温室气体有哪些？地球温室气体的作用原理

什么是温室气体（地球温室气体的作用）介绍

最近几天，世界多地刷新了历史上的极端高温。没有空调的德国人每天都在高温下苦苦挣扎。由于铁轨的热变形，欧洲铁路系统不得不调整部分线路的运行。英国人甚至在铁轨上涂上白色油漆以最大限度地反射阳光，但这一切都没有帮助。

钢轨在高温下膨胀、变形和扭曲

7月份发表在《自然》杂志上的一篇文章说：在全球98%以上的地区，近百年来的气候变化是近两千年来无人能及的，今年夏天的气温创本世纪新高世界气象组织证实，世界刚刚经历了有记录以来最热的六月。自工业革命以来，科学家们将矛头指向了世界各国向地球大气中过度排放的温室气体，包括二氧化碳。

地球的能量平衡

我们的星球通常保持能量平衡，这意味着地球在任何时候从太阳接收的能量抵消了地球释放到太空中的所有能量。但在地球的历史进程中，地球从太阳接收的能量一直在缓慢增加，因为太阳比它诞生时更亮更热，更多的光子携带能量辐射到地球。

地球传热示意图

学过物理的朋友应该能回忆起三种传热方式：辐射、对流和传导。

太阳通过阳光辐射将能量传递给地球；一部分能量直接辐射到地面，另一部分用来加热地球大气，还有一部分反射到太空中；太阳的热量会在地面上进行热传导，而大气的导热性较差，是流体，所以大气中有热对流，让我们感觉有风。同样，地面也向外辐射热能，一部分用来加热空气，促进大气对流，一部分在大气和地面之间循环。最终，地面上的热能被带到高空并重新辐射到太空中。

在大气层顶部，来自太阳的能量与来自地球的能量平衡

从上面对能量传递的量化可以看出，在大气层顶部，从太阳到地球的传入能量和从地球到太空的输出能量总体上是平衡的，都是100。但低于大气中，能量交换的总价值高于太阳输入，其平衡点为145，这意味着地面比大气上方的能量多。为什么会这样？

这是地球大气层的加热。热空气保留了一部分能量。这部分热能在大气中循环，就像在温室中一样。这些加热的空气被称为温室气体。

温室气体

温室气体

地球上的温室气体主要是指二氧化碳（CO₂）、水蒸气和云层（H₂O）、甲烷（天然气CH₄）、一氧化二氮（N₂O）、臭氧（O₃）、氯氟烃（CFCs）和极痕量HFCs等的数量。

温室气体如何影响地球温度？你能想象没有温室气体的地球会是什么样子吗？

如果没有温室气体，我们星球的平均温度将是负 18°C，而不是今天的平均 15°C。这意味着整个地球都被冰雪覆盖，成为一个没有生命的大雪球。

雪地

温室气体就像一层厚厚的隐形被子，将地球保持在合适的温度，万物的生长得益于温室气体的绝缘作用。无论是太阳光线照射地球，还是地球向外辐射的红外线，它们都会撞击这些气体分子，使它们发生振动、升温，并将大部分热量散发回地面。

二氧化碳引起的温室效应

你可能会问，绝大多数干燥空气是氮气和氧气，其中氮气（N₂）占78.084%，氧气（O₂）占20.947% , 连稀有气体氩气（Ar）占0.934%，为什么它们不是温室气体，但大气中二氧化碳含量只有0.035%，却能加热成为主要温室煤气？

这是一个很好的问题，让我们关注温室气体为什么会被加热。

为什么要加热温室气体

在距地面 85 公里至 600 公里的高度，被称为“热层”的高层大气顶部附近达到 2000°C 的高温。这是因为太阳紫外线辐射和波长小于 0.175 μm 的 X 射线辐射都被该层中的大气物质（主要是原子氧）吸收。因为这一层的空气很稀薄，而空气的密度只有地面密度的十亿分之一甚至千亿分之一，即使气体粒子非常热，我们在这层也感觉不到多少热量。地区。

大气分层和温度变化

热层很热，但与温室气体几乎没有关系，温室气体是由太阳辐射能量使大气粒子电离造成的。大气层的中间层非常冷，虽然这里的空气比热层要稠密得多，但它缺乏温室气体。

平流层上方有丰富的臭氧，它吸收太阳的高能辐射并将其转化为自身振动的能量，并将高能紫外线和X射线辐射的能量转化为热能，从而保护地面上的生命。

您可能已经注意到，所谓的温室气体分子大多由三个或更多原子组成。单个原子（如氩）和硅藻（氮和氧）不是温室气体。这是因为由三个原子组成的气体分子在光照射下具有更复杂的振动模式，会产生更多的热量。

分子振动

空气中有极少量的单原子气体，如氩气、氖气等稀有稀有气体，而在高层大气中，还有电离的氧、氢等，这些气体暴露在极高-能量X射线、极紫外线等。在照射下，由于原子振动的加剧，能量会向外辐射。但这些气体非常稀有，不能称为温室气体。

78.084% 的大气氮 (N2) 和 20.947% 的氧 (O2) 是双原子气体分子，它们由通过共价键稳定的两个原子分子组成。其中氮分子由两个通过强（短）三键连接的氮原子（N）紧密组成：

氮分子的三键

氧分子由两个通过强（短）双键连接的氧原子 (O) 组成：

氧分子的双键

由于氮和氧都通过强键连接，结构稳定，那些穿过大气层的光子通常强度不足以激发它们振动；当它们被光子激发时，分子只在轴向上轻微振动 线性振动，就像一个坚硬的弹簧附在两个原子上，它们只是稍微靠近一点，远离一点，所以氮气和氧气基本不辐射热能，而不被视为温室气体。

具有 3 个或更多原子的分子可以以更复杂的模式振动。单个分子可以以多种方式振动；这些不同的运动中的每一个都称为振动“模式”。二氧化碳（CO₂）分子具有三种不同的振动模式，如下图所示：

二氧化碳分子的三种振动模式

二氧化碳分子由一个中心碳原子（C）连接到两个具有弱（长）双键的氧原子（O）组成，分子中的电荷不对称分布。与氮气和氧气相比，二氧化碳原子的关键就像一根细弹簧，松散而柔软。具有更多（和更复杂！）振动模式的分子更有可能与通过的电磁辐射波相互作用，这就是为什么二氧化碳会吸收和发射红外 (IR) 辐射，而氮和氧分子则不会。这种吸收红外线的能力使二氧化碳成为温室气体。

水蒸气 (H₂O) 分子也具有类似于二氧化碳的振动模式，使它们能够与通过的红外波相互作用。不同的是，水分子是极性分子，比二氧化碳更复杂，所以水蒸气是比二氧化碳更强的温室气体。

甲烷 (CH4) 是一种少量存在于地球大气中的气体，也称为天然气。甲烷分子是最简单的碳氢化合物，中间有一个碳原子（C），周围有四个等距的氢原子（H），由弱（长）单键连接。

甲烷的分子结构

甲烷是一种比二氧化碳更强大的温室气体。它的化学键具有越来越复杂的振动模式，因此甲烷可以吸收更多的电磁能并将其辐射出去。

总结：

我们的地球大部分能量来自太阳，将其转化为热量并通过分子的振动辐射出去。从宏观上看，地球吸收和辐射的能量是相等的。

由于地球大气中的温室气体，相当一部分能量被保留在地表附近进行热循环，为地球上生命的生产和繁衍创造了条件。

单原子和双原子气体不会变成温室气体，这是由它们受到照射后的振动模式决定的。氮、氧等双原子气体键合性强，不易被激发产生振动。

二氧化碳、水蒸气、臭氧和甲烷等气体由三个或更多原子组成。它们的化学键长而弱，电荷分布不均匀。在红外线的激发下，这些气体容易产生共振现象。分子振动并向外辐射热能，从而使这些气体更有效地保留和传递热量。

二氧化碳是一种温室气体

地球上的生命受益于温室气体。同时，过量的温室气体会使地球表面温度上升过快，引发一系列气候问题甚至灾难，需要我们密切关注和重视。

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