的是强迫和反馈效应，这是气候敏感性的最重要组成部分，即通过温室气体强迫使行星温度对给定量的辐射强迫的响应。

我们对大气的状态及其能量含量非常感兴趣，因为我们生活在这个空气海洋中，并与许多其他生物共享。然而，地球上有很大一部分生命生活在水海洋中，在储存能量方面比大气的作用要大得多。海洋对气候的影响以及大气中一氧化碳增加的影响2海洋和冰上的行星能量增益是ACS气候科学工具包中海洋，冰和岩石模块的主题之一。